Top départ ! Au moment de l’éjaculation, des millions de spermatozoïdes se lancent dans une course effrénée pour décider lequel aura la chance de rencontrer l’ovule et ainsi transmettre son patrimoine génétique. Mais leur course commence bien avant ce top départ, dans les starting-blocks des testicules, où chaque spermatozoïde se prépare pour le sprint. Car à ce moment-là, lors d’un processus nommé spermatogenèse, le génome de ces cellules se charge de mutations à une vitesse accélérée, selon une étude publiée le 21 décembre 2022 dans la revue Nature. Et si jamais ces mutations favorisent la reproduction, l’heureux spermatozoïde ou ses descendants auront des atouts supplémentaires pour affronter cette grande course.
Un désordre qui accélère l’apparition de mutations
Cette accumulation de mutations survient pendant la dernière étape de la spermatogenèse, lorsque le génome de ces cellules est compacté au maximum. “Durant cette étape, une grande partie des histones (des protéines autour desquelles l’ADN est enroulé, ndlr) est remplacée par d’autres protéines appelées protamines, afin de condenser l’ADN dans la tête du spermatozoïde”, nous explique Florent Murat, chargé de recherche à l’Inrae à Rennes et auteur de l’étude.
Top départ ! Au moment de l’éjaculation, des millions de spermatozoïdes se lancent dans une course effrénée pour décider lequel aura la chance de rencontrer l’ovule et ainsi transmettre son patrimoine génétique. Mais leur course commence bien avant ce top départ, dans les starting-blocks des testicules, où chaque spermatozoïde se prépare pour le sprint. Car à ce moment-là, lors d’un processus nommé spermatogenèse, le génome de ces cellules se charge de mutations à une vitesse accélérée, selon une étude publiée le 21 décembre 2022 dans la revue Nature. Et si jamais ces mutations favorisent la reproduction, l’heureux spermatozoïde ou ses descendants auront des atouts supplémentaires pour affronter cette grande course.
Un désordre qui accélère l’apparition de mutations
Cette accumulation de mutations survient pendant la dernière étape de la spermatogenèse, lorsque le génome de ces cellules est compacté au maximum. “Durant cette étape, une grande partie des histones (des protéines autour desquelles l’ADN est enroulé, ndlr) est remplacée par d’autres protéines appelées protamines, afin de condenser l’ADN dans la tête du spermatozoïde”, nous explique Florent Murat, chargé de recherche à l’Inrae à Rennes et auteur de l’étude. Pour faire sortir les histones, la chromatine (la structure dans laquelle le génome est empaqueté) s’ouvre avant de se refermer autour des protamines. Ce remaniement de la chromatine expose une grande partie de l’ADN pendant un court moment, durant lequel les gènes sont transcrits de manière aléatoire, en fonction de si le mécanisme transcriptionnel (qui produit l’ARN à partir l’ADN) a accès ou pas aux différentes régions du génome.
Pour arriver à cette conclusion, des chercheurs de l’Inrae à Rennes et de l’Université de Heidelberg en Allemagne ont comparé les transcrits dans les cellules des testicules de dix espèces représentant les principales lignées des mammifères (qui ont commencé à diverger il y a 310 millions d’années). “Alors que les programmes génétiques (c’est-à-dire les gènes transcrits à un moment donné, ndlr) dans les premiers stades de la spermatogenèse sont très similaires entre les espèces de mammifères, ils diffèrent de façon plus conséquente dans les stades ultérieurs”, révèle Florent Murat. Ces différences seraient la conséquence de la liberté transcriptionnelle apportée par l’ouverture et la fermeture de la chromatine durant ce stade, qui entrainerait une grande diversité génétique dans les spermatozoïdes d’un même mâle.
“Durant cette étape, des mutations surviendraient plus facilement, poursuit-il. Par exemple, ces ARN transcrits de manière diffuse pourraient être insérés dans le génome à ce moment, facilitant notamment l’émergence de nouveaux gènes au cours de l’évolution. Ce mécanisme apporterait une plasticité évolutive pour les espèces. Car contrairement aux mutations qui apparaissent dans les autres cellules du corps (dites somatiques), les mutations survenant dans les cellules germinales sont transmises à toutes les cellules de la progéniture dès lors que cette progéniture est le fruit de la rencontre de gamètes ayant connu ces modifications, d’où leur rôle important au cours de l’évolution.” La course du sperme implique donc aussi une grande course évolutive où chaque spermatozoïde porte des génomes différents, testant ainsi des millions de combinaisons génétiques à chaque éjaculation afin de choisir le cocktail génomique gagnant qui sera transmis à la descendance.
Les modifications génétiques bénéfiques pour la reproduction se concentrent dans le chromosome X
Ces nouvelles mutations peuvent se retrouver n’importe où dans l’ADN, mais certaines régions seraient plus exposées que d’autres, notamment le chromosome X. C’est par exemple le cas de mutations ou nouveaux gènes qui apporteraient un avantage reproductif pour le mâle, puisque les chercheurs ont observé une accumulation de gènes spécifiquement exprimés dans le testicule localisés sur le chromosome X. “Nous proposons que cet enrichissement ait été facilité par la présence du chromosome X en copie unique chez les mâles (en deux copies chez les femelles), sur lequel les mutations bénéfiques pour les mâles sont exposées à la sélection”, affirme Florent Murat. En effet, les modifications génétiques sont plus exposées à la sélection naturelle si elles surviennent dans un chromosome pour lequel il y a une seule copie (à l’état haploïde, comme le chromosome X chez les mâles), car il n’y a pas d’alternative. Alors que celles présentes uniquement sur un des chromosomes là où il y a en a deux (à l’état diploïde, comme le chromosome X chez les femelles) peuvent être plus ou moins masquées par la copie présente sur l’autre chromosome. Et si elles donnent un avantage reproductif (créant par exemple des spermatozoïdes plus rapides), elles auront une répercussion directe sur leur sélection. Car grâce à leur boost, ce spermatozoïde aura de plus grandes chances de gagner la course.
Malgré cette folle course vers l’évolution et le désordre transcriptionnel qui la précède, il y a des gènes dont l’expression a très peu changé depuis l’apparition des mammifères. “Nous avons identifié des gènes dont l’expression était très conservée chez tous les mammifères étudiés, suggérant qu’ils sont cruciaux pour la spermatogenèse, ajoute Florent Murat. Ces gènes représentent une ressource importante pour examiner les troubles de la fertilité masculine.” Des pistes potentielles pour comprendre pourquoi la qualité du sperme baisse ces dernières années dans le monde. Et ainsi tenter de donner les outils nécessaires à tous nos coureurs pour les remettre dans la course.
