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Mis bout à bout, l’ADN des 46 chromosomes présents dans chaque cellule humaine mesurerait deux mètres. Comment le génome peut-il alors tenir dans une cellule dont le diamètre moyen n’est que de 10µm ?

Cette compaction extrême du matériel génétique est rendue possible par un groupe de protéines appelées « histones ». Le rôle des histones est de permettre le repliement du génome de façon organisée. Ces protéines s’associent en complexe octamérique autour duquel s’enroulent deux tours d’ADN formant ainsi une structure appelée « nucléosome » (cf. figure).

Le nucléosome constitue le premier niveau de compaction de l’ADN. La chaîne de nucléosomes se replie en une fibre de 30nm de diamètre. Le repliement de cette fibre en structures d’ordre supérieur aboutit à la condensation de l’ADN dont l’état le plus condensé est représenté par le chromosome (cf. figure). Les histones sont parmi les protéines les plus conservées de l’évolution. De ce fait, ils ont longtemps été considérés comme des protéines structurales exclusivement impliquées dans l’assistance de la compaction de l’ADN. Or, depuis la découverte d’enzymes capables de modifier de manière réversible les histones, l’idée d’un rôle dynamique des histones a émergé. Par la suite, de nombreuses études ont établi que les protéines associées à l’ADN, dont les histones, participent à la régulation de l’expression des gènes. Ces mécanismes influençant le phénotype des cellules sans en affecter le génotype sont globalement référencés sous le terme « épigénétique [1] ».

Les variants d’histones apportent d’autres fonctions au nucléosome

En plus des histones (dites canoniques) qui représentent l’immense majorité des protéines de la chromatine [2] , de petites quantités d’autres types d’histones ont été décrites [3]. Ceux-ci sont appelés « variants d’histones », par opposition aux histones canoniques phylogénétiquement très stables. Les variants d’histones ont la capacité de se substituer aux histones canoniques au sein du nucléosome et d’en modifier les propriétés fonctionnelles (cf. figure). Ceux-ci sont incorporés sur des loci stratégiques du génome tels que les promoteurs des gènes, les centromères ou les télomères. De récents travaux ont révélé que les variants d’histones sont impliqués dans de nombreuses fonctions cellulaires incluant la transcription des gènes, la ségrégation des chromosomes ou encore la réparation de l’ADN. En outre, la perte de fonction de certains variants est associée à des pathologies humaines telles que l’infertilité masculine ou le cancer [4].

Malgré cette accumulation de résultats, les fonctions biologiques remplies par les variants d’histones demeurent obscures. Leur étude s’avère déterminante pour la compréhension des mécanismes épigénétiques ainsi que leur dysfonctionnement. Ces investigations ont pour enjeu de santé publique le développement à terme de nouvelles méthodes de diagnostic et de thérapie.

H2BFWT est le variant d’histone spécifique des spermatozoïdes humains

Parmi la dizaine de variants d’histones décrits, certains sont conservés depuis la levure jusqu’à l’homme, d’autres au contraire sont apparus plus tardivement dans l’évolution et sont présents uniquement chez les vertébrés. H2BFWT [5], un de ceux qui serait apparu le plus tardivement, n’existe que chez l’homme et les grands singes [6]. H2BFWT est exclusivement détecté dans le testicule et les spermatozoïdes matures, ce qui fait de lui un variant spécifique de la lignée germinale mâle. Bien que son rôle biologique ne soit pas connu, une fonction dans le remodelage de la chromatine au cours de la spermatogenèse [7] est suspectée. En effet, le processus de spermatogenèse se caractérise par une réorganisation drastique de la chromatine durant laquelle les histones sont remplacés par les protamines [8]. Cette remise à zéro du programme épigénétique des spermatogonies participe au rétablissement de leur totipotence [9]. Cependant chez l’homme, qui fait figure d’exception, le remplacement des histones n’est pas total. Et certains variants d’histones (dont H2BFWT) demeurent présents dans les spermatozoïdes matures. La raison de cette rétention d’histone n’est pas comprise. Il est possible que les variants d’histones maintenus jusque dans les spermatozoïdes matures, soient des marqueurs épigénétiques capables de transmettre des caractères paternels entre les générations.

H2BFWT modifie-t-il les propriétés du nucléosome ?

H2BFWT a la particularité d’être extrêmement divergeant par rapport à l’histone somatique ; laissant supposer que son incorporation au nucléosome pourrait avoir d’importantes conséquences structurales et fonctionnelles. Cependant, aucune donnée n’est disponible quant au rôle biologique de H2BFWT. Ceci s’explique par le fait qu’aucun organisme modèle ne peut être étudié (H2BFWT n’existant que chez l’homme). En outre, l’absence de lignée cellulaire exprimant H2BFWT interdit l’analyse de sa fonction à partir de cellules en cultures. Dans le but de comprendre le rôle de H2BFWT dans la réorganisation du génome dans les spermatozoïdes, une série d’études in vitro a été réalisé [10].

Pour ce faire, l’ensemble des histones (canoniques et variants H2BFWT) ont été purifié au laboratoire afin de reconstituer des nucléosomes in vitro. Cette technique, utilisée quotidiennement au laboratoire Joliot-Curie de l’ENS de Lyon, permet d’avoir accès à la structure fine du nucléosome et d’en mesurer la stabilité. L’analyse biochimique permet de conclure qu’en dépit de sa grande divergence, l’incorporation de H2BFWT ne modifie en rien les propriétés structurales et fonctionnelles du nucléosome. En outre, la stabilité des nucléosomes variants H2BFWT a été également étudié dans des cellules vivantes via des expériences de FRAP [11]. La quantification du recouvrement de fluorescence après photoblanchiment [12] a permis de confirmer in vivo que la présence de H2BFWT n’altère pas la stabilité du nucléosome. Ce résultat est cohérent avec la rétention de H2BFWT dans les spermatozoïdes matures préalablement observée.

La présence de H2BFWT n’altère pas la structure globale du nucléosome, qu’en est-il des structures d’ordre supérieur de la chromatine ?

L’influence de H2BFWT sur les structures à grande échelle de la chromatine a été abordé par le biais de l’analyse de la capacité des nucléosomes (reconstitués in vitro) à inhiber l’assemblage du chromosome, reproduit in vitro à l’aide d’extraits mitotiques de xénope. Ces expériences de compétition révèlent que contrairement à l’histone somatique, H2BFWT n’a pas la capacité de recruter les facteurs d’assemblage du chromosome : ceci démontre qu’H2BFWT n’est pas requis pour la condensation du chromosome. Cette spécificité vis à vis de l’assemblage du chromosome constitue la principale caractéristique fonctionnelle de H2BFWT.

Cette propriété indique que ce variant serait impliqué dans un type d’assemblage à grande échelle de la chromatine autre que le chromosome. Cette autre structure d’orde supérieur pourrait être le télomère puisqu’un variant d’histone, non identifié, participe à la formation du complexe télomérique spécifiquement dans les noyaux de sperme humain [13]. La prochaine étape de ces investigations consistera à identifier la nature de ce variant d’histone spécifiquement incorporé dans les télomères des spermatozoïdes.

Pour conclure, le variant d’histone spécifique de la lignée germinale mâle joue un rôle structural à une échelle supérieure à celle du nucléosome. L’organisation spécifique de la chromatine du sperme mature chez l’humain faisant intervenir H2BFWT est vraisemblablement cruciale pour les étapes de fécondation et de développement précoce. L’élucidation de ces mécanismes moléculaires apportera de nouvelles données nécessaires pour le traitement de l’infertilité masculine.