par de Prelle de la Nieppe, Bertrand 
Président du jury Verhoeven, Caroline
Promoteur Gall, David
Co-Promoteur Lybaert, Pascale
Publication Non publié, 2024-08-26
Président du jury Verhoeven, Caroline
Promoteur Gall, David
Co-Promoteur Lybaert, Pascale
Publication Non publié, 2024-08-26
Thèse de doctorat
| Résumé : | In english: To be able of fertilizing an oocyte, mammalian spermatozoa need a prolonged exposure to the alcaline medium of the female genital tract, which induces in the sperm a complex physiological process called capacitation. This capacitation process leads to a hyperactivated motility of the sperm, and prepares it for the acrosome reaction. These two phenomenon are necessary to fertilize the oocyte. The understanding of the signaling cascades that underlie the motility and the acquisition of the fertilizing potential of the sperm is still incomplete, and as the aetiology of a substantial number of male infertility cases remain unexplained, a deeper understanding of the events regulating sperm's functions is necessary. In this context, we have elaborated the first mathematical model formalizing a feedback loop between the SLO3's potassium channel and the sNHE proton's transporter in the murine sperm, showing that this non-linear interaction can be the mechanism at the origin of the existence of a non-capacitated and a capacitated state. In this model, when the extracellular bicarbonate concentration is increased, the state of the sperm shifts from a non-capacitated state, characterized by a low intracellular pH, towards a hyperpolarized alcaline state of a capacitated sperm. The dynamical analysis reveals that this process is reversible, and that under certain conditions, the sperm might be found either in capacitated or non-capacitated states (bistability). On the other hand, the analysis of both SLO3 and sNHE's inhibition reveals that each of these two proteins might be a pharmacological target to prevent capacitation. Experimentally, our study shows, for the first time, the partial reversibility of the bicarbonate-induced hyperpolarization. Indeed, transferring capacitated spermatozoa into non-capacitating conditions resulted in a reduction of their hyperpolarization. Finally, a preliminary adaptation of the mathematical model to the human sperm also shows that a feedback loop between the increase of the intracellular pH and the hyperpolarization could be at the core of capacitation. In conclusion, we have elaborated the first mathematical model for the evolution of the membrane potentiel and the intracellular pH during mammalian sperm capacitation. This model predicts the bistability of the sperm's state, and the reversibility of capacitation. Experimentally, the reversibility of the sperm's hyperpolarization has been validated. |
| En français: Pour être capables de féconder un ovocyte, les spermatozoïdes de mammifères ont besoin d'être exposés au milieu alcalin du tractus génital femelle, ce qui provoque au sein du spermatozoïde un processus physiologique complexe appelé capacitation. Ce processus de capacitation mène, notamment, à une mobilité hyperactive du spermatozoïde, et le prépare à réaliser la réaction acrosomique. Ces deux phénomènes sont nécessaires pour féconder l'ovocyte. La compréhension des cascades de signalisation qui sous-tendent la mobilité et l'acquisition du pouvoir fécondant des spermatozoïdes est encore incomplète, et comme l'étiologie d'un nombre substantiel de cas d'infertilité masculine reste inconnue, une compréhension plus profonde des événements moléculaires régulant les fonctions du spermatozoïde est nécessaire. Dans ce contexte, nous avons élaboré le premier modèle mathématique formalisant une boucle de rétroaction entre le canal potassique SLO3 et le transporteur de protons sNHE dans le spermatozoïde murin, montrant que cette interaction non-linéaire peut constituer le mécanisme à l'origine de l'existence d'un état non-capacité et d'un état capacité. Dans ce modèle, lorsque la concentration extracellulaire en bicarbonate est augmentée, il se produit une transition de l'état du spermatozoïde depuis un état non-capacité, caractérisé par un bas pH intracellulaire, vers un état hyperpolarisé de pH plus élevé, caractéristique de l'état capacité. L'analyse de la dynamique de ce processus révèle que cette transition est réversible, et que sous certaines conditions, un spermatozoïde peut se trouver dans deux états différents, soit capacité soit non-capacité (bistabilité). D'autre part, l'analyse de l'inhibition de SLO3 et sNHE révèle que chacune de ces deux protéines peut être une cible pharmacologique permettant de prévenir la capacitation. Notre étude expérimentale montre, pour la première fois, que l'hyperpolarisation du spermatozoïde induite par l'incubation dans un milieu capacitant est partiellement réversible. Les spermatozoïdes capacités transférés dans des conditions non-capacitantes ont présenté un potentiel membranaire moins hyperpolarisé que dans des conditions uniquement capacitantes.Transférer des spermatozoïdes capacités dans des conditions non-capacitantes a, en effet, résulté en une diminution de leur hyperpolarization. Finalement, une première adaptation du modèle mathématique au spermatozoïde humain montre que, là aussi, une boucle de rétroaction entre l'augmentation du pH intracellulaire et l'hyperpolarisation pourrait être un mécanisme au coeur de la capacitation. En conclusion, nous avons élaboré le premier modèle mathématique pour l'évolution du potentiel membranaire et du pH intracellulaire lors de la capacitation des spermatozoïdes murins. Ce modèle prédit la bistabilité de l'état d'un spermatozoïde, ainsi que la réversibilité de la capacitation. Expérimentalement, La réversibilité de l'hyperpolarisation des spermatozoïdes a pu être validée. |
