Role of DMRT1 in determining sex and fertility – Phenotypic analyses of DMRT1 KO rabbits
Rôle de DMRT1 dans la détermination du sexe et la fertilité – Analyse du phénotype de lapins DMRT1 KO
Résumé
DMRT1 is the Testis Determining Factor in many vertebrates. Discovered in Drosophila and worms, it has recently been shown to be the Testis Determining Factor in birds, where the Z chromosome carries it and acts in two copies to induce testicular differentiation in ZZ males. SRY is the testis-determining gene in mammals with an XX/XY system. According to the mouse species, DMRT1 has no further functions in testis determination since Dmrt1 mutations only affect postnatal testis differentiation and fertility in this rodent model. Nevertheless, human patients with DMRT1 mutations exhibit testicular dysgenesis (46, XY DSD – Woman XY), suggesting an earlier role for DMRT1 in non-rodent mammals. My thesis characterizes the involvement of DMRT1 in (i) gonadal differentiation and (ii) male and female fertility thanks to the analysis of DMRT1 mutant rabbits generated using CRISPR/Cas9. The rabbit, representing lagomorphs, was used as a non-rodent mammalian model. From the earliest stages of gonadal development, XY homozygous rabbits showed a male-to-female sex reversal (XY female) and developed ovaries. DMRT1 is a critical player in sex determination in rabbits. We have also demonstrated that it regulates the RSPO1/WNT4/β- catenin signaling pathway in females. DMRT1-/- gonads, whether XX or XY, showed a delay in ovarian somatic cell differentiation. This role in early ovarian differentiation has never been described in any vertebrate and non-vertebrate species. In females, we also highlighted the DMRT1 implication in germ cell meiosis for the first time. Its absence is associated with meiotic blockade, leading to the absence of primordial follicle formation and sterility in DMRT1-/- rabbits, whether XX or XY. The DMRT1 expression detected in germ cells more than a week before the onset of meiosis leads to the recruitment of critical factors such as DMC1, REC8, and STRA8, which it directly regulates. Due to its expression in the two main cell types of the gonad (supporting somatic cell and germ cell), DMRT1 plays key roles throughout gonadal differentiation and development in both sexes. Our work shows that DMRT1 must be considered as a major player in gonadal differentiation and fertility in both sexes in non-rodent mammals. The implications of this gene in various human reproductive pathologies need to be reassessed. Like the NR5A1 gene, DMRT1 gene variants may be responsible for other cases of azoospermia and ovarian failure, in addition to the few cases of female XY gonadal dysgenesis already described.
DMRT1 est considéré comme le facteur déterminant du testicule chez de nombreux vertébrés. Découvert chez la drosophile et le ver Caenorhabditis elegans, il a été montré récemment qu’il est le déterminant testiculaire chez les oiseaux où il est localisé sur le chromosome sexuel Z et agit en double dose pour induire la différenciation testiculaire chez les mâles ZZ. Chez les mammifères présentant un système XX/XY, SRY est le gène déterminant du testicule. Selon les résultats obtenus chez la souris, DMRT1 n’est pas impliqué dans la détermination testiculaire puisque les mutations de ce gène affectent uniquement la différenciation testiculaire post-natale et la fertilité dans ce modèle représentatif des rongeurs. Néanmoins, des patients humains avec des mutations affectant DMRT1 ont une dysgénésie testiculaire (46, XY DSD – femme XY) suggérant un rôle plus précoce de ce gène dans la différenciation gonadique chez les mammifères non rongeurs. Cette thèse a ainsi consisté à caractériser l’implication de DMRT1 dans (i) la différenciation gonadique ainsi que dans (ii) la fertilité des mâles et des femelles grâce à l’analyse de lapins mutants pour DMRT1 générés par le système CRISPR/Cas9. Le lapin, représentant des lagomorphes, est utilisé ici comme un modèle animal des mammifères non- rongeurs. Dès le développement gonadique précoce, les lapins XY homozygotes pour la mutation ont un phénotype d’inversion sexuelle de type mâle vers femelle (femelle XY) et développent des ovaires. DMRT1 est donc un facteur clé de la détermination testiculaire chez le lapin. Nous avons aussi mis en évidence que chez les femelles, il régule la voie RSPO1/WNT4/β-caténine. En l’absence de DMRT1, les gonades DMRT1-/-, qu’elles soient XX ou XY, présentent un retard de différenciation des cellules somatiques ovariennes. Ce rôle dans la différenciation précoce de l’ovaire n’avait jusque- là jamais été décrit chez toutes les différentes espèces étudiées (vertébrés et non vertébrés). Chez les femelles, nous démontrons également pour la première fois que DMRT1 est également crucial pour la méiose des cellules germinales. Son absence est en effet associée à un blocage méiotique très précoce entrainant une absence de formation des follicules primordiaux et donc une stérilité des lapines DMRT1-/-, qu’elles soient XX ou XY. Son expression dans les cellules germinales détectées plus d’une semaine avant l’initiation de la méiose permet le recrutement de facteurs clés tels que DMC1, REC8 et STRA8 qu’il régule directement. De par son expression dans les deux principaux types cellulaires de la gonade (cellule somatique de soutien et cellule germinale), DMRT1 exerce des rôles clés tout au long de la différenciation puis du développement gonadique dans les deux sexes. Nos travaux démontrent que le gène DMRT1 doit être considéré comme un acteur majeur de la différenciation gonadique et de la fertilité dans les deux sexes, chez les mammifères non-rongeurs. Les implications de ce gène dans différentes pathologies reproductives chez l’homme doivent être réévaluées. En effet, à l’image du gène NR5A1, des variants géniques de DMRT1 pourraient être à l’origine d’autres cas d’azoospermie et d’insuffisance ovarienne, en plus des quelques cas de dysgénésie gonadique de type femme XY déjà décrits.
Origine : Version validée par le jury (STAR)