Caractérisation fonctionnelle des composants de la chromatine dans la lignée germinale mâle de Gryllus bimaculatus : des variants d’histones aux protamines

Résumé de la thèse

La chromatine n’est pas simplement un système de compaction de l’ADN : sa composition influence l’activité nucléaire à plusieurs niveaux, depuis l’expression génique, la réplication et la réparation de l’ADN jusqu’à l’organisation du génome et la ségrégation des chromosomes. La lignée germinale mâle constitue un contexte particulièrement intéressant pour étudier ces mécanismes, car elle contient, au sein d’un même tissu, une progression développementale complète allant des cellules souches aux spermatozoïdes hautement différenciés. Au cours de ce processus, la chromatine subit plusieurs transitions extrêmes, incluant des divisions mitotiques et méiotiques, des événements de remodelage à l’échelle d’un chromosome entier tels que l’inactivation méiotique des chromosomes sexuels, ainsi qu’une réorganisation globale du génome lors de la transition histone-protamine.

Le grillon provençal Gryllus bimaculatus est un organisme modèle émergent qui offre une perspective originale pour aborder ces questions. Les insectes orthoptères ont historiquement joué un rôle fondateur en cytogénétique grâce à leurs gonades volumineuses, leurs cellules germinales facilement observables et leurs chromosomes de grande taille aisément distinguables. Plus récemment, G. bimaculatus est devenu un modèle accessible pour la génétique fonctionnelle, soutenu par le développement d’approches de mutagénèse ciblée et de transgénèse. De plus, des travaux structuraux récents ont montré que la chromatine spermatique du grillon adopte une architecture extrêmement ordonnée et non nucléosomale, soulevant la question des composants moléculaires qui construisent et stabilisent cette organisation hautement compacte du génome paternel.

Cette thèse étudie la contribution fonctionnelle de composants structuraux de la chromatine au remodelage de la chromatine dans la lignée germinale mâle chez le grillon Gryllus bimaculatus. Dans ce contexte, elle combine des approches génétiques, cytologiques et moléculaires. La première partie est consacrée au développement d’outils génétiques, en particulier à l’établissement du gène white comme marqueur de transgénèse chez G. bimaculatus. Les chapitres suivants portent sur la caractérisation fonctionnelle des variants d’histones macroH2A et des paralogues du variant centromérique de l’histone H3, CenH3. La thèse rassemble ensuite des observations liées à l’inactivation méiotique du chromosome sexuel, avant de se concentrer sur l’identification et la caractérisation fonctionnelle de gènes candidats de protamines potentiellement impliqués dans l’organisation de la chromatine spermatique.

L’objectif général est de comprendre comment les composants structuraux de la chromatine contribuent au remodelage du génome paternel dans la lignée germinale mâle depuis la perspective encore largement inexplorée offerte par G. bimaculatus. En reliant la composition de la chromatine, l’identité chromosomique et l’architecture nucléaire du spermatozoïde, ce travail apporte un nouvel éclairage sur la biologie de la chromatine germinale dans un modèle insecte non traditionnel, tout en contribuant au développement de G. bimaculatus comme organisme modèle pour les études de génétique fonctionnelle.

Functional characterization of chromatin components in the male germline of Gryllus bimaculatus: from histone variants to protamines

Chromatin is not merely a DNA-packaging system: its composition influences nuclear activity at multiple levels, from gene expression, DNA replication and DNA repair to genome organization and chromosome segregation. The male germline provides a particularly powerful context to study these mechanisms because it contains, within the same tissue, a complete developmental progression from stem cells to highly differentiated spermatozoa. During this process, chromatin undergoes several extreme transitions, including mitotic and meiotic divisions, chromosome-wide remodeling events such as meiotic sex chromosome inactivation, and genome-wide reorganization during the histone-to-protamine transition.

The cricket Gryllus bimaculatus is an emerging model organism that offers an original perspective from which to address these questions. Orthopteran insects have historically played a foundational role in cytogenetics because of their large gonads, easily observable germ cells and large, readily distinguishable chromosomes. More recently, G. bimaculatus has emerged as a tractable model for functional genetics, supported by the development of targeted mutagenesis and transgenic approaches. In addition, recent structural work has shown that cricket sperm chromatin adopts an extremely ordered, non-nucleosomal architecture, raising the question of which molecular components build and stabilize this highly compact organization of the paternal genome. 

This thesis investigates the functional contribution of structural chromatin components to male germline chromatin remodeling in the cricket Gryllus bimaculatus. In this context, this thesis combines genetic, cytological and molecular approaches. The first part focuses on the development of genetic tools, in particular the establishment of the white gene as a transgenesis marker in G. bimaculatus. The following chapters address the functional characterization the histone variants macroH2A and paralogs of the centromeric histone H3, CenH3. The thesis then brings together observations related to meiotic sex chromosome inactivation, before focusing on the identification and functional characterization of candidate protamine genes potentially involved in sperm chromatin organization.

The general aim is to understand how structural chromatin components contribute to paternal genome remodeling in the male germline from the largely unexplored perspective offered by G. bimaculatus. By linking chromatin composition, chromosome identity and sperm nuclear architecture, this work provides new insight into germline chromatin biology in a non-traditional insect model, while also contributing to the development of G. bimaculatus as a model organism for functional genetic studies.