Bovine Semen Epigenetics : molecular analysis of semen quality and potential impact on embryo development
Epigénétique de la semence bovine : analyse moléculaire de la qualité de la semence et impact potentiel sur le développement embryonnaire
Résumé
The presence of subfertile bulls in the market of Animal Insemination negatively influences the efficacy of breeding farms. The evaluation of bull fertility, based on the combined analysis of genetic, morphological, kinetic and metabolic markers of the semen, is not sufficient to identify subfertile bulls before entering semen production. It suggests the implication of other factors, especially epigenetic ones. Within the epigenetic markers, DNA methylation holds a crucial position: indeed, its reprogramming is indispensable to the fundamental processes that are germinal cell differentiation, spermatogenesis and the embryonic development. Whereas several studies have showed that the alteration of spermatic methylation profiles are associated with subfertility in humans, only a little data exists concerning bovines. The aim of this thesis is the characterization of the methylome of bovine semen and the identification of new reliable markers of male fertility at an early stage. This study is part of a larger project called SeQuaMol (Molecular Quality of Semen) which rely on a common laboratory between INRA and the ALLICE federation. The characterization of the bovine sperm methylome was achieved by using a multiscale approach (global, pangenomic and sequencespecific). The analyses made it possible to observe the hypomethylation of the bovine semen. Hypomethylation affects genes that are crucial for the differentiation of the germline, spermatic functions, and also on satellite sequences.The identification fertility biomarkers was carried out by using a pangenomic approach (Reduced Representation Bisulfite Sequencing, RRBS). The analysis has been performed on a cohort of 94 bulls, including subjects of the Holstein race and Montbeliard race, categorized according to the adequacy between a genetic indicator of fertility and their actual fertility. The process also includes bulls from 4 other breeds in order to obtain an estimate of the genetic variability linked to the breed. This analysis has required the optimization and the automation of the protocol for the high throughput preparation of RRBS libraries, as well as the development of the whole bioinformatic pipeline and data statistics. Several thousands of biomarkers of fertility have been identified, which allow to predict in a robust way the fertility status. Furthermore, a process of integration of genotype and epigenotype data has been started, which underlines the potential interaction between these levels of information. Finally, we have highlighted the influence of the age of semen production on the methylome. Altogether, theses data suggest that modifications of the semen methylome can affect genes that are involved in the process of early and late embryo development, and parts of the functioning of the sperm cell. The biomarkers identified will form a basis for the pursuit of the SeQuaMol project, of which the completion will be the development of technological and statistical tools that may be used routinely to improve male’s fertility prediction.
La présence de taureaux sub-fertiles sur le marché de l’Insémination Animale (IA) influence négativement l’efficacité des élevages. L’évaluation de la fertilité des taureaux, basée sur l’analyse combinée de marqueurs génétiques, morphologiques, cinétiques et métaboliques de la semence, n’est pas suffisante pour identifier les taureaux sub-fertiles avant leur entrée en production. Cela suggère l’implication d’autres facteurs, notamment d’origines épigénétiques. Parmi les marques épigénétiques, la méthylation de l’ADN tient une place essentielle : son remaniement est en effet indispensable aux processus fondamentaux que sont la différenciation des cellules germinales, la spermatogénèse et le développement embryonnaire précoce. Alors que chez l’Homme, de nombreuses études ont montré que des altérations des profils de méthylation spermatiques sont associées à la sub-fertilité, très peu de données existent chez le bovin. L’objectif de ce travail de thèse est la caractérisation du méthylome de la semence bovine et l’identification de nouveaux marqueurs fiables de la fertilité mâle à un stade précoce. Cette étude s’inscrit dans un large projet intitulé SeQuaMol (pour « Qualité Moléculaire de la Semence »), mis en place au sein d’un laboratoire commun entre l’INRA et la fédération ALLICE. La caractérisation du méthylome spermatique bovin a été réalisée en utilisant une approche multi-échelle (globale, pangénomique et séquence-spécifique). Les analyses ont permis de révéler l’hypométhylation très marquée du spermatozoïde bovin. L’hypométhylation affecte des gènes importants pour la différenciation de la lignée germinale, les fonctions spermatiques, ainsi que des séquences satellites. L’identification de biomarqueurs de la fertilité a été réalisée en utilisant une approche pangénomique (Reduced Representation Bisulfite Sequencing, RRBS). L’analyse a été effectuée sur une cohorte de 94 taureaux, dont les individus de races Holstein et Montbéliard ont été catégorisés en fonction de l’adéquation entre un indicateur génétique de la fertilité et leur fertilité réelle. Le dispositif inclus également des taureaux de 4 autres races pour obtenir une estimation de la variabilité épigénétique liée à la race. Cette analyse a nécessité l’optimisation et l’automatisation du protocole pour la préparation des banques RRBS à haut-débit, ainsi que la mise au point de l’ensemble de la procédure de traitement bio-informatique et statistique des données. Plusieurs milliers de biomarqueurs de la fertilité ont été identifiés et permettent de prédire de façon robuste le statut de fertilité. De plus, une démarche d’intégration des données de génotype et d’épigénotype a été amorcée, soulignant les interactions potentielles en ces strates d’informations. Enfin, nous avons mis en évidence l’influence de l’âge à la production de semence sur le méthylome. L’ensemble de ces données souligne que les modifications du méthylome spermatique peuvent affecter des gènes impliqués dans les processus précoces et plus tardifs du développement, ainsi que quelques voies du fonctionnement du spermatozoïde. L’ensemble des biomarqueurs identifiés serviront de base à la poursuite du projet SeQuaMol, dont l’aboutissement sera le développement d’outils technologiques et statistiques pouvant être utilisés en routine pour améliorer la prédiction de la fertilité mâle.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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