Caracterització del contingut proteic del nucli de l’espermatozoïde humà i el seu potencial epigenètic

Abstract

[cat] L’espermatozoide és una cèl•lula molt especialitzada amb una estructura de la cromatina única formada per dos dominis principals: el domini nucli-protamínic on la gran majoria del DNA es troba empaquetat per protamines en toroides molt compactes, i el domini nucli-histònic on una petita proporció del DNA roman empaquetat per histones, d’una manera més accessible. Cada vegada són més les evidències que suggereixen que l’espermatozoide madur presenta una funció més enllà de la simple transmissió del material genètic patern a la següent generació. La hipòtesi principal d’aqueta tesi consisteix en que aquesta contribució paterna no és solament basada en la transmissió de patrons de metilació de DNA o modificacions d’histones concretes, si no que també es troba influïda per l’estat de la cromatina espermàtica i, en especial, per la seva composició proteica. Per aquest motiu, en aquesta tesi doctoral s’ha caracteritzat detalladament el contingut proteic del nucli de l’espermatozoide humà normal mitjançant dues estratègies diferents. Per una banda, les proteïnes majoritàries del nucli espermàtic, les protamines, han sigut analitzades per extraccions i electroforesis àcides per tal d’estudiar la seva implicació en la conservació de la cromatina. S’ha observat una relació negativa significativa entre la quantitat de protamines i el dany al DNA espermàtic (mesurat per la tècnica COMET) en pacients infèrtils que cursen tècniques de reproducció assistida. Aquests resultats han suggerit una funció de les protamines referent a la protecció del material genètic patern. A més a més, mitjançant tècniques basades en espectrometria de masses (Top-down proteomics), s’ha observat com les protamines podrien contenir modificacions post-traduccionals en la seva seqüència (fosforilacions, acetilacions, metilacions), el que suggeriria també una funció reguladora per aquestes proteïnes espermàtiques. En segon lloc, mitjançant espectrometria de masses també s’han caracteritzat la resta de proteïnes presents en el nucli del gàmeta masculí madur. S’han arribat a identificar centenars de proteïnes, la meitat de les quals corresponen a histones, variants d’histones, modificadors d’histones, factors de transcripció, proteïnes addicionals associades a la cromatina i proteïnes modificadores de la cromatina espermàtica. D’aquesta manera, mitjançant anàlisis bioinformàtics es pot observar com el nucli de l’espermatozoide humà madur es trobaria enriquit en proteïnes involucrades en processos reguladors com la modificació de la cromatina, modificació d’histones, expressió gènica i transcripció. Aquestes tendències també es trobarien presents en altres espècies de mamífers, com per exemple el ratolí, la rata o el macaco. La presència d’aquests grups de proteïnes intactes en una cèl•lula considerada transcripcionalment inerta ha suggerit una funció epigenètica/reguladora durant els primers estadis del desenvolupament embrionari. Addicionalment, en aquesta tesi doctoral s’ha observat que les proteïnes espermàtiques nuclears es poden diferenciar en dos grups diferents segons la seva afinitat per la cromatina espermàtica. D’aquesta manera, les proteïnes unides més fortament al DNA es trobarien majoritàriament implicades en funcions estructurals, mentre que les proteïnes unides al DNA d’una forma més feble es trobarien relacionades amb processos reguladors o epigenètics. Aquesta observació, juntament amb el fet conegut de que la regió més accessible de la cromatina espermàtica (associada a les histones) es troba especialment enriquida en promotors i gens del desenvolupament, suggeriria que part de les proteïnes nuclears espermàtiques podrien estar relacionades amb la regulació de la transcripció d’aquests gens, a més a més d’altres processos com la remodelació de la cromatina en el pronucli masculí. Per tant, mitjançant la caracterització del contingut proteic del nucli de l’espermatozoide humà, s’ha augmentat el coneixement d’aquesta cèl•lula i de la seva funcionalitat, recolzant la hipòtesi de que a més a més del propi material genètic patern, l’espermatozoide contribueix en la fertilització amb informació epigenètica, la qual inclou una composició proteica específica de la cromatina.

[eng] The mammalian spermatozoon is a very specialized cell with a unique chromatin structure: while the vast majority of the DNA is condensed by high compact toroids (avoiding any transcriptional and translational activity), a small part of the DNA remains packaged by nucleosomes. An increasing body of evidence is showing that, in addition to the transmission of the paternal genetic message to the next generation, the sperm cell is also involved in the transmission of epigenetic information. The main hypothesis of the present doctoral thesis is that, in addition to histone modifications, DNA methylation patterns and RNA content; protein composition of the sperm chromatin is also essential in epigenetic inheritance. Therefore, the protein content of the human sperm nucleus has been characterized using proteomic techniques. Firstly, by acid extraction and electrophoresis, it has been shown a negative relationship between protamine quantities and DNA damage in infertile patients who undergo assisted reproduction techniques, confirming an involvement of those proteins in the protection of the paternal DNA. In addition, by top-down proteomics, it has been detected several post-translational modifications in protamine sequences, which have suggested a potential regulatory role for those major sperm nuclear proteins. Secondly, it has been described the human sperm nuclear proteome using mass spectrometry techniques. A rich network of histones, histone variants, histone modifiers, transcription factors, chromatin-associated proteins and chromatin modifying proteins has been identified in the human sperm nucleus. In addition, based in Gene Ontology information, the human sperm nucleus seemed to be enriched in processes as chromatin remodelling, histone modification, transcription and gene expression. Furthermore, proteomic dissection of the sperm chromatin results in two groups of proteins differing in chromatin affinity. Higher-affinity sperm chromatin proteins seemed to be mainly involved in structural roles, while proteins with potential regulatory/epigenetic roles were identified with a lower sperm chromatin affinity. Altogether, the results obtained in this doctoral thesis have contributed in the knowledge of the nucleus of the male gamete and have suggested an involvement of the sperm nuclear proteins in post-fertilization events, as the chromatin remodelling in the male pronucleus or the transcription regulation of histone-bound paternal developmental genes.