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.

L’infertilité est considérée actuellement par l’organisation mondiale de la santé (OMS) comme une préoccupation majeure de santé affectant plus de 50 millions de couples dans le monde. Dans les pays occidentaux, la majorité des couples infertiles ont recours aux techniques d’assistance médicale à la procréation (AMP) pour obtenir une grossesse. Malgré le succès de ces techniques, près de la moitié des couples qui ont recours à l’AMP sortent du parcours de soin sans enfant. Une partie de ces échecs est expliquée par l’altération de la gamétogenèse. Chez l’homme, la spermatogenèse fait interagir des centaines de gènes spécifiquement exprimés dans le testicule. L’abondance de ces gènes suggère que les troubles de la spermatogenèse présentent une forte composante génétique. Récemment, les avancées techniques ont favorisé l’identification de gènes responsables de ces anomalies mais la grande majorité des cas d’infertilité masculine reste classée comme idiopathique. L’objectif de la thèse est d’identifier de nouvelles causes génétiques responsables d’infertilité masculine et d’élucider les mécanismes physiopathologiques associés à ces anomalies.Au cours de ma thèse j’ai participé avec l’équipe GETI (génétique, épigénétique et thérapies de l’infertilité) à l’exploration génétique et moléculaire de deux phénotypes distincts d’anomalies spermatiques liés à des défauts post-méiotiques de la spermatogenèse : une forme rare d’azoospermie non obstructive (ANO) et le phénotype d’anomalies morphologiques multiples du flagelle spermatique (AMMF). Enfin j’ai joué un rôle important dans la création et l’analyse de modèles murins pour caractériser la pathogénie de ces anomalies.L’analyse génétique de deux frères infertiles nés de parents consanguins et présentant une ANO idiopathique associée à un arrêt post-méiotique de la spermatogenèse nous a permis d’identifier un variant homozygote délétère dans le gène SPINK2 qui code pour un inhibiteur de sérine-protéases. L’étude des souris KO pour ce gène nous a permis d’observer que les souris mâles adultes sont infertiles et miment parfaitement les phénotypes spermatique et testiculaire observés chez nos patients. Nous avons montré que la protéine codée par ce gène est exprimée dans l’acrosome à partir du stade de spermatide ronde. En l’absence de Spink2, l’activité protéolytique non-neutralisée des protéases cibles qui transitent par le Golgi cause sa fragmentation et bloque la spermiogénèse au stade de spermatide ronde. Nous avons également pu observer que les spermatozoïdes provenant de patients et de souris hétérozygotes présentent un taux élevé d’anomalies morphologiques et une baisse de la mobilité progressive conduisant à une hypofertilité à expressivité variable. Ces résultats montrent pour la première fois que l’oligo-tératozoospermie et l’azoospermie peuvent constituer un continuum pathologique dû à une même pathogénie.Nous avons également réalisé le séquençage exomique complet d’une cohorte de 78 individus AMMF non apparentés et avons identifié chez 49 sujets des mutations bi-alléliques délétères dans 11 gènes candidats dont DNAH1, CFAP43, CFAP44, WDR66 et FSIP2, soit un rendement diagnostique de 63%. Ces résultats confirment l’hétérogénéité génétique du phénotype MMAF et l’efficacité diagnostique du séquençage haut débit dans son exploration. Nous avons également validé l’implication de certains gènes candidats (n=4) dans ce phénotype chez le modèle murin knock-out créé par la nouvelle technologie d’édition du génome, CRISPR/Cas9.Dans son ensemble, ce travail montre l’intérêt et l’efficacité de la combinaison du séquençage exomique et de la technique de CRISPR/Cas9 pour étudier les troubles de la spermatogenèse et l’infertilité masculine. / Infertility is currently considered by the World Health Organization (WHO) as a major health concern affecting more than 50 million couples worldwide. In western countries, the majority of infertile couples seek assisted reproductive technologies (ART) to achieve a pregnancy. Despite the success of these techniques, almost half of these couples fail to obtain a child. Part of these failures are explained by the alteration of gametogenesis. In humans, spermatogenesis involves hundreds of genes specifically expressed in the testis. The abundance of these genes suggests that spermatogenic defects are associated with a strong genetic component. Recently, technical advances have led to the identification of numerous causative genes, but the vast majority of male infertility cases remain idiopathic. The aim of the present thesis is to identify new genetic causes responsible for male infertility and to elucidate the physiopathological mechanisms associated with these anomalies.During my thesis, I participated with the team GETI (genetics, epigenetics and therapies of infertility) in the genetic exploration of two phenotypes of male infertility related to post-meiotic defects of spermatogenesis: a rare form of non-obstructive azoospermia and the phenotype of multiple morphological abnormalities of the sperm flagella (MMAF). I have also played a key role in creation and analysis of transgenic mice to better characterize the pathogeny of the identified genetic causes in Human.Genetic analyses performed on two infertile brothers born form consanguineous parents and presenting an-idiopathic non-obstructive azoospermia associated with a post-meiotic arrest of spermatogenesis allowed us to identify a homozygous variant in the SPINK2 gene that encodes a serine-protease inhibitor. Phenotypic analysis of Spink2-/- adult male mice showed that they are infertile and perfectly mimic the sperm and testicular phenotypes observed in our patients. We showed that Spink2 protein is expressed from the round spermatid stage and localized in the acrosome, a lysosomal-like vesicle rich in proteases that play a key role during fertilization. When Spink2 is absent, the deregulated proteolytic activity of the targeted proteases such as acrosin leads to the fragmentation of the Golgi apparatus and arrest of spermiogenesis at the round spermatid stage. We also showed that sperm from heterozygous human and mice present a high level of morphological abnormalities and a decrease of progressive motility leading to a variable subfertility. These results showed for the first time that oligo-teratozoospermia and azoospermia could present a pathological continuum due to the same pathogeny.We also performed exome sequencing in a cohort of 78 non related MMAF subjects and identified in 49 cases deleterious bi-allelic mutations in a total of 11 candidate genes including DNAH1, CFAP43, CFAP44, WDR66 and FSIP2 giving a genetic diagnosis yield of 63%. These results confirm the genetic heterogeneity of MMAF and the efficiency of high throughput sequencing in genetic exploration of this phenotype. We also demonstrated the pathogenic implication of certain candidate genes (n=4) using knock-out mice created by the new technology of genome editing, CRISPR/Cas9.Overall, this work demonstrates the interest and effectiveness of combining exome sequencing and CRISPR/Cas9 system to study spermatogenesis disorders and male infertility.