Dans une étude récente publiée dans le eBioMédecine journal, les chercheurs ont étudié le fondement génétique de l’asthénozoospermie, la principale cause de fertilité masculine.
Leurs examens multidisciplinaires ont pu identifier l’adénylate kinase 9 (AK9), une enzyme impliquée dans le métabolisme énergétique des spermatozoïdes et l’homéostasie des nucléotides cellulaires, comme étant essentielle à la fécondation en permettant aux spermatozoïdes de nager vers l’ovule même dans un milieu sans sucre.
Il a été constaté que des mutations dans le gène codant pour AK9 provoquaient l’infertilité masculine, à la fois chez les modèles murins et chez les participants humains à l’étude. Bien que ces mutations génétiques durent toute la vie, l’équipe a découvert que les injections intracytoplasmiques de spermatozoïdes (ICSI) pouvaient sauver les patients atteints de l’infertilité, guérissant ainsi la maladie.
Sommaire
Infertilité masculine et asthénozoospermie
L’infertilité, l’incapacité de concevoir même après un an de rapports sexuels fréquents non protégés, est une maladie courante qui touche environ 15 % de tous les couples en âge de procréer.
La recherche suggère que l’infertilité peut être causée par de nombreux facteurs, notamment la génétique, l’alimentation, le bien-être mental et, en particulier chez les femmes, l’âge. Près de la moitié de tous les cas d’infertilité peuvent être attribués aux hommes, l’asthénozoospermie étant la principale cause de stérilité.
L’asthénozoospermie, parfois appelée asthénospermie, est une affection dans laquelle la motilité des spermatozoïdes est gravement altérée, rendant les spermatozoïdes autrement fertiles incapables d’atteindre avec succès l’ovule féminin pour la conception.
Des études antérieures ont identifié des contributeurs génétiques à l’asthénozoospermie, notamment la protéine d’ancrage A-kinase (AKAP), l’ARNtGlu humain (TTC), la chaîne lourde axonémique de la dynéine (DNAH) et les familles de gènes associés aux cils et flagelles (CFAP). Malheureusement, l’étiologie génétique et la pathogenèse moléculaire à l’origine de l’asthénozoospermie restent mal comprises.
La motilité des spermatozoïdes est entièrement due au battement des flagelles des spermatozoïdes, un processus énergétique. L’adénosine triphosphate (ATP) est la principale source de cette énergie, produite par le flagelle via la glycolyse et par les mitochondries des spermatozoïdes via la phosphorylation oxydative.
Des recherches sur des modèles de souris mâles ont montré que les altérations de l’une des familles de gènes susmentionnées dans le sperme entraînent de graves altérations de la production d’énergie et, par conséquent, de la motilité des spermatozoïdes, entraînant l’infertilité et le phénotype de l’asthénozoospermie.
Bien qu’ils soient présents chez les invertébrés et les vertébrés, les spermatozoïdes des mammifères sont spéciaux car ils restent mobiles même en présence d’inhibiteurs de la glycolyse, ce qui suggère qu’en plus de la glycolyse et de la phosphorylation oxydative, la motilité des spermatozoïdes des mammifères est régulée par d’autres métabolismes énergétiques mal compris.
Il a été suggéré que les adénylate kinases (Aks) remplissent ce rôle en transférant des groupes phosphate vers l’adénosine diphosphate (ADP), produisant ainsi de l’ATP à usage flagellaire. Neuf Aks ont été identifiés jusqu’à présent (AK1-AK9), qui jouent tous un rôle dans la motilité des spermatozoïdes mais n’affectent pas autrement la fertilité.
Notamment, AK9 est fortement exprimé dans le testicule humain et participe au maintien de l’homéostasie des nucléotides cellulaires en [catalyzing] l’interconversion des nucléosides phosphates. Cependant, en raison du manque d’inhibiteurs sélectifs de l’AK, l’effet physiologique de l’AK9 sur le sperme et son rôle dans l’homéostasie des nucléotides et le métabolisme énergétique n’ont pas été entièrement découverts.
Sha et coll. (2023)
À propos de l’étude
Dans la présente étude, les chercheurs ont utilisé une approche multidisciplinaire pour identifier l’étiologie génétique et la pathogenèse moléculaire de l’asthénozoospermie, en mettant l’accent sur les effets des mutations du gène AK9 et de sa protéine AKD2 codée. Ils ont utilisé des preuves provenant de patients atteints d’asthénozoospermie humaine et de souris knock-out AK9 (Ak9 KO) pour identifier le rôle du gène dans l’affectation de la motilité des spermatozoïdes.
Le recrutement humain pour cette étude a été réalisé à l’hôpital pour femmes et enfants de l’université de Xiamen. Cent soixante-cinq hommes chinois présentant une asthénozoospermie idiopathique (cas) et 200 hommes ayant une fertilité normale (témoins) ont été inscrits. Les tests préliminaires ont révélé que dans tous les paramètres physiques et spermatiques, à l’exception de la motilité des spermatozoïdes, les cohortes de cas et de contrôle étaient cliniquement identiques. Les cohortes de cas présentaient une motilité réduite des spermatozoïdes allant de 0 à 32 %.
Pour élucider les mutations génétiques impliquées dans le gène AK9 et leurs impacts sur la motilité, un séquençage de l’exome entier (WES) de l’ADN des participants a été réalisé. Le séquençage Sanger des génotypes mutants identifiés a été utilisé pour la génération de données à grande échelle.
Les structures des protéines AK9 de type sauvage (WT) et mutantes ont été prédites et visualisées à l’aide de la base de données AlphaFold et de l’outil UCSF Chimera, respectivement. Les analyses des caractéristiques du sperme des deux cohortes ont été entreprises conformément aux prescriptions du Manuel de laboratoire de l’Organisation mondiale de la santé pour l’examen et le traitement du sperme humain (5ème édition).
La technologie d’endonucléase (Cas9) (CRISPR-Cas9) associée à CRISPR (CRISPR)/CRISPR-associated (Cas) (CRISPR-Cas9) a été utilisée pour construire des souris mâles Ak9 KO, représentants murins du phénotype asthénozoospermie. Microscopie électronique (à balayage [SEM] et transmission [TEM]) de spermatozoïdes humains et murins a été entreprise pour la visualisation de l’ultrastructure des spermatozoïdes.
Des tests d’immunofluorescence et de Western blot ont été utilisés pour identifier les concentrations de protéines AK9/AKD2 dans les échantillons de sperme. Le test de structure de la chromatine du sperme (SCSA) et la cytométrie en flux ont été utilisés pour la coloration de l’ADN du sperme et la détection de la fragmentation. Les testicules de souris Ak9 KO excisés ont ensuite été colorés à l’aide de colorants à l’hématoxyline et à l’éosine pour visualiser la structure des testicules.
La chromatographie liquide-spectrométrie de masse (LC/MS) a été utilisée pour détecter et caractériser les adénosines des spermatozoïdes et mesurer les taux de phosphotransfert. En tandem avec la cytométrie en flux, le kit d’analyse du potentiel de membrane mitochondriale (MMP) a détecté le potentiel de membrane mitochondriale d’échantillons de sperme.
Enfin, pour les hommes identifiés comme porteurs de mutations AK9 comme causes d’infertilité et d’asthénozoospermie, une injection intracytoplasmique de spermatozoïdes (ICSI), un processus par lequel le sperme d’un donneur est extrait et directement inséré dans un ovule, a été réalisé.
Résultats de l’étude
Sur les 165 cas masculins présentant le phénotype asthénozoospermie idiopathique, l’analyse génétique a révélé que cinq présentaient des mutations bi-alléliques dans leur gène AK9. Parmi ceux-ci, deux présentaient des mutations homozygotes et provenaient de familles consanguines non apparentées.
L’un avait une mutation d’insertion homozygote par décalage de cadre, tandis que l’autre avait une mutation d’insertion par décalage de cadre homozygote différente, une mutation de délétion hétérozygote sans décalage de cadre et une mutation stop-loss.
L’analyse in silico du transcrit AK9 humain a révélé que les deux mutations mentionnées ci-dessus modifiaient de manière significative la structure tridimensionnelle de la protéine AK9/AKD2 normale. Le croisement de ces structures obtenues avec les bases de données ExAC, 1000 Genomes Project, gnomAD _exome (All) et GnomAD _exome (East Asian) a révélé que ces mutations étaient absentes ou rares au sein d’une population mondiale importante, ce qui suggère que le gène AK9 est hautement conservé. .
Pris ensemble, ces résultats impliquent que les mutations du gène AK9 sont héritées de porteurs parentaux hétérozygotes selon des modèles mendéliens et que les mutations sont autosomiques récessives.
Les comparaisons des caractéristiques physiques, sexuelles secondaires et, étonnamment, de la morphologie des spermatozoïdes des cohortes de cas et de contrôle pour les humains et les souris ont révélé que les phénotypes étaient identiques entre les cohortes. Les images SEM et TEM ont révélé que l’AK9 WT et les mutants étaient impossibles à distinguer les uns des autres, même au niveau de l’ultrastructure.
Une analyse métabolomique ciblée a toutefois révélé que, sur le plan fonctionnel, les individus déficients en AK9 présentaient des niveaux d’AMP et d’ADP significativement réduits par rapport à leurs homologues WT.
En raison du rôle unique de l’AK dans le transfert de phosphotransfert, nous avons évalué le fragment phosphoryle dans l’ATP. Étonnamment, l’ATP marqué par l’O était significativement réduit, ce qui indique un phosphotransfert insuffisant catalysé par l’AK dans le sperme des patients présentant un déficit en AK9. Ces résultats suggèrent que les mutations bi-alléliques de l’AK9 perturbent l’homéostasie métabolique glycolytique et inhibent le phosphotransfert catalysé par l’AK dans le sperme humain.
Sha et coll. (2023)
Les analyses par spectrométrie de masse des spermatozoïdes mutés AK9 ont révélé que 211 protéines étaient régulées positivement et que 195 protéines étaient régulées négativement dans les spermatozoïdes mutants par rapport au WT. Les analyses ontologiques génétiques de ces protéines différentiellement exprimées ont révélé qu’elles sont impliquées dans la production et la conversion d’énergie, le transport et le métabolisme des glucides, la biosynthèse des métabolites secondaires, la transduction du signal et le catabolisme.
Enfin, l’ICSI réalisée sur des modèles d’asthénozoospermie chez des souris et sur des patients humains a donné de bons résultats. Trois des cinq patients humains atteints d’asthénozoospermie ont participé à l’étude, tous les cas ayant abouti à une grossesse réussie et à l’accouchement de bébés en bonne santé.
Cela met en évidence que l’AK9 affecte uniquement la motilité et les modalités énergétiques des spermatozoïdes, mais ne modifie pas la capacité de fécondation des spermatozoïdes. L’ICSI peut ainsi être utilisée dans de futurs essais cliniques pour sauver de l’infertilité masculine les couples dont le partenaire masculin présente des mutations dans son gène AK9.
Conclusions
Dans la présente étude, les chercheurs ont étudié l’étiologie génétique et la pathogenèse moléculaire de l’asthénozoospermie, principale cause de l’infertilité masculine.
Leurs résultats mettent en évidence que les mutations du gène AK9 réduisent considérablement la motilité des spermatozoïdes et modifient l’expression des protéines tout en laissant inchangées la structure et la fertilité des spermatozoïdes. Leurs résultats mettent en évidence les fondements génétiques de la maladie et présentent l’ICSI comme un moyen de sauvetage potentiel pour les couples dont le partenaire masculin souffre d’asthénozoospermie.