L'infertilité masculine est une préoccupation croissante dans les sociétés modernes. Parmi les différentes causes d'infertilités masculines, certaines ont une origine génétique. C'est le cas de la globozoospermie de type I, une infertilité sévère caractérisée par la production exclusive des spermatozoïdes ayant une tête ronde et sans acrosome. Cette pathologie présente un phénotype complexe associant à l'absence de l'acrosome, des défauts de compaction nucléaire, des lésions de l'ADN et une déficience d'activation ovocytaire.Récemment notre équipe a montré que le gène DPY19L2 est impliqué dans 60 à 80% des cas de globozoospermie de type I et représente donc la cause majeure de la globozoospermie de type I chez l'homme. La fonction de la protéine étant complètement inconnue au moment de l'identification du gène DPY19L2, nous avons alors réalisée une étude fondamentale sur les mécanismes moléculaires expliquant la pathogénie moléculaire de cette maladie et avons démontré, grâce à l'utilisation du modèle des souris KO pour le gène Dpy19l2, que la protéine est localisée dans la membrane nucléaire interne et est nécessaire à l'ancrage de l'acrosome sur l'enveloppe nucléaire. Dans le but d'identifier d'autres acteurs impliqués dans l'attachement de l'acrosome au noyau spermatique, nous nous sommes intéressés à l'étude de la protéine Sun5 de l'enveloppe nucléaire interne située en regard de l'acrosome qui pouvait être un partenaire de Dpy19l2. On a trouvé que les deux protéines n'étaient pas des partenaires puisque Sun5 était, contrairement à ce qui a été décrit dans la littérature, du côté postérieur opposé à l'acrosome. En deuxième temps, nous nous sommes intéressés à la compréhension des principales causes moléculaires de l'absence de fécondation ou du très faible taux de réussite lors d'ICSI réalisées avec des spermatozoïdes globozoospermiques.Pour ce faire, nous avons recherché la protéine PLC ζ, le principal facteur spermatique activateur de l'ovocyte, dans les spermatozoïdes humains provenant de patients délétés pour le gène DPY19L2 et murins (de souris KO Dpy19l2-/-) et avons montré qu'effectivement cette protéine est absente tant chez les patients que dans le modèle d'étude murin. Nous avons également réalisé une étude comparative des principales étapes de la compaction du génome spermatique entre les souris mâles WT et Dpy19l2-/- et nous avons montré que la compaction du génome des spermatozoïdes globozoospermiques était défectueuse avec un défaut de protamination et une rétention des histones. Ainsi, la déficience en PLC ζ, les défauts de compaction et le taux élevé de fragmentation de l'ADN sont susceptibles d'expliquer l'échec de la fécondation après ICSI, et le développement très réduit des embryons issus des patients déficients pour le gène DPY19L2 ainsi que des souris Dpy19l2-/-. La compréhension de cette physiopathologie devrait permettre la proposition de nouvelles stratégies thérapeutiques permettant d'améliorer le taux du développement embryonnaire en AMP. / Male infertility is a growing concern in modern societies. Among the various causes of male factor infertility, some have a genetic origin. This is the case of type I globozoospermia, a severe infertility characterized by the presence in the ejaculate of a majority of round spermatozoa devoid of acrosome. This pathology presents a complex phenotype associating to the absence of the acrosome, sperm nuclear compaction defects, DNA damage and failure in egg activation.Recently our team identified the DPY19L2 gene as responsible for a large majority of pure globozoospermia cases (>80%) and therefore represents the major cause of type I globozoospermia in humans. The function of the protein was completely unknown at the time of identification of DPY19L2 gene, we then performed a fundamental study of the molecular mechanisms underlying the molecular pathogenesis of the disease and have shown, through the use of knockout mice model for the Dpy19l2 gene, that the protein is localized in the inner nuclear membrane and is necessary for the anchoring of the acrosome to the nuclear envelope. In order to characterize new actors of acrosome attachment, we assessed the importance of Sun5 (also called Spag4l) in acrosome attachment which was previously shown to be expressed in NE of spermatogenic cells, facing the acrosome and that could be a partner of Dpy19l2. Interestingly we demonstrate that Sun5 and Dpy19l2 are not partners and that Sun5, is not as initially reported, facing the acrosome but is in fact excluded from this zone. We were also interested in understanding the main molecular causes of the poor fertilization ability or the very low success rate in ICSI when performed with globozoospermics sperm.Therefore we have searched the PLC ζ protein, the sperm factor thought to induce the Ca2+ oscillations responsible for egg activation, in human spermatozoa from patients with DPY19L2 deleted gene and in murine spermatozoa from Dpy19l2 Knock-Out mice and showed that actually this protein is absent both in patients and in KO mice. We also made a comparative study of the main stages of genome compaction of sperm from both WT and Dpy19l2 KO mice and we showed that Dpy19l2 deficient sperm displays defective genome condensation and DNA alterations. Thus, PLC ζ deficiency, the compaction defects and the high rate of DNA fragmentation may explain the failure of fertilization after ICSI, and the poor development of embryos from patients deficient for the gene DPY19L2 as well as Dpy19l2 KO mice.Understanding the physiopathology of globozoospermia should allow the proposal of new therapeutic strategies that improves the rate of embryonic development in ART.

L'infertilité masculine concerne plus de 20 millions d'homme à travers le monde et représente un véritable enjeu de santé public. Bien que multifactorielle, l'infertilité masculine a une composante génétique importante qui jusqu'à présent n'a été que peu étudiée. L'objectif de mon travail a été d'initier et de poursuivre les investigations génétiques sur trois phénotypes de tératozoospermie: les spermatozoïdes macrocéphales, la globozoospermie et les anomalies morphologiques multiples des flagelles (AMMF).Pour le premier phénotype, nous avons étudié 87 patients, dont 83 cas-index, présentant un phénotype de macrozoospermie. Nous avons trouvé la mutation c.144delC dans le gène AURKC chez 82% des patients (68/83) confirmant qu'il s'agit de l'évènement génétique prépondérant pour ce phénotype. Une nouvelle mutation récurrente, p.Y248*, entrainant la dégradation totale du transcrit anormal par nonsense-mediated mRNA decay, a été retrouvée chez 10 patients non‐apparentés. L'identification de deux mutations ancestrales dans AURKC maintenues au cours de l'évolution malgré leur effet délétère sur la reproduction chez l'homme homozygote, ouvre la question d'un potentiel avantage sélectif procuré par l'haplo-insuffisance d'AURKC.Pour le second phénotype, nous avons analysé une cohorte de 34 patients globozoospermiques par séquençage et MLPA (multiplex ligation-dependent probe amplification). Au total, la délétion homozygote de DPY19L2 a été retrouvée chez 22 patients sur 30 cas non apparentés (73.3%) et 3 nouvelles mutations ponctuelles ont été identifiées. Ces résultats indiquent que l'analyse moléculaire de DPY19L2 des patients globozoospermiques ne devrait pas être limitée à la recherche de la délétion homozygote de DPY19L2. Dans un second temps, nous avons démontré que la délétion récurrente de DPY19L2 était médiée par le mécanisme de recombinaison homologue non allélique (NAHR) entre deux séquences répétées homologues (LCR) de 28kb situées de chaque côté du gène. La très grande majorité des points de cassure surviennent dans une région de 1,2 kb située dans la partie centrale des LCRs. Cette région minimale de recombinaison est elle‐même centrée sur une séquence consensus de 13 nucléotides reconnue par PRDM9, une protéine à doigts de zinc qui favorise la survenue des cassures doubles brins initiant les processus de recombinaisons. Les modèles théoriques prédisent que, lors de la méiose, le mécanisme NAHR génère de novo plus d'allèles recombinés délétés que dupliqués. Étonnamment, dans la population générale les allèles DPY19L2 dupliqués sont trois fois plus fréquents que les allèles délétés. Nous avons développé une PCR digitale sur le sperme afin de mesurer le taux de délétions et de duplications de novo à ce locus chez des témoins. Tel qu'il était prédit par le modèle de NAHR, nous avons identifié un taux de délétions supérieur à celui des duplications. Ce paradoxe peut s'expliquer par la sélection qui s'opère à l'encontre des hommes infertiles porteurs de la délétion homozygote et potentiellement des hommes porteurs d'une délétion hétérozygote.Enfin pour le troisième phénotype, nous avons réalisé l'analyse par cartographie par homozygotie de 20 patients infertiles, dont 18 cas-index, présentant des anomalies morphologiques du flagelle. Cinq mutations homozygotes ont été identifiées dans le gène DNAH1 parmi les 18 patients non-apparentés (28%). Ce gène code pour une chaine lourde des bras internes de dynéine exprimée dans le testicule. Des analyses d'immunofluorescence et de RT-PCR ont confirmé le caractère pathogène d'une de ces mutations situées sur un site donneur d'épissage. Les analyses par microscopie électronique ont révélé une désorganisation générale de l'axonème incluant une disparition des doublets centraux et des bras internes de dynéine suggérant que DNAH1 est une protéine clé dans la biogenèse du flagelle du spermatozoïde. / Male infertility affects more than 20 million men worldwide and represents a major health concern. Although multifactorial, male infertility has a strong genetic basis which has so far not been extensively studied. The objectives of my thesis were to initiate and conduct some genetic investigations on three specific phenotypes of teratozoospermia: macrozoospermia, globozoospermia and multiple morphological abnormalities of the flagella (MMAF).For the first phenotype, we studied 87 patients with macrozoospermia, including 83 index cases, and identified c.144delC, a pathogenic mutation in the AURKC gene in 82% of patients (68/83) confirming that this variant is the main cause of macrozoospermia. A new recurrent mutation, p.Y248*, leading to degradation of the mutant transcripts by non-sense mediated mRNA decay was identified in 10 unrelated patients. Patients with no identified AURKC mutation have a decreased rate of spermatozoa with a large head and multiple flagella. Identification of two ancestral mutations in AURKC maintained during evolution despite their negative effect on reproduction in homozygous men, raises the question of a potential selective advantage provided by the AURKC haploinsufficiency.For the second phenotype, we first analyzed 34 patients presenting with globozoospermia using MLPA (multiplex ligation-dependent probe amplification) and Sanger sequencing. In total, 22 of the 30 unrelated patients where homozygous for the DPY19L2 deletion (73.3%) and 3 novel point mutations were identified. These results suggest that the molecular investigation of the DPY19L2 gene in globozoospermic patients should not be limited to the detection of the DPY19L2 genomic deletion and open interesting perspectives for the identification of DPY19L2 partners during acrosome biogenesis. Subsequently, we demonstrated that the genomic deletion was mediated by Non-Allelic Homologous Recombination (NAHR) between two homologous 28-Kb Low Copy Repeats (LCRs) located on each side of the gene. The vast majority of genomic breakpoints fell within a 1.2-Kb region central to the 28-Kb LCR. A 13-mer consensus sequence is located in the centre of that 1.2-Kb region recognized by PRDM9, a multi-unit zinc finger binding protein that promotes the formation of double-strand breaks (DSBs) initiating the homologous recombination process. The accepted theoretical NAHR model predicts that during meiosis, NAHR produces more deleted than duplicated alleles. Surprisingly, array-CGH data show that, in the general population, DPY19L2 duplicated alleles are approximately three times as frequent as deleted alleles. In order to shed light on this paradox, we developed a sperm-based digital PCR to measure the de novo rates of deletions and duplications at this locus. As predicted by the NAHR model, we identified an excess of de novo deletions over duplications. These discording results may be explained by the purifying selection against sterile, homozygous deleted men. Heterozygous deleted men might also suffer a small fitness penalty.Lastly, for the third phenotype, homozygosity mapping was carried out on a cohort of 20 North African individuals, presenting with primary infertility resulting from impaired sperm motility caused by a mosaic of multiple morphological abnormalities of the flagella (MMAF). Five unrelated subjects out of 18 (28%) carried a homozygous variant in DNAH1, which encodes an inner dynein heavy chain and is expressed in testis. RT-PCR and immunostaining studies confirmed the pathogenic effect of one of these mutations located on a donor splice site. Electronic microscopy revealed a general axonemal disorganization including mislocalization of the microtubule doublets and loss of the inner dynein arms suggesting that DNAH1 plays a critical role in sperm flagellum biogenesis and assembly.

Le génotypage d’une famille jordanienne consanguine constituée de 5 frères globozoospermiques et de 3 frères fertiles sur puce Affymetrix, a permis d’identifier un nouveau gène responsable de la globozoospermie situé dans un intervalle de 6.4Mb en 12q14.2. Au regard de son expression prédominante dans le testicule et l’implication de son orthologue, chez C. elegans, dans la polarisation cellulaire, le gène DPY19L2 est un gène candidat parfait. Le gène, codant pour une protéine transmembranaire, est flanqué par deux séquences répétées (LCRs) qui partagent 96,5% d’identité. Dans une première étude, une délétion de 200Kb englobant l’ensemble du gène a été mise en évidence chez les 4 frères infertiles de cette famille jordanienne ainsi que chez 3 autres patients non apparentés. Nous avons ensuite recruté une plus grande cohorte de 54 patients. Parmi ces patients, 20 sont homozygotes pour la délétion de DPY19L2 et 7 sont hétérozygotes composites associant la délétion hétérozygote et une mutation ponctuelle. En outre, nous avons identifié, 4 patients avec des mutations ponctuelles homozygotes. Par conséquent, la fréquence d’implication de DPY19L2 s’élève à 66.7%. En tout, 9 points de cassures, regroupés en deux hotspots au sein des LCRs, ont pu être mis en évidence. Ceci confirme que le mécanisme sous-jacent de la délétion est une recombinaison homologue non allélique (NAHR) entre les LCRs. En conclusion, nous confirmons que DPY19L2 est le principal gène de la globozoospermie et nous élargissons le spectre des mutations possible dans ce gène. / Performing a genome wide scan by SNP microarray on a Jordanian consanguineous family where five brothers were diagnosed with complete globozoospermia, we show in a first study that the four out of five analysed infertile brothers carried a homozygous deletion of 200 kb on chromosome 12 encompassing only DPY19L2. The gene encodes for a transmembrane protein and is surrounded by two low copy repeats (LCRs). Very similar deletions were found in three additional unrelated patients. Later, we have pursued our patient screen by recruiting a largest cohort of patients. Out of a total of 54 patients analysed, 36 (66.7%) showed a mutation in DPY19L2. Out of 36 mutated patients, 20 are homozygous deleted, 7 heterozygous composite and 4 showed a homozygous point mutation. We characterized a total of nine breakpoints that clustered in two recombination hotspots, both containing direct repeat elements. These findings confirm that the deletion is due to a nonallelic homologous recombination (NAHR) between the two LCRs. Thus, Globozoospermia can be considered as a new genomic disorder. This study confirms that DPY19L2 is the major gene responsible for globozoospermia and enlarges the spectrum of possible mutations in the gene.

Le spermatozoïde est une cellule hautement spécialisée qui doit être capable de réaliser des fonctionsspécifiques pour être capable de féconder un ovocyte. Il doit être capable de réaliser une réactionacrosomique qui consiste en l’exocytose d’une vésicule géante de sécrétion attachée au noyau. Cettevésicule contient des enzymes qui vont permettre au spermatozoïde de traverser la zone pellucide quientoure l’ovocyte. Mon travail a consisté à étudier l’effet d’une des enzymes contenue dansl’acrosome, la sPLA2 de mammifère de groupe X (mGX). C’est la seule phospholipase demammifères parmi les 5 testées qui a un effet d’inhibition sur une population spécifique despermatozoïdes ayant une mobilité diminuée. Mon travail a ainsi confirmé la spécificité de cettephospolipase sur la régulation de la physiologie spermatique. Dans un deuxième temps, j’ai participéà la découverte du gène DPY19L2 impliqué dans une infertilité masculine rare, la globozoospermie.La globozoospermie se caractérise par des spermatozoïdes ayant une tête ronde dépourvued’acrosome. Le gène DPY19L2 est spécifiquement exprimé dans les testicules, il est absent chez80% des patients globozoospermiques. J’ai caractérisé le rôle de cette protéine et montré qu’elle estimpliquée dans l’attachement de l’acrosome au noyau. J’ai pu montrer que cette protéine appartient àla membrane nucléaire interne où elle interagit avec la protéine Sun5, une protéine qui appartientaussi à la membrane nucléaire interne et dont l’expression est spécifique à la spermiogénèse. Sun5est impliquée dans la formation de complexes LINC (Linker of Nucleoskeleton and Cytoskeleton)qui permettent de relier le cytosquelette au nucléosquelette, constitué entre autres par les lamines. Lerôle de DPY19L2 pourrait permettre de stabiliser l’ancrage de la protéine SUN5 afin de transmettreles forces exercées par le cytosquelette au noyau de la spermatide. DPY19L2 appartient à une famillede protéines DPY19L1 à L4 dont les fonctions restent encore peu caractérisées. Une étude récentemontre qu’une diminution de l’expression de Dpy19l1 chez la souris entraîne un défaut de migrationdes neurones glutamatergiques sur la glie radiale. Mon travail a montré l’importance de DPY19L2dans le contrôle des interactions noyau-cytosquelette et devrait permettre de mieux comprendre lerôle des autres protéines de cette famille dans divers organes. / The spermatozoon is a highly specialized cell that must be able to perform specific functions tofertilize the oocyte. It must be able to perform the acrosome reaction, an exocytosis of a giant vesicleof secretion, attached to the nucleus. This vesicle contains enzymes that allow the sperm to penetratethe zona pellucida surrounding the oocyte. The aim of my work was first to study the effect of anenzyme present in the acrosome, the sPLA2 of group X in mouse (mGX). This is the onlymammalian phospholipase among the five tested that has an inhibitory effect on sperm specificpopulation with low mobility. My work has confirmed the specificity of this phospolipase on theregulation of sperm physiology. Second, I participated in the discovery of the gene DPY19L2involved in male infertility, globozoospermia. The globozoospermia is characterized by round headspermatozoa without acrosome. DPY19L2 gene is specifically expressed in the testis and is absent in80% of globozoospermic patients. I then identified the role of this protein, which is involved in theattachment of the acrosome to the nucleus. I showed that this protein belongs to the inner nuclearmembrane where it likely interacts with the protein sun5 which also belongs to the inner nuclearmembrane and whose expression is specific to spermiogenesis. Sun5 is involved in the complexformation, called LINC that connects the cytoskeleton to the nucleoskeleton lamina. The role ofDpy19l2 could help stabilizing the anchoring of protein sun5 in order to transmit the forces exertedby the cytoskeleton to the nucleus of the spermatid during acrosome spreading. Dpy19l2 belongs to aprotein family containing 4 members, Dpy19l1 to l4, which has not been poorly studied so far. Arecent study shows that the knock-down of Dpy19l1 resulted in defective glutamatergics neuronsmigration on the radial glia. The results obtained during my work would improve the knowledge ofCytoskeleton-nucleoskeleton interaction, and give new insight on this new family of proteins.