La méiose engendre des cellules haploïdes qui héritent d’un génome organisé, à l’instar de celui des cellules somatiques, en chromatine grâce aux histones qui forment le nucléosome, unité de base de l’organisation des génomes eucaryotes [1]. Au cours de la spermatogenèse chez les mammifères, les phases postméiotiques impliquent d’abord une cessation presque totale de la transcription, suivie du remplacement des histones par des petites protéines très basiques, les protéines de transition (PT), qui sont à leur tour remplacées par les protamines (Prm) [2]. Malgré la description détaillée des étapes qui mènent au remplacement des histones et à l’invalidation des gènes codant pour les PT et les Prm chez la souris, la question essentielle du « comment » reste sans réponse. En effet, nous ne savons presque rien des mécanismes qui contrôlent le remplacement des histones. Des questions simples restent ouvertes, par exemple : que deviennent les histones ? Sont-elles enlevées puis dégradées ? Sont-elles dégradées directement au sein des nucléosomes ? Comment les PT sont-elles assemblées et éliminées ? Que deviennent-elles ? Comment les Prm sont-elles assemblées ? Les nouvelles structures formées par les PT et les Prm portent-elles, à l’instar des histones, des marques représentatives des gènes et régions génomiques associées ? Ces questions ne représentent que quelques-unes parmi des dizaines qu’un esprit curieux pourrait poser, mais force est de constater que toutes restent aujourd’hui sans réponse.

L’analyse de la littérature peut néanmoins nous guider pour proposer des modèles et orienter les recherches. En effet, il semble que trois types de mécanismes coopèrent pour induire un désassemblage des nucléosomes. Premièrement, la majorité des variants d’histones connus sont exprimés dans les cellules spermatogéniques, notamment ceux qui sont capables de réduire la stabilité des nucléosomes comparée à celle des nucléosomes composés d’histones canoniques. Deuxièmement, une hyperacétylation des histones se produit au moment de leur disparition. Cette hyperacétylation, qui décore essentiellement certains résidus, peut grandement affecter la structure de la fibre de chromatine ou déstabiliser le nucléosome lui-même. Troisièmement, les PT et Prm peuvent, en principe, directement déplacer les histones du fait de leur charge positive très élevée et de leur grande affinité pour l’ADN.

En tenant compte des données de la littérature, nous proposons qu’une combinaison de ces trois phénomènes puisse être à l’origine de l’éviction des histones à l’échelle du génome et de leur remplacement par les PT. Nous discuterons ensuite des mécanismes qui pourraient intégrer l’ensemble de ces événements pour diriger ce remplacement de manière contrôlée (Figure 1).

Figure 1. Bases moléculaires du remplacement des histones. L’incorporation massive des variants d’histones induit une instabilité accrue des nucléosomes. Cette instabilité est associée à des modifications à grande échelle des histones qui permettent à un système moléculaire encore inconnu de démanteler les nucléosomes et de remplacer les histones par les PT. Cr : crotonylation ; Ac : acétylation ; Ub : ubiquitinylation ; PAR : polyADPribosylation. Les deux boîtes indiquent les différents événements intervenant au cours de la maturation des spermatides de façon chronologique.

Figure 1. Bases moléculaires du remplacement des histones. L’incorporation massive des variants d’histones induit une instabilité accrue des nucléosomes. Cette instabilité est associée à des modifications à grande échelle des histones qui permettent à un système moléculaire encore inconnu de démanteler les nucléosomes et de remplacer les histones par les PT. Cr : crotonylation ; Ac : acétylation ; Ub : ubiquitinylation ; PAR : polyADPribosylation. Les deux boîtes indiquent les différents événements intervenant au cours de la maturation des spermatides de façon chronologique.

Les variants d’histones sont des isoformes non alléliques des histones canoniques présentes chez tous les organismes eucaryotes. Il existe des variants pour toutes les histones de cœur et de liaison¹, excepté pour l’histone H4. Les cellules spermatogéniques sont les cellules de l’organisme qui expriment la plus grande diversité d’histones [3]. Dans ces cellules, il existe non seulement des histones canoniques et leurs variants présents dans d’autres types cellulaires, mais aussi des variants des histones de cœur et des histones de liaison, d’expression restreinte à la lignée germinale mâle [2]. De plus, certaines de ces histones, spécifiques ou non de la lignée germinale, s’expriment selon un profil spatiotemporel très particulier. Par exemple, le variant H3.3 de l’histone H3 est incorporé au niveau des chromosomes sexuels lors de l’inactivation transcriptionnelle de ces chromosomes durant la phase pachytène de la prophase méiotique [4]. Ce processus est également associé à un recrutement du variant de H2A, macroH2A (mH2A). De manière intéressante, après la méiose, ces chromosomes conservent le variant H3.3 [4], mais mH2A disparaît au profit du variant H2A.Z [5]. Vu l’ampleur de ces échanges, il est très probable que des nucléosomes portant simultanément H3.3 et H2A.Z apparaissent sur les chromosomes sexuels rapidement après la méiose. Cette combinaison peut être qualifiée d’« explosive », car elle correspond, dans les cellules somatiques, aux régions qui perdent leurs nucléosomes. En effet, les structures formées par une combinaison de ces deux variants sont hautement instables et peuvent être rapidement envahies par des facteurs de transcription dans les cellules somatiques [6].

Une autre combinaison instable de variants d’histones correspond à l’incorporation, au sein du même nucléosome, de tH2B et de H2AL1/2, deux variants spécifiques de H2B et de H2A respectivement dans les cellules spermatogéniques [7]. tH2B était déjà connu pour conférer une instabilité aux nucléosomes [8], mais son association avec le variant H2AL1/2 semble augmenter cette instabilité [7]. Le variant H2AL1/2 a été identifié récemment via une approche protéomique des spermatides de souris dans lesquelles les histones canoniques sont en cours de remplacement. Ces études ont montré que ces histones s’expriment très tardivement, pratiquement simultanément avec les PT. Le variant H2AL1/2 cible les régions centromériques et péricentriques pour former des structures particulières au niveau de ces régions, puis reste en place durant les phases qui suivent, et enfin persiste au sein des spermatozoïdes matures [7, 9]. L’homologue de H2AL1/2 chez l’homme est l’histone connue sous le nom de H2A.bbd, qui, elle aussi, peut induire une instabilité du nucléosome [10].

Chez les mammifères, il existe également un variant de H3 - connu sous le nom de tH3 (H3.1t) - dont le profil d’expression est restreint à la lignée germinale mâle, et qui est capable d’induire une instabilité du nucléosome lorsqu’il remplace H3 [11]. Malheureusement, du fait de l’absence d’anticorps spécifique, le profil d’expression spatiotemporel de ce variant d’H3 au cours de la spermatogenèse n’est pas connu. Mais, considérant ses propriétés structurales, on s’attend à ce qu’il soit largement présent au sein de la chromatine lors du remplacement des histones par les PT.

Très récemment, trois nouveaux variants d’H3, spécifiques des primates pour H3.X, H3.Y [12], ou des hominidés pour H3.5 [13], ont été identifiés, mais bien que les trois soient exprimés dans les cellules spermatogéniques humaines, nous ne savons rien de leur rôle potentiel au cours de la spermatogenèse.

Outre leur capacité à induire une instabilité des nucléosomes, les variants d’histones testiculaires peuvent agir en modulant la compaction de la chromatine. En effet, un variant de H2B, H2BFWT, exprimé dans les cellules spermatogéniques humaines, ne confère pas d’instabilité nucléosomique, mais crée une résistance à la compaction de la chromatine et donc pourrait contribuer à la modification de la chromatine à une plus grande échelle [14].

Finalement, parmi les variants d’histones de liaison, H1t, spécifiquement exprimée dans les cellules spermatogéniques, est moins efficace que les H1 somatiques dans le processus de compaction de la chromatine [15].

L’ensemble de ces données montre clairement qu’une combinaison particulière de variants d’histones contribue de manière déterminante à « préparer » les nucléosomes au remplacement des histones en favorisant l’ouverture de la chromatine et en déstabilisant les nucléosomes.

Une acétylation globale des histones a été observée dans différentes espèces, associée à leur remplacement au cours de la spermatogenèse [3]. L’effet neutralisant de l’acétylation sur la charge positive des histones a amené les premiers investigateurs à penser que l’affaiblissement de l’interaction histone-ADN qui fait suite à une hyperacétylation des histones pourrait être suffisante pour faciliter leur déplacement par des protéines basiques. Des expériences in vitro effectuées dans les années 1970-1980, consistant simplement à incuber la chromatine hyperacétylée avec les Prm, ont montré qu’effectivement l’acétylation pourrait favoriser le déplacement des histones par les Prm, en l’absence d’éléments additionnels [16–18].

Aujourd’hui, l’accumulation considérable des données concernant le rôle de l’acétylation des histones sur les fonctions de la chromatine [19] permet de proposer des modèles cohérents sur la manière dont l’acétylation pourrait contribuer au remplacement des histones. En effet, deux grands mécanismes qui ne sont pas mutuellement exclusifs peuvent être proposés.

L’acétylation de certains acides aminés peut avoir un effet drastique sur la structure de la fibre de chromatine et la stabilité des nucléosomes. Par exemple, l’acétylation de la lysine 16 de l’histone H4 peut induire une modification de la structure d’ordre supérieur de la chromatine [20] ; celle de la lysine 56 de l’histone H3 affaiblit l’interaction H3-ADN au sein du nucléosome, et favorise la dissociation de ce dernier [21].

Il a été montré très récemment que l’acétylation n’est pas la seule modification des histones qui se produit à grande échelle lors de leur remplacement. Par exemple, une nouvelle marque d’histone, la crotonylation, a été identifiée. Elle touche massivement les histones des spermatides dans lesquelles le remplacement des histones se produit [22]. Il semble donc que le démantèlement des nucléosomes soit associé à la décoration des histones par un grand nombre de modifications. En effet, différents auteurs ont mis en évidence une association entre l’élongation des spermatides et une modification globale des histones. Il s’agit de la mono-ubiquitinylation de l’histone H2A [23], de l’accumulation des polymères d’ADPribose et de la phosphorylation du variant H2AX [24–26]. Une question importante est de savoir pourquoi toutes ces modifications d’histones s’accumulent pendant la période de dissociation des nucléosomes et de retrait des histones ? On peut émettre des hypothèses : ainsi, à l’instar de l’acétylation, ces modifications, notamment celles qui affectent les acides aminés « structuraux » critiques pour la stabilité des nucléosomes et positionnés au niveau des contacts histone-DNA et histone-histone, contribueraient à accroître l’instabilité des nucléosomes et ainsi faciliteraient leur dissociation.

Une deuxième fonction des modifications post-traductionnelles des histones est basée sur la capacité de facteurs protéiques à les reconnaître grâce à des domaines spécifiques comme le bromodomaine capable d’interagir avec les histones acétylées [27]. En effet, l’acétylation massive des histones suggère que des facteurs à bromodomaine pourraient intervenir pour agir sur cette chromatine. Ce raisonnement a été à l’origine de l’identification d’un facteur à double bromodomaine, spécifiquement exprimé dans la lignée germinale mâle, nommé Brdt (bromodomain testis-specific), capable d’induire une réorganisation spectaculaire de la chromatine hyperacétylée [28]. Les études structurales de ce facteur ont mis en évidence la capacité de son premier bromodomaine à reconnaître spécifiquement l’histone H4, mais uniquement quand elle se trouve sous une forme hyperacétylée [29]. De manière très intéressante, la spermatogenèse des souris exprimant une forme mutée de la protéine délétée de ce premier bromodomaine est bloquée, précisément au stade où les spermatides entrent en phase d’élongation [30]. L’ensemble de ces résultats suggère fortement que Brdt assure une fonction très importante lors de l’acétylation massive des histones dans les spermatides en relation avec l’enlèvement des histones.

Les premières investigations concernant les bases moléculaires du remplacement des histones ont envisagé qu’une compétition pour l’ADN pourrait expliquer le déplacement des histones par des petites protéines extrêmement basiques telles que les protamines [16, 17]. Ce déplacement pourrait être facilité par des éléments qui déstabilisent le nucléosome, comme l’acétylation des histones [18]. Bien que cette idée puisse paraître aujourd’hui simpliste, elle peut néanmoins rendre compte d’au moins une partie des mécanismes impliqués. En effet, une déstabilisation des nucléosomes induite par une altération massive des histones par des modifications post-traductionnelles et/ou l’incorporation de variants d’histone, pourrait suffisamment fragiliser les nucléosomes pour permettre une action directe des PT et Prm. Malheureusement, malgré la génération de souris dont les gènes codant pour les PT sont invalidés, leur rôle dans le remplacement des histones n’a pas pu être mis en évidence car le remplacement se produit malgré tout, probablement du fait de la présence des Prm [31]. Pour tester cette hypothèse, il aurait fallu obtenir des souris invalidées simultanément pour les gènes codant pour les PT et Prm, une expérience qui n’a pas été réalisée.

La compaction extrême du génome mâle haploïde obéit à des règles qui sont restées obscures. L’analyse de la littérature permet néanmoins d’entrevoir les mécanismes sous-jacents et désigne le nucléosome comme une cible majeure d’actions visant à le déstabiliser.

Nous avons vu que les modifications post-traductionnelles des histones ainsi que leurs variants peuvent être considérés comme des éléments très importants dans la reconstitution du puzzle. Malheureusement, ces considérations ne nous expliquent pas comment ces éléments peuvent être intégrés dans un schéma moléculaire cohérent (Figure 1). Une analyse parallèle des évènements impliqués dans l’organisation du génome lors de la maturation des spores chez la levure et lors de la maturation des cellules germinales mâles en spermatozoïdes peut apporter des informations précieuses sur cette question. L’étude de la chromatine postméiotique générée lors de la sporulation chez la levure montre que la compaction extrême du génome des spores peut suivre les mêmes mécanismes que ceux qui dirigent la compaction du génome du spermatozoïde. En effet, une hyperacétylation massive des histones se produit également dans les phases finales de la sporulation [32]. Mais, dans ce cas, nous ne savons pas encore si les histones sont maintenues ou enlevées, au moins partiellement. Dans tous les cas, ces études ont fourni une information intéressante quant au rôle de l’acétylation des histones dans la compaction de la chromatine. En effet, de manière contre-intuitive, l’hyperacétylation de l’histone H4 est requise pour la compaction du génome de la spore [32]. Comme on sait que l’acétylation, au contraire, favorise l’ouverture de la chromatine, cette observation ne s’explique que par l’action d’un facteur qui agit sur la chromatine acétylée. Un bon candidat est la protéine Bdf1 (bromodomain factor 1) que l’on trouve associée à la chromatine des spores en compaction [32]. De manière intéressante, Brdt, l’homologue de Bdf1, a la propriété remarquable de compacter la chromatine hyperacétylée [33]. Il est dont possible qu’une compaction de la chromatine acétylée constitue une étape importante dans l’enlèvement des histones. En effet, un nucléosome, instable du fait des variants d’histones et de ses modifications post-traductionnelles, pourrait être dissocié sous l’action des forces mécaniques exercées par Brdt, qui tend à « écraser » les nucléosomes les uns contre les autres. La présence de chaperons d’histones et de petites protéines basiques autour de Brdt pourrait achever le remplacement en prenant en charge les histones et l’ADN, respectivement. Évidemment, d’autres expériences sont nécessaires pour pouvoir confirmer ou infirmer ces hypothèses. Néanmoins, nous avons suffisamment d’éléments pour orienter les recherches dans ce sens dans le futur.

Finalement, toutes ces considérations attirent l’attention sur l’absence flagrante de connaissance des phases postméiotiques de la gamétogenèse mâle, un problème qui concerne pratiquement toutes les espèces, incluant les plantes. Dans de nombreux domaines comme la sporulation ou la formation du pollen, des questions élémentaires, telles que le devenir des histones, restent ouvertes.

Les auteurs déclarent n’avoir aucun lien d’intérêt concernant les données publiées dans cet article.

Nous remercions l’ANR (agence nationale de la recherche) (projet EpiSperm), l’INCa-DHOS (institut national du cancer-direction de l’hospitalisation et de l’organisation des soins) et l’ARC (association pour la recherche sur le cancer) (programme libre) pour leur soutien aux projets du laboratoire.