Durant sa croissance, l’ovule entrepose des organelles, des protéines et des ARNm dits maternels qui permettront de supporter les premières étapes du développement embryonnaire dans le but primordial d’activer le génome embryonnaire. Un ovocyte capable de supporter cette étape est dit compétent au développement embryonnaire. Le premier objectif avait pour but de déterminer des populations d’embryons ayant différents niveaux de compétence au développement. Le développement d’une nouvelle approche, la triple sélection consiste à utiliser en même temps deux caractères reliés à l’ovule tels que la taille d’origine de son follicule et la morphologie de son complexe cumulus-ovocyte, et un caractère relié à l’embryon, soit le temps du premier clivage. Les différentes populations générées par la sélection permettront ainsi la recherche des facteurs de compétence au développement. Le deuxième objectif avait pour but de connaître le protéome traduit de la traduction des ARNm maternels lors du développement embryonnaire, ainsi que de connaître les besoins constants en protéines de l’embryon, mais également de l’ovocyte, soit les protéines "housekeeping" maternels. Cette expérience a démontré clairement que suite à la reprise de la méiose (Coenen et al., 2004) et ensuite de la fécondation, la traduction des ARNm maternels présente un continuum d’évènements qui mène à l’activation du génome embryonnaire. Malgré un réservoir commun d’ARNm, les besoins lors de la maturation de l’ovocyte et lors du développement de l’embryon sont loin d’être les mêmes. Seulement une cinquantaine de protéines sont communément traduites lors de ces deux évènements cellulaires. Onze de ces protéines ont été identifiées : les protéines de choc thermique 71 et 70, la cyclophiline A (2 fois), la glutathione-S-transférase mu 5, la protéine épithéliale liant les acides gras, la 2,3-biphosglycérate mutase, la sous-unité epsilon TCP-1 de la chaperonine, l’ubiquitine carboxyl-terminal hydrolase isozyme L1, l’enzyme conjuguant l’ubiquitine E2D3 et l’isoforme alpha et gamma de l’actine. Le troisième objectif avait pour but de déterminer des facteurs de compétence au niveau de l’embryon à 2-cellules basé sur les populations observées lors de la triple sélection. Nous ii avons compris la traduction des ARNm maternels dans les embryons incompétents au développement. Ces derniers présentent une traduction basale des ARNm maternels, tandis que les plus compétents présentent bon nombre de protéines exclusives qui représentent des facteurs de compétence potentiels. Afin d’identifier ces facteurs de compétence, nous avons pu observer que les protéines traduites lors du développement embryonnaire ne sont que transitoires, observation supportée également par la seconde expérience. Les protéines ne s’accumulent pas dans le cytoplasme rendant ainsi leur identification très difficile. Malgré tout, six protéines ont été identifiées: la thiolase cytosolique, l’isocitrate déshydrogénase, la peroxiredoxine 6, la sous-unité alpha du proteasome-6 et la thiamine triphosphatase. Deux protéines « housekeeping » d’origine maternelle découvertes durant l’expérience précédente sont également moins présentes dans les embryons non compétents. De ces expériences de protéomique a découlé une nouvelle méthode de confirmation de l’identification des protéines, la confirmation in silico. Le génome et le protéome de Bos taurus étant limité, l’identification de nos protéines a souvent été faite soit chez d’autres espèces ou uniquement à partir de fragments d’ADN des banques de EST de Bos taurus. Cette méthode permet donc de reconstruire le messager bovin, d’en traduire la protéine bovine, d’identifier le patron peptidique théorique et de le comparer à nos résultats de séquençage, augmentant ainsi le recouvrement de notre protéine. En conclusion, la protéomique de la compétence au développement de l’ovocyte bovin a permis l’identification de candidats qui comparativement à la génomique sont plus restreints. Une nouvelle méthode a découlé de ces expériences. La confirmation in silico permet maintenant la confirmation des protéines identifiées sans utilisation de matériel supplémentaire. / During the growth and the maturation of the oocyte, organelles, proteins and mRNA known as maternal are stockpiled in order to prepare and supply material to the developing embryo in the main goal to activate the embryonic genome. An oocyte that is able to supply to this step is called developmental competent. The objective of the first experiment was to determine an embryos population with different level of developmental competence. The triple selection lies in two characters related to the oocyte, which are the follicular size and the morphology of the COC and one is related to the embryo, which is the time of first cleavage post insemination. The different population generated by this selection has provided a population highly competent to development and a population lacking developmental competence that will be useful for the study of developmental competence. The objective of the second experiment was the study of the proteomic of the translated maternal mRNA during the early embryo development. We wanted to know which proteins play the role of maternal housekeeping proteins during oocyte maturation and early embryo development. This experiment has clearly demonstrated that when the oocyte resume meiosis (Coenen et al., 2004) and after fertilization, the translated protein pattern follows a continuum events which conducts embryo to his activation. Although they are supply by the same reservoir of mRNA, the needs of the oocyte and the embryo are different. Only about fifty proteins are commonly translated during oocyte maturation and early development. Eleven of them have been identified: HSC71; HSP70; CypA (2 times); UCHL1; GSTM5; Cct5; E-FABP; 2,3-BPGM, ubiquitin-conjugating enzyme E2D3; and β- actin/γ-actin. The third experiment consists of the discovery of factors related to developmental competence. Three populations from the triple selection with high, low and developmental competence was compared by a proteomic study. This study has shown that developmental incompetent embryos translate a minimum of maternal mRNA, which the majority is the embryo housekeeping found in the previous study. Whereas high and low developmental iv competent embryos present shared and exclusive translated proteins, these proteins represent potential factors related to developmental competence. By trying to identify these proteins, we have found that most translated proteins are transient and are not accumulated in the cytoplasm. In spite of this observation, we have identified six proteins: cytosolic thiolase, isocitrate dehydrogenase 1, peroxiredoxin 6, proteasome-α6, hypothetical protein My027 and thiamine triphosphatase. Two maternal housekeeping proteins were also missing for the incompetent 2-cell embryos: UCH-L1 and CypA. From these experiments, a new method of protein identification confirmation, called in silico confirmation, was developed. As the genome and the proteome of Bos taurus is limited, the protein identification was made in foreign species or from Bos taurus EST databases. This method as made possible to rebuilt the bos taurus messager, to translate the bovine protein, find his theoretical peptide mass fingerprint and compare it to the experimental spectrum and thus increase the number of matched peptides. In conclusion, the proteomic study on the developmental competence of the bovine oocyte has identified of a reduce number of candidates compared to genomic studies. A new method has been developed during this work. The in silico confirmation allowed the confirmation of protein identification without additional material.

La compétence au développement de l'ovocyte consiste en sa capacité à réussir les étapes successives de maturation, de fécondation pour atteindre le stade blastocyste et donner une progéniture en santé. Facteur limitant du développement embryonnaire, la maturation de l'ovule est le fruit d'interactions optimales avec son environnement somatique et hormonal notamment les cellules de cumulus. Ces dernières étant essentielles pour la maturation de l'ovule et considérées comme un miroir pouvant renseigner sur sa qualité. L'apparence de ces cellules figure parmi les principaux critères morphologiques utilisés lors de la sélection du complexe cumulus-ovocyte. Comme de tels critères sont subjectifs et qualitatifs, on envisage ici d'identifier des biomarqueurs exprimés dans le cumulus et permettant une sélection efficace et objective d'ovocytes compétents via une approche génomique. Par conséquent, les cellules du cumulus d'un ovocyte compétent sont considérées comme étant le site privilégié d'événements spécifiques dont l'activation des voies de signalisation et des cascades d'expression génique reflétant la qualité de l'ovule. En faisant recours aux technologies de pointe utilisées en biologie moléculaire telles que les biopuces et la PCR quantitative, et en se servant de logiciels performants pour l'analyse des voies de signalisation, nous nous sommes concentrés sur l'étude des profils d'expression des cellules du cumulus en relation avec la compétence au développement des ovocytes. Le premier objectif de cette thèse était de trouver des gènes exprimés différentiellement dans des conditions de culture qui influencent la compétence et donc associés à de taux de blastocystes élevés. Outre la confirmation de la voie PKC comme principal acteur impliqué dans la compétence ovocytaire, on rapporte ici une liste de candidats communément surexprimés entre les trois traitements de MIV (FSH, PMA, FSH+PMA) et donc ayant de meilleures chances d'être associés au processus moléculaires de l'acquisition de compétence. Le deuxième objectif était l'analyse des gènes exprimés dans les cellules du cumulus suite à l'action du pic de LH in vivo. Comme la LH est essentielle pour la maturation finale in vivo et à la production d'ovocytes de qualité, on s'est intéressé aux gènes différentiellement exprimés dans les cellules de cumulus et associés à la compétence ovocytaire à 6 heures après le pic de LH. Par la suite, l'expression des gènes à ce stade (GVBD) a été comparée à son homologue in vitro (objectif #1) pour générer une liste commune des marqueurs potentiels de compétence des Ill ovocytes à la fois in vivo et in vitro. L'identification de ces biomarqueurs pourrait accroître les connaissances sur les profils d'expression génique dans les cellules du cumulus et servira de préambule à comprendre des séquences d'événements cruciaux du processus moléculaire d'acquisition de la compétence au développement de l'ovocyte. Ces résultats pourraient être un outil précieux pour accroître les rendements de fécondation in vitro et pourraient permettre d'optimiser la stimulation ovarienne in vivo aussi bien chez le bovin que l'humain. Par la suite, on a procédé à une analyse comparative des effets génomiques des deux gonadotrophines autour de la GVBD: FSH in vitro versus LH in vivo. Nous avons mis en évidence, pour la première fois chez le bovin, une possibilité de compensation ou de substitution de la LH par la FSH in vitro. La troisième partie de cette thèse a été l'analyse de l'expression des gènes dans les cellules du cumulus humains collectés juste avant l'ICSI (intracytoplasmic sperm injection) afin d'identifier des biomarqueurs génomiques fiables permettant de prédire de façon précise et non invasive la compétence au développement des ovocytes et de renforcer les critères morphologiques existants. Pour des cellules de cumulus associés à des ovocytes de morphologies similaires et ayant la même biréfringence de la zona pellucida, on a identifié 7 gènes différentiellement associés à des ovules ayant mené à une grossesse. Ces biomarqueurs pourraient devenir un outil quantitatif et non-invasif permettant de distinguer le bon embryon à transférer parmi d'autres ayant des propriétés morphologiques similaires. Un tel embryon devrait faciliter la pratique du transfert mono-embryonnaire, évitant ainsi les grossesses multiples. Finalement, la présente étude a permis d'identifier plusieurs gènes marqueurs et d'explorer leurs voies de signalisation potentielles aussi bien chez le bovin que l'humain. Ces résultats devraient contribuer à enrichir les connaissances actuelles des profils d'expression génique des cellules du cumulus en plus de donner un aperçu des voies moléculaires qui régissent la compétence au développement des ovocytes. Ils pourraient aussi servir à l'identification et la compréhension des voies moléculaires reliés aux subséquents événements de fécondation et de développement embryonnaire précoce dont les mécanismes demeurent encore méconnus.

La production d'embryons bovins in vitro demeure aujourd'hui moitié moins efficace que le processus in vivo. La réserve de transcrits maternels accumulés par l'ovocyte semble déterminante dans sa capacité à se développer en un embryon viable. Quatre groupes d'ovocytes et de jeunes embryons ont été comparés afin d'isoler des marqueurs potentiels de compétence à partir de leur transcriptome. Chaque groupe a permis d'étudier l'influence d'une caractéristique associée au niveau de compétence : les conditions de la maturation finale, la composition du milieu de maturation, le délai de premier clivage et le diamètre folliculaire. L'utilisation de techniques modernes de biologie moléculaire telles que l'hybridation soustractive suppressive et l'hybridation de biopuces a permis de sélectionner treize candidats potentiels. Après vérification par PCR en temps réel, neuf candidats présentent un niveau d'ARNm associé à la compétence. Leur caractérisation pourrait contribuer à l'enrichissement de nos connaissances sur la qualité ovocytaire.

Pendant l'ovogenèse, l'ovocyte synthétise et emmagasine de nombreux ARNm maternels dans un état de traduction inactive. Ils sont traduits pendant la maturation et le développement embryonnaire grâce à la polyadénylation cytoplasmique, qui est régulée par des éléments spécifiques localisés dans leur 3' UTR. Les expériences présentées dans cette thèse ont été menées chez l'ovocyte bovin afin de mieux comprendre la régulation de la traduction par la polyadénylation cytoplasmique d'ARNm maternels. En étudiant l'ARNm de la cycline Bl, nous avons démontré que la polyadénylation cytoplasmique et l'initiation de la traduction peut survenir avant la maturation in vitro de l'ovocyte. Nous avons ensuite identifié et caractérisé un nouveau gène de l'ovocyte bovin nommé OOSPI (oocyte-secreted protein 1), qui est exprimé sous deux variants d'épissage : OOSPI vl (variant 1); et OOSPI_v2 (variant 2). Les transcrits de ce gène sont présents en grande quantité dans les ovocytes immatures (GV) et sont dégradés graduellement pendant la maturation et le développement, sans être exprimés à nouveau suite à l'activation du génome embryonnaire. Nous avons démontré que le gène OOSPI est un marqueur ovocyte-spécifique et que l'ARNm OOSPI vl est un marqueur de compétence au développement. L'étude de l'état de polyadénylation de l'ARNm OOSPI vl a permis de découvrir que sa queue poly(A) est longue dans les ovocytes en GV, allongée dans le zygote et raccourcie dans l'embryon au stade 8 cellules. Ce profil de polyadénylation est similaire à celui d'autres ARNm maternels ovocytaires possédant un CPE de type embryonnaire (eCPE) dans leur 3' UTR, comme celui de l'ARNm OOSP1 vl. Nous n'avons pu étudier l'initiation de la traduction de l'ARNm OOSPI vl puisque la protéine OOSPI vl est déjà présente dans les ovocytes immatures et matures (Mil), sous trois masses moléculaires différentes. La forme protéique de faible masse moléculaire disparaît complètement en fonction du temps après 18 h de fécondation in vitro. Seule la forme protéique de masse moyenne est encore présente dans les blastocystes. Nous avons montré que l'ARNm OOSPI vl et la protéine qu'il code sont finement régulés lors de la fécondation et du développement embryonnaire. / During oogenesis, the oocyte synthesizes and stores numerous maternal mRNA in a translational inactive state. Their translation is linked to cytoplasmic polyadenylation during maturation and embryo development and is driven by specific elements in their 3' UTR. The experiments presented in this thesis were conducted in the bovine oocyte to better understand translation regulation of maternal mRNA by cytoplasmic polyadenylation. With the study of cyclin Bl mRNA, we demonstrated that cytoplasmic polyadenylation and translation initiation can occur before in vitro maturation of the oocyte. We then identified and characterized a novel bovine oocyte gene named OOSP1 (oocyte-secreted protein 1), that is expressed under two splicing variants : OOSP1 vl (variant 1); and OOSPlv2 (variant 2). These transcripts are highly present in immature (GV) oocytes and are gradually depleted during maturation and development, without being reexpressed following embryonic genome activation. We showed that the OOSP1 gene is an oocyte-specific marker and that OOSPlvJ mRNA is a marker for developmental competence. The study of OOSPlvl mRNA polyadenylation status showed that its poly(A) tail is long in GV stage oocytes, elongated in zygotes and shortened in 8-cell embryos. This polyadenylation pattern is similar to the ones of other oocyte maternal mRNA bearing an embryonic type CPE (eCPE) in their 3' UTR, as the one present in OOSPlvl mRNA. We were not able to study OOSPlvl mRNA translation initiation since OOSPljvl protein was already present, in three different molecular masses, in immature and mature (Mil) oocytes. The low molecular mass protein form disappears in a time-dependant manner after 18 h of in vitro fertilization and only the medium molecular mass protein form is still present in blastocysts. We demonstrated that OOSP1 vl mRNA and its encoded protein are finely regulated during fertilization and embryo development.

Les compétences uniques que possède l'ovocyte sont assurées par les facteurs maternels, synthétisés et stockés dans l'ovocyte au cours de sa croissance. Ces derniers sont nécessaires à la reprise de la méiose, au déclenchement des premières mitoses et à l'activation du génome embryonnaire. Ce projet de recherche vise à identifier les gènes spécifiques à l'ovocyte conservés au cours de l'évolution qui sont impliqués dans les mécanismes moléculaires responsables du potentiel de développement unique à l'ovocyte. La première étape de ce projet consiste en l'identification des gènes spécifiques à l'ovocyte chez la souris, le bovin et Xenopus laevis. Afin de répondre à cet objectif, la technique des librairies soustractives et la technologie des microarrays d'ADNc ont été utilisés. Par la suite, une analyse comparative du transcriptome ovocytaire du bovin, de la souris et de Xenopus laevis a permis d'identifier les gènes spécifiques à l'ovocyte et conservés au cours de l'évolution. En premier lieu, une lame de microarray d'ADNc multi-espèces spécifique à l'ovocyte a été construite à partir de transcrits dérivés de librairies soustractives enrichies de gènes spécifiques à l'ovocyte. Par la suite, une lame de microarray d'oligonucléotides contenant plus de 20 000 transcrits dérivés de librairies d'ovocytes, d'embryons et de cellules souches de souris a été utilisée afin d'effectuer des hybridations inter-espèces avec des ovocytes de bovin et de Xenopus laevis. Les résultats de ces expériences ont permis de démontrer qu'il existe un degré de conservation très élevé parmi les gènes exprimés dans les ovocytes des trois espèces. Finalement, l'analyse globale du profil d'expression des gènes exprimés au cours du développement embryonnaire in vivo chez le bovin a été effectuée. Cette étude a permis de comparer les gènes d'origine maternelle à ceux du génome embryonnaire afin de déterminer l'importance des ARNm présents à ces stades. Les résultats présentés dans le cadre de cette thèse démontrent que l'étude du transcriptome ovocytaire et embryonnaire ainsi que les analyses comparatives permettent l'identification de gènes spécifiques à l'ovocyte conservés au cours de l'évolution. La caractérisation éventuelle de ces gènes permettra ainsi l'avancement de nos connaissances concernant les mécanismes moléculaires uniques à l'ovocyte.