Characterization of CCDC146 protein function in spermiogenesis and male fertility - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2023

Characterization of CCDC146 protein function in spermiogenesis and male fertility

Caractérisation de la fonction de la protéine CCDC146 dans la spermiogenèse et la fertilité masculine

Résumé

Infertility is a global health problem that is estimated to touch 9% of couples and the male factor alone or in conjunction with the female factor accounts for approximately 50% of cases. Spermatogenesis is a highly complex process, and it involves hundreds to thousands of genes that contribute to proper sperm formation. Identification of new genes involved in male fertility has been on the rise in the recent years due to an increased use of massive parallel sequencing technologies, especially of whole-exome sequencing (WES). Identification and functional characterization of these genes is important for our fundamental comprehension of spermatogenesis as well as for improving medical diagnostic, counselling, and infertility treatment.This work addresses multiple factors that can affect male fertility and focuses on a particular type of asthenoteratozoospermia called the multiple morphological abnormalities of the sperm flagella (MMAF) syndrome. Biallelic mutations in the Coiled-coil domain-containing 146 (CCDC146) gene were identified in two patients from our cohort of 167 infertile men affected by the MMAF syndrome. The primary objective of the thesis was to validate the candidate gene on a mouse model, and then to characterize the function of CCDC146 in male fertility. Male Ccdc146 knock-out (KO) mice were infertile, reproduced the MMAF phenotype and had low sperm concentration and showed an absence of sperm motility, confirming the involvement of CCDC146 in the MMAF syndrome. Next, we showed that CCDC146 is present in the axoneme of human and mouse spermatozoa. Expansion microscopy and biochemistry experiments suggested that CCDC146 could be located in the lumen of axonemal microtubule doublets and could be a microtubule inner protein (MIP). We showed that CCDC146 plays a role(s) during spermiogenesis where its absence leads to defects in axoneme assembly, manchette formation, aberrant head-shaping, and duplicated centrioles that are often abnormally distant from the nucleus. These defects during spermiogenesis are at the origin of the MMAF phenotype, oligoasthenoteratozoospermia, and consequent infertility. In somatic cells, CCDC146 was associated with the centrosome throughout the cell cycle, and localized to spindle microtubules, the midzone and the midbody during mitosis. Due to its multiple microtubule-related localizations and because its absence mostly affected microtubule-based structures, we hypothesized that CCDC146 could be a microtubule-associated protein (MAP).Next, we have shown that an accumulation of rare heterozygous variants in MMAF-associated genes important for proper axoneme assembly (Ccdc146, Armc2, Cfap43, and Cfap44) leads to a progressive degradation of sperm head morphology and has an impact on sperm motility. These results suggested that oligogenic inheritance, the presence of specific gene variants in functionally interconnected genes, could explain some cases of idiopathic male infertility.Finally, we discussed several aspects of the sperm epigenome, including the impact of non-coding RNAs on sperm formation and embryo development, and their potential roles in inter- and transgenerational inheritance that could mediate the adaptation of the progeny to the environment.
L'infertilité est un problème majeur de santé publique, qui touche environ 9 % de couples. Un facteur masculin seul ou associé à un facteur féminin est trouvé dans environ 50 % des cas. La spermatogenèse est un processus très complexe qui implique des centaines, voire des milliers de gènes qui contribuent au développement des spermatozoïdes. L'identification de nouveaux gènes impliqués dans la fertilité masculine a augmenté ces dernières années en raison d'une utilisation accrue des technologies de séquençage parallèle massif, en particulier du séquençage de l'exome entier (WES). L'identification et la caractérisation fonctionnelle de ces gènes sont importantes pour notre compréhension fondamentale de la spermatogenèse ainsi que pour l'amélioration du diagnostic médical, du conseil et du traitement de l'infertilité.Ce travail aborde plusieurs facteurs impactant la fertilité masculine et se concentre sur un type particulier d'asthénotératozoospermie appelé syndrome des anomalies morphologiques multiples du flagelle (MMAF). Notre équipe a identifié des mutations bialléliques dans le gène Coiled-coil domain-containing 146 (CCDC146) chez deux patients d’une cohorte de 167 hommes infertiles atteints du syndrome MMAF. L'objectif principal de ma thèse était de valider l’implication de ce gène candidat dans le syndrome MMAF sur un modèle murin, puis de caractériser la fonction de la protéine CCDC146 dans la fertilité masculine. Les souris mâles mutées pour Ccdc146 (KO) sont infertiles, atteintes par le phénotype MMAF, et l’absence de la protéine provoque une forte diminution de la concentration des spermatozoïdes ainsi qu’une absence de motilité, confirmant l'implication de CCDC146 dans le syndrome MMAF. Ensuite, nous avons montré que CCDC146 est présente dans l'axonème des spermatozoïdes humains et murins. Des expériences de microscopie d'expansion et de biochimie ont suggéré que CCDC146 pourrait être située dans la lumière des doublets de microtubules anoxémiques et pourrait être une protéine interne des microtubules (MIP). Nous avons aussi montré que CCDC146 joue un ou plusieurs rôles au cours de la spermiogenèse où son absence entraîne des défauts d'assemblage de l’axonème et de la manchette, provoque la formation de têtes anormales, ainsi que la présence de centrioles surnuméraires qui sont souvent anormalement éloignés du noyau du spermatozoïde. Ces défauts de la spermiogenèse sont à l'origine du phénotype MMAF, de l'oligoasthénotératozoospermie et, par conséquent de l'infertilité observée. Dans les cellules somatiques, CCDC146 était associée au centrosome quel que soit la phase du cycle cellulaire et est localisée dans les microtubules du fuseau mitotique, dans le sillon de division, ainsi que dans le corps central au cours de la mitose. En raison de ces multiples localisations liées aux microtubules, et parce que son absence affecte principalement les structures à base de microtubules, nous avons émis l'hypothèse que CCDC146 pourrait être une protéine associée aux microtubules (MAP).Ensuite, nous avons montré qu'une accumulation de variants hétérozygotes rares dans des gènes associés avec le phénotype MMAF et importants pour l'assemblage des axonèmes (Ccdc146, Armc2, Cfap43 et Cfap44), conduit à une dégradation progressive de la morphologie de la tête des spermatozoïdes et impacte la motilité des spermatozoïdes. Ces résultats suggèrent que l'hérédité oligogénique, la présence de variants spécifiques de gènes fonctionnellement interconnectés, peut expliquer certains cas idiopathiques d'infertilité masculine.Enfin, nous avons discuté de plusieurs aspects de l'épigénome du sperme, y compris de l'impact des ARN non-codants sur la formation des spermatozoïdes et le développement de l'embryon, et leurs rôles potentiels dans l'héritage inter- et transgénérationnel, qui pourraient servir de médiateur à l'adaptation de la descendance à l’environnement.
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Origine Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04574889 , version 1 (14-05-2024)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04574889 , version 1

Citer

Jana Muronova. Characterization of CCDC146 protein function in spermiogenesis and male fertility. Other [q-bio.OT]. Université Grenoble Alpes [2020-..], 2023. English. ⟨NNT : 2023GRALS011⟩. ⟨tel-04574889⟩
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