Sperm histone methylation is implicated in paternal epigenetic inheritance

Abstract

Paternal epigenetic inheritance has been described in human cohorts and animal models ranging from worm to mouse. Chemical or nutritional challenge during key developmental time points have been correlated with physiological change in future offspring that oftentimes span multiple generations. Despite these observations, the underlying molecular mechanisms of non-genetic (epigenetic) inheritance remain unknown. Recent studies have shown that sperm histones are retained at genomic regions high in CpG. Specifically, activating histone marks, such as histone H3 lysine 4 di-methylation (H3K4me2) and H3 lysine 4 tri-methylation (H3K4me3), are retained at promoters of genes with functional roles in embryonic development. Therefore, we hypothesize that the methylation of sperm histones is important to the health and development of future offspring and is involved in paternal epigenetic inheritance. To test this hypothesis, we designed a transgenic inbred mouse model that overexpressed the histone demethylase KDM1A in mouse testes with the goal of disrupting the sperm epigenome. This thesis shows that specific alterations of the sperm histones H3K4me2 and H3K4me3 in transgenic (TG) sires were related to severe abnormal phenotypes and gene expression changes in TG offspring and 2-cell embryos. Strikingly, abnormal embryonic development was inherited transgenerationally for two subsequent generations. Furthermore, we quantified consistent intergenerational differences in sperm H3K4me3 and RNA content, which for the first time, implicate mammalian sperm histone methylation in the mechanisms of paternal epigenetic inheritance.Le phénomène d'héritage épigénétique venant du père a été identifié lors de plusieurs études épidémiologiques chez l'humain ainsi que dans de nombreux modèles animaux allant des nématodes aux rongeurs. De plus, l'apport de certaines molécules ou nutriments à des moments clés du développement chez le père a été corrélé à des changements physiologiques dans la progéniture pouvant perdurer pendant de multiples générations. Malgré ces observations, les mécanismes de cet héritage non-génétique (épigénétique) demeurent inconnus. Des études récentes ont montré que des histones sont conservés dans le sperme au niveau des régions du génome riches en CpG. Plus spécifiquement, les modifications des histones activatrices de la transcription, telles que la di-méthylation de l'histone H3 à la lysine 4 (H3K4me2), sont présentes au niveau des promoteurs des gènes impliqués dans le développement embryonnaire. De ce fait, nous postulons l'hypothèse que la méthylation des histones spermatiques joue un rôle dans la santé et le développement de la progéniture et est impliquée dans le phénomène d'héritage épigénétique paternel. Afin de tester cette hypothèse, nous avons créé un modèle de souris transgéniques qui sur expriment la déméthylase d'histone KDM1A dans les testicules de souris dans le but d'altérer l'épigénome spermatique. Nous avons observé des altérations spécifiques de la di et tri méthylation de l'histone H3 au niveau de la lysine 4 (H3K4me2 et H3K4me3, respectivement) chez les animaux transgéniques, ainsi que de leurs ARNs spermatiques, une modification de l'expression génique dans leur embryons au stade 2 cellules mais pas de changement au niveau de la méthylation de l'ADN. Les souriceaux nés de pères transgéniques présentaient de nombreuses anomalies développementales au stade E18.5 et une survie réduite après la naissance. Ces phénotypes sont hérités par les deux générations suivantes, ce qui démontre pour la première fois le rôle des histones présents dans le sperme dans l'héritage épigénétique venant du père