Impact of oxidative DNA damage on germ cell differentiation
Impact des dommages oxydatifs de l'ADN sur la différenciation des cellules germinales
Résumé
Only germ cells (GCs) can undergo meiosis, an essential mechanism for the formation of the haploid gametes needed for sexual reproduction. Meiosis is a complex, finely regulated process whose proper functioning depends in mammals on events occurring before the onset of meiotic during fetal and neonatal life. Many environmental pollutants (EPs), such as bisphenol A (BPA), can disrupt germline differentiation and/or meiosis, resulting in fertility defects. A first part of my thesis examined the effects of fetal exposure to two structural analogues of BPA, bisphenol A Diglycidyl Ether (BADGE) and bisphenol AF (BPAF), on ovogenesis in mice. We observed a defect in germline differentiation (maintenance of pluripotency and delay in meiotic initiation), an increase in the number of MLH1 foci, a meiotic recombinase, and an increase in aneuploid oocytes. Using a xenograft model, we also studied the impact of chronic exposure to a mixture of plasticizers, BPA and Diethylhexyl Phthalate (DEHP), on human male fetal differentiation. As observed in the murine ovary, the human fetal testis displayed a delay in CG differentiation following exposure to this mixture of pollutants. Furthermore, exposed CG show an increased capacity to form seminoma (testicular cancer) when transplanted into an adult mouse testis. The maintenance of GC pluripotency following fetal exposure to various PEs, regardless of gonadal somatic context (ovary and testis) and species (human and mouse), suggests a common, yet unknown, mechanism of action. Among possible molecular mechanisms, most PEs have a pro-oxidant effect. The most commonly observed lesion after oxidation in the nucleus is 8-oxo-7,8-dihydroguanine (8-OdG), resulting from the oxidation of a guanine. In addition to its mutagenic effect, this oxidative damage can have direct epigenetic repercussions by recruiting the transcriptional machinery, or indirect epigenetic repercussions by affecting the chromatin environment or interfering with proteins involved in DNA methylation/demethylation. Thus, the aim of my work was to characterize the impact of 8-OdG on murine male CG differentiation and to study its long-term effects on fertility. To this end, we combined a genetic model, with mice invalidated for 8-oxoguanine DNA glycosylase 1 (Ogg1) responsible for recognition and initiation of repair of 8-OdG-type lesions, and a chemical model, using a pro-oxidant agent, potassium bromate (KBrO3), which specifically induces 8-OdG and allows us to form oxidative damage at key moments in germline differentiation. We have shown for the first time that murine male CGs are highly sensitive to 8-OdG-type oxidative DNA damage and that they present a specific window of sensitivity, neonatal life, during which significant 8-OdG formation leads to permanent impairment of spermatogenesis. Several months after exposure to KBrO3, a reduction in the spermatogonial stem cells pool and various meiotic defects are observed in the adult testis, potentially leading to the formation of aneuploid gametes. This resulted in an overall reduction in the fertility of the mice. Finally, the 8-OdGs produced caused de novo germline DNA mutations, transmissible to offspring and responsible for the appearance of facial malformations on several occasions in our mice. Taken together, our results suggest that 8-OdG-type oxidative DNA damage could be a common mechanism of action for many pro-oxidant EPs.
Les cellules germinales (CG) sont les seules cellules capables de réaliser la méiose, mécanisme indispensable à la formation de gamètes haploïdes nécessaires à la reproduction sexuée. La méiose est un processus complexe et finement régulé dont le bon fonctionnement, chez les mammifères, repose en partie sur des évènements antérieurs à l'initiation méiotique, en vie foetale et néonatale. De nombreux polluants environnementaux (PE), tels que le bisphénol A (BPA), sont capables d'induire des défauts de fertilité par perturbation de la différenciation germinale et/ou de la méiose. Au cours de ma thèse, nous avons tout d'abord étudié l'effet de l'exposition foetale à deux analogues structuraux du BPA, le bisphénol A Diglycidyl Ether (BADGE) et le bisphénol AF (BPAF), sur l'ovogenèse chez la souris. Nous avons observé un défaut de différenciation germinale (maintien de la pluripotence et délai de l'initiation méiotique), une augmentation du nombre de foyer MLH1, une recombinase méiotique, et une augmentation de l'aneuploïdie ovocytaire. En parallèle, nous avons étudié l'impact d'une exposition chronique à un mélange de plastifiants, le BPA et le Diethylhexyl Phthalate (DEHP), sur la différenciation foetale mâle humaine grâce à un modèle de xénogreffe. De la même manière que dans l'ovaire murin, nous observons un délai de différenciation des CG dans le testicule foetal humain suite à l'exposition à ce mélange de PE. De plus, les CG exposées présentent une tendance accrue à former un séminome (cancer testiculaire) lorsqu'elles sont transplantées dans un testicule de souris adulte. Le fait que l'exposition foetale à divers PE entraine un maintien de la pluripotence des CG indépendamment du contexte somatique gonadique (ovaire et testicule) et de l'espèce (humain et souris) suggère un mécanisme d'action commun, encore inconnu. Parmi les mécanismes moléculaires possibles, la plupart des PE présentent un effet pro-oxydant. Dans le noyau, la lésion la plus couramment observée après oxydation est la 8-oxo-7,8-dihydroguanine (8-OdG), résultat de l'oxydation d'une guanine. Outre son effet mutagène, ce dommage oxydatif peut avoir des répercussions épigénétiques directes, en recrutant la machinerie transcriptionnelle, ou indirectes, en impactant l'environnement chromatinien ou en interférant avec les protéines impliquées dans la méthylation/déméthylation de l'ADN. Ainsi, mes travaux ont eu pour objectif de caractériser l'impact de la 8-OdG sur la différenciation des CG males murines et d'étudier les effets à long-terme sur la fertilité. Pour cela, nous avons combiné un modèle génétique, avec des souris invalidées pour la 8-oxoguanine DNA glycosylase 1 (Ogg1) chargée de reconnaitre et d'initier la réparation de lésions de type 8-OdG, et un modèle chimique, avec l'utilisation d'un agent pro-oxydant, le bromate de potassium (KBrO3), qui induit spécifiquement des 8-OdG et nous permet de former des dommages oxydatifs à des moments clés de la différenciation germinale. Nous avons montré pour la première fois que les CG mâles murines sont très sensibles aux dommages oxydatifs de l'ADN de type 8-OdG et qu'elles présentent une fenêtre de sensibilité spécifique, la vie néonatale, au cours de laquelle une formation importante de 8-OdG entraîne une altération permanente de la spermatogenèse. En effet, nous observons dans le testicule adulte, plusieurs mois après l'exposition au KBrO3, une diminution du pool de cellules souches spermatogoniales et divers défauts méiotiques pouvant conduire à la formation de gamètes aneuploïdes. Cela conduit à une baisse globale de la fertilité des souris. Enfin, les 8-OdG produites ont conduit à des mutations de novo de l'ADN germinal, transmissibles à la descendance et responsables de l'apparition de malformations faciales à plusieurs reprises chez nos souris. Ensemble, nos résultats suggèrent que les lésions oxydatives de l'ADN de type 8-OdG pourraient être un mécanisme d'action commun à de nombreux PE pro-oxydants.
Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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