Les gènes de capside dérivés des rétrotransposons PNMA1 et PNMA4 maintiennent la capacité reproductive

Recherches sur le mécanisme par lequel les gènes capsidiques PNMA1 et PNMA4, d’origine rétrotransposon, maintiennent la capacité reproductive — Synthèse des dernières avancées dans Nature Aging

I. Contexte de la recherche et signification scientifique

Chez l’humain comme chez les mammifères, près de la moitié de l’ADN génomique est composée de rétrotransposons, des séquences initialement considérées comme des « molécules parasites » qui s’insèrent dans le génome via un intermédiaire ARN. Bien que la majorité de ces rétrotransposons aient été inactivés par des mutations ou réduits au silence, il est de plus en plus admis que certains rétrotransposons peuvent, via le processus de « domestication », évoluer pour devenir de nouveaux gènes conférant un avantage adaptatif à l’hôte.

La famille des PNMA (Paraneoplastic Ma) représente un exemple typique de ces « produits domestiqués », dont l’origine remonte à au moins 100 millions d’années à un rétrotransposon de la famille des Metaviridae chez les vertébrés anciens. La famille PNMA contient plusieurs gènes codant pour des protéines présentant des domaines de type capsidique (capside, structure similaire à celle des virus). Bien que les protéines associées à PNMA1 et PNMA4 proviennent d’un « ancêtre viral », leur conservation évolutive, leur régulation dans le développement reproducteur, et leur modulation par une gamme de protéines régulatrices d’ARN (telles que DAZL, DAZ, PUM1/2) attirent une attention croissante. Ces membres, dont PNMA1 et PNMA4, figurent parmi les gènes codants chez l’humain et possèdent plusieurs homologues chez des modèles animaux tels que la souris.

La domestication massive des rétrotransposons a offert à l’hôte un terrain d’évolution pour acquérir de nouveaux gènes et fonctions ; toutefois, comment ces gènes sont découverts, régulés et s’ils jouent un rôle clé dans le vieillissement reproductif et le maintien de la fertilité, sont au cœur des questions scientifiques explorées ici. Le cœur de la démarche est : PNMA1 et PNMA4 sont-ils indispensables au maintien des fonctions reproductives et à la prolongation de la longévité reproductive des mammifères ? Leurs mécanismes impliquent-ils l’assemblage de structures de type capsidique et la transduction de signaux ? Ces problématiques touchent la communication intercellulaire, l’évolution fonctionnelle de nouveaux gènes, et des questions de pointe sur la santé reproductive des mammifères.

II. Source de l’article, auteurs et informations de publication

Cette étude, intitulée « the retrotransposon-derived capsid genes pnma1 and pnma4 maintain reproductive capacity », est cosignée par Thomas W. P. Wood, William S. Henriques, Harrison B. Cullen, et de nombreux autres auteurs des universités Columbia, Yale, Rutgers, Montana State et autres instituts de recherche renommés. L’auteur correspondant est Luke E. Berchowitz (e-mail : leb2210@cumc.columbia.edu).

L’article a été publié dans le numéro de mai 2025 du journal Nature Aging, volume 5, pages 765–779, DOI : https://doi.org/10.1038/s43587-025-00852-y. L’étude a reçu le soutien de nombreux fonds et plateformes multi-institutionnelles, illustrant parfaitement la coopération internationale et l’intégration interdisciplinaire.

III. Déroulement de la recherche et conception expérimentale détaillée

Cette étude, systématique et innovante, combine analyses de tissus humains, études d’association pangénomique (GWAS), modèles murins transgéniques, cytologie tissulaire, biochimie moléculaire et protéomique pour élucider, aux niveaux moléculaire, cellulaire, individuel et populationnel, la fonction reproductive de PNMA1 et PNMA4. Elle est structurée en six modules principaux :

1. Cartographie de l’expression des gènes et analyse tissulaire spécifique

a) Séquençage unicellulaire et intégration des données

• Objets : Ovaires et testicules humains, incluant des groupes d’âges (20 ans & 50 ans) ; ovaires murins à divers stades de reproduction.
• Méthodes : Séquençage unicellulaire/nucléaire ARN sur tissus ovaires/testicules donnés (13 donneuses d’ovaires, 8 donneurs de testicules, 8 souris au total) pour analyser l’expression de PNMA1-5, focalisant sur PNMA1 et PNMA4.
• Résultats :
  • PNMA1 et PNMA4 sont fortement exprimés dans les ovaires/testicules humains, les ovocytes murins et les cellules germinales, leur expression baissant nettement avec l’âge ou l’avancement du vieillissement reproductif.
  • Dans l’ovaire, ils s’expriment surtout dans les cellules de la granulosa, les cellules stromales et musculaires lisses, avec une proportion plus forte chez les sujets jeunes.

b) Exploration de la régulation moléculaire

• Expérience : Déterminer l’influence de DAZL (protéine régulatrice de la traduction et de liaison à l’ARN) sur PNMA1 et PNMA4.
• Méthodes : Co-transfection de PNMA1, PNMA4 avec DAZL dans des cellules HEK293T, analyse des niveaux protéiques et d’ARNm.
• Observation : DAZL stimule l’expression de la protéine PNMA1 mais réprime celle de PNMA4, sans effet sur l’ARNm, suggérant un contrôle post-traductionnel par DAZL.

c) Analyse évolutive et conservation des séquences

• Méthodes : Comparaison des principaux lignages de mammifères, analyse du ratio substitutions non synonymes/synonymes (dN/dS), pour identifier la pression sélective.
• Résultats : PNMA1 est universellement conservé chez les Euthériens, sous sélection purifiante ; PNMA4 est pseudogénéisé dans certains taxons mais globalement conservé.

2. Validation fonctionnelle : Construction et phénotypage de modèles murins CRISPR

a) Construction de modèles knock-out

• Méthodes : Conception de sgRNA spécifique, édition via CRISPR-Cas9 pour PNMA1 et PNMA4, obtenant des souris KO simples et KO doubles.
• Échantillons : Souris témoins, PNMA1-/-, PNMA4-/-, PNMA1-/-PNMA4-/- (n=4-10 par groupe, en double aveugle).
• Validation génotypique : PCR, séquençage Sanger, etc.

b) Évaluation phénotypique de base

• Expériences : Tests neurocomportementaux pour vérifier l’absence d’effet cérébral (labyrinthe en Y, mémoire, anxiété, etc.).
• Résultat : Absence de troubles neurocomportementaux identifiés.

c) Surveillance dynamique de la fertilité

• Objets : Souris KO et contrôles, couplées à partir de 2 mois à des partenaires standardisés, suivi jusqu’à 12 mois.
• Protocole : Changement de partenaire toutes les deux semaines, recensement des portées et du nombre de descendants.
• Données : Dès l’âge de 3 mois, baisse significative de la fertilité chez les KO ; à 6 mois, seulement 25-50 % des portées par rapport aux contrôles, aggravé chez le double KO.

d) Analyse des organes reproducteurs et des niveaux cellulaires

• Analyses : Poids testiculaire/ovarien, numération des spermatozoïdes, dosages hormonaux, histologie tissulaire, marquage TUNEL (apoptose), marquage immunofluorescent, imagerie de la ségrégation chromosomique.
• Données :
  • Les souris mâles KO ont une atrophie testiculaire, chute brutale des spermatozoïdes et de la testostérone sérique dès 6 mois, certaines tubules séminifères étant entièrement épuisées en cellules germinales.
  • Chez les femelles, les jeunes sont quasiment normales, mais avec l’âge, on observe atrophie ovarienne, baisse des follicules antraux, kystes folliculaires plus fréquents, sans défaut évident de méiose.
  • Au niveau cellulaire : augmentation de l’apoptose dans les groupes KO (TUNEL+), les cellules germinales indifférenciées (PLZF+) restent normales, indiquant que le KO affecte surtout la survie des cellules germinales, pas leur genèse.

3. Validation fonctionnelle et dynamique des structures de type capsides

a) Expression de protéines hybrides et identification structurale

• Objets : Expression, puis purification, de protéines murines recombinantes PNMA1/PNMA4 dans E. coli.
• Méthodes : Purification via tag His, chromatographie exclusion Superose 6 haute résolution.
• Matériel spécifique : Microscopie électronique à transmission (MET) négative, classification 2D avec CRYOSPARC.
• Résultats : Confirmation d’autoassemblages de PNMA1 (diamètre 16-21nm) et PNMA4 (36-51nm) en structures de type capside.

b) Sécrétion cellulaire et transfert extracellulaire

• Expérience : Expression de PNMA1/PNMA4 chez HEK293T, ultrafiltration du milieu (seuil 100 kDa), ultracentrifugation, fractionnement et immunodétection.
• Découverte : Certaines combinaisons PNMA1/PNMA4 migrent vers l’extérieur via des vésicules extracellulaires.

c) Criblage des complexes macromoléculaires tissulaires

• Source : Testicules de souris sauvages et PNMA4-/- âgés de 3 mois, lyse, purification des grosses particules sur double coussin de saccharose.
• Procédures : Fractionnement par iodixanol (Iodixanol), western blot différentiel, co-immunoprécipitation des capsides.
• Identification des ARN cargo : Immunoprécipitation enrichissant en ARNm PNMA4, qPCR et RNA-seq : forte concentration d’ARNm endogène dans la capside, suggérant une auto-délivrance.

4. Analyses associatives pangénomiques humaines (GWAS)

• Méthodes : Base Open Targets Genetics, algorithmes V2G/L2G pour gènes PNMA1/4, ciblant hormones sexuelles, puberté, etc.
• Résultats :
  • PNMA1 : 6 variants associés à la testostérone et à la globuline de liaison des hormones sexuelles (SHBG).
  • PNMA4 : deux variants corrélés à l’âge de la ménarche et à la survenue de la puberté masculine.
• Signification : Les phénotypes reproductifs observés chez la souris sont donc rattachables à une base génétique humaine.

IV. Principales conclusions et portée scientifique

1. Conclusions scientifiques

• PNMA1 et PNMA4 sont des gènes domestiqués issus de rétrotransposons, hautement exprimés dans les cellules germinales et de soutien humaines et murines, mais déclinent avec l’âge.
• Leurs produits protéiques s’autoassemblent en structures de type capside capables d’emballer et d’exporter leur propre ARNm, au sein du tissu ou vers le milieu extracellulaire.
• Les souris KO pour PNMA1/PNMA4 montrent un vieillissement précoce de la fonction reproductive : atrophie des gonades, apoptose accrue, interruption de la gamétogenèse, et forte chute de la fertilité.
• Les GWAS révèlent un lien étroit entre polymorphisme de PNMA1/4 et les niveaux d’hormones sexuelles ou d’autres indices physiologiques chez l’humain.
• L’étude éclaire ainsi une boucle depuis l’origine virale jusqu’au mécanisme moléculaire puis à la fonction biologique humaine, proposant un nouveau paradigme des interactions rétrotransposons-génome hôte.

2. Retombées appliquées

• Les capsides PNMA, capables d’emballer ARN et molécules à délivrer, offrent un vecteur naturel pour la communication reproductive et la signalisation, ouvrant la voie à de nouveaux systèmes de délivrance d’ARN (aide à la fertilité, thérapie génique, vaccins).
• PNMA4, dépourvu d’effets secondaires auto-immuns apparents, pourrait être une cible pour des traitements anti/infertilité et de procréation assistée.

3. Points forts et innovations

• Première démonstration systématique du rôle central de gènes domestiqués rétrotransposons dans le vieillissement reproductif mammalien, cassant le dogme du « déchet viral ».
• Le mécanisme d’auto-délivrance d’ARN par capsides PNMA1/4 propose le concept inédit d’un « système de communication moléculaire auto-délivré ».
• Validation croisée multi-niveaux et multi-espèces + analyse génétique humaine, apportant une solide base translationnelle.
• Méthodologies innovantes (fractionnements multi-densité, immunocoprécipitation de capsides, analyse cargo par RNA-seq) utiles à l’étude de molécules analogues.

V. Autres informations intéressantes

• L’équipe a également étudié les échanges intercellulaires entre cellules de la granulosa et ovocytes, les « ponts intercellulaires » stromaux et les vésicules extracellulaires dans la transmission des signaux germinatifs, suggérant que les capsides PNMA participent probablement à ces communications.
• L’article projette une ingénierie future des PNMA1/4 en thérapeutique, soulignant que la purification à grande échelle et l’identification des cargos sont décisives pour la translation clinique.

VI. Conclusion

Cet article marquant de Nature Aging ne dévoile pas seulement la fonction originelle des gènes dérivés de rétrotransposons domestiqués dans la maintenance de la fertilité mammalienne, mais propose aussi un nouveau paradigme de communication et de signalisation moléculaire, basé sur la structure capside virale capable d’emballer naturellement et d’acheminer des ARNm. Par une vaste intégration de données structurales, développementales, histologiques et génétiques humaines, ces travaux enrichissent profondément la compréhension de la santé reproductive, de l’évolution moléculaire et des bases de la délivrance thérapeutique innovante chez les mammifères (y compris chez l’homme). Le « système de capside auto-délivrante » de PNMA1/PNMA4 offre un puissant outil moléculaire et conceptuel pour la médecine de la reproduction, la thérapie génique et l’innovation vaccinale.