Rôle de protéines épididymaires humaines et murines dans les fonctions spermatiques

Abstract

L’infertilité affecte jusqu’à 15-20% des couples en âge de se reproduire. C’est pourquoi, mieux comprendre les mécanismes à la base de la fécondation est essentiel pour l’identification de nouvelles causes d’infertilité et l’optimisation des techniques de reproduction assistée. La capacitation est une étape de la maturation des spermatozoïdes qui se déroule dans le tractus génital femelle. Elle est requise pour la fécondation d’un ovocyte. Notre laboratoire a démontré que des protéines du plasma séminal bovin, appelées protéines Binder of SPerm (BSP), se lient aux phospholipides portant des groupements choline à la surface de la membrane des spermatozoïdes lors de l’éjaculation et promeuvent la capacitation. Ces protéines exprimées par les vésicules séminales sont ubiquitaires chez les mammifères et ont été étudiées chez plusieurs espèces dont l’étalon, le porc, le bouc et le bélier. Récemment, l’expression de gènes homologues aux BSP a été découverte dans les épididymes d’humains (BSPH1) et de souris (Bsph1 et Bsph2). Notre hypothèse est que les BSP chez ces deux espèces sont ajoutées aux spermatozoïdes lors de la maturation épididymaire et ont des rôles dans les fonctions spermatiques, similaires à ceux des protéines BSP bovines. Les protéines BSP humaines et murines représentent une faible fraction des protéines totales du plasma séminal. Pour cette raison, afin d’étudier leurs caractéristiques biochimiques et fonctionnelles, des protéines recombinantes ont été produites. Les protéines recombinantes ont été exprimées dans des cellules Escherichia coli origami B(DE3)pLysS en utilisant un vecteur d’expression pET32a. Suivant la lyse cellulaire, les protéines ont été dénaturées avec de l’urée et purifiées par chromatographie d’affinité sur ions métalliques immobilisés. Une fois liées à la colonne, les protéines ont été repliées à l’aide d’un gradient d’urée décroissant avant d’être éluées. Cette méthode a mené à la production de trois protéines recombinantes (rec-BSPH1 humaine, rec-BSPH1 murine et rec-BSPH2 murine) pures et fonctionnelles. Des expériences de chromatographie d’affinité et de co-sédimentation nous ont permis de démontrer que les trois protéines peuvent se lier à des ligands connus des protéines BSP comme la gélatine et l’héparine en plus de pouvoir se lier aux spermatozoïdes. Nos études ont également révélées que les deux protéines rec-BSPH1 peuvent se lier aux liposomes de phosphatidylcholine (PC) et sont capable de promouvoir la capacitation des spermatozoïdes. À l’opposé, rec-BSPH2 ne peut ni se lier aux liposomes de PC, ni stimuler la capacitation. Finalement, les protéines recombinantes n’ont aucun effet sur la réaction acrosomique ou sur la motilité des spermatozoïdes. Chez les bovins, les protéines BSP induisent la capacitation grâce des interactions avec les lipoprotéines de haute densité (HDL) et les glycosaminoglycanes. Puisque le HDL est également un joueur important de la capacitation chez la souris, le rôle de la protéine native BSPH1 murine au niveau de la capacitation induite par le HDL a été étudié. Les résultats obtenus suggèrent que, in vivo, la protéine BSPH1 de souris serait impliquée dans la capacitation via une interaction directe avec le HDL. Comme les protéines BSPH1 humaines et murines sont orthologues, ces résultats pourraient aussi s’appliquer à la fertilité humaine. Les résultats présentés dans cette thèse pourraient mener à une meilleure compréhension de la fertilité masculine et aider à améliorer les techniques de reproduction assistée. Ils pourraient également mener au développement de nouveaux tests diagnostiques ou de contraceptifs masculins.

Infertility can affect as much as 15-20% of couples of reproductive age. Therefore, elucidating mechanisms occurring during fertilization is needed to resolve cases of infertility and optimize assisted reproductive technology procedures. Sperm capacitation is a maturation step that takes place in the female genital tract and is deemed to be essential for sperm to fertilize an oocyte. Our laboratory has demonstrated that proteins from bovine seminal plasma called Binder of SPerm (BSP) proteins bind to choline phospholipids on the sperm membrane upon ejaculation and promote capacitation. These proteins expressed in seminal vesicles are ubiquitous amongst mammals and have been studied in many species including stallion, boar, ram and goat. More recently, the expression of BSP-homologous genes has been discovered in the epididymis of humans (BSPH1) and in mice (Bsph1 and Bsph2). We hypothesized that the BSP homologs in these two species are added to sperm during epididymal maturation and play similar roles in sperm functions as bovine BSP proteins. BSP proteins in humans and mice constitute only a minute percentage of the seminal plasma proteins. Thus, to study their biochemical and functional characteristics recombinant proteins were produced. Recombinant proteins were expressed in Escherichia coli origami B(DE3)pLysS cells using a pET32a expression vector. Following cell lysis, proteins were denatured using urea and purified by immobilized metal ion affinity chromatography. Once bound to the resin, proteins were refolded using a decreasing urea gradient after which they were eluted. This method led to the production of three pure, functional recombinant proteins (human rec-BSPH1, mouse rec-BSPH1 and mouse rec-BSPH2). Using affinity chromatography and co-sedimentation experiments, we were able to demonstrate that all three recombinant proteins bind known ligands of BSP proteins including gelatin, heparin and have the ability to bind to sperm. Studies also revealed that both rec-BSPH1 proteins bind to phosphatidylcholine (PC) liposomes and promote sperm capacitation. However, rec-BSPH2 neither binds to PC liposomes nor stimulates capacitation. Recombinant proteins had no effect on acrosome reaction or sperm motility. In bovine, BSP proteins promote sperm capacitation through interactions with high-density lipoproteins (HDL) and glycosaminoglycans. Since in mice HDL is also a major factor implicated in capacitation, the role of the native murine BSPH1 protein in HDL-induced capacitation was investigated. Results obtained suggest that, in vivo, murine BSPH1 protein could act in capacitation via a direct interaction with HDL. As human and murine BSPH1 are orthologs, these results could possibly also apply to human fertility. The results presented in this thesis could lead to a better understanding of male fertility and help improve assisted reproduction technology procedures. They could also lead to the development of diagnostic tests as well male contraceptives.