Introduction
Le processus de développement des spermatozoïdes, ou spermatogenèse, se déroule au sein de l'épithélium des tubes séminifères testiculaires. Ce processus complexe dure environ 65 jours et implique une série de divisions cellulaires, incluant au moins trois mitoses et deux méioses. Les spermatogonies, cellules diploïdes situées à la base des tubes séminifères, représentent les cellules les plus jeunes de la lignée spermatogénique. Ces cellules se divisent activement avant de se différencier en spermatocytes primaires. Chaque spermatocyte primaire subit deux divisions cellulaires successives, précédées d'une réplication de l'ADN uniquement avant la première division. Suite à cette première division, le spermatocyte secondaire ne synthétise plus d'ADN. La division suivante donne naissance à deux spermatides rondes, des cellules haploïdes qui contiennent la moitié du matériel génétique et du nombre de chromosomes présents dans les cellules diploïdes.
Cette réduction du matériel génétique est essentielle pour rétablir le statut diploïde lors de la fécondation, lorsque les génomes des deux gamètes s'intègrent pour former le génome unique du futur embryon. Les spermatides rondes subissent ensuite une série de transformations morphologiques pour devenir des spermatozoïdes. Ces transformations visent principalement à doter le gamète mâle de la capacité d'atteindre et de pénétrer l'ovocyte, puis de fusionner avec lui. La cellule s'amincit, développe un axe antéro-postérieur, se dote d'un flagelle pour la mobilité et d'un acrosome, une vésicule sécrétoire contenant des enzymes hydrolytiques essentielles à la pénétration de l'ovocyte lors de la fécondation.
Pour mener à bien ces changements, l'ARN messager (ARNm) est synthétisé en abondance jusqu'au stade de spermatide ronde. Certaines espèces d'ARNm ne sont traduites en protéines que pendant le développement des spermatides allongées, lorsque la transcription est déjà arrêtée. En pathologie humaine, plusieurs conditions perturbent la spermatogenèse, entraînant une azoospermie (absence de spermatozoïdes dans l'éjaculat). Ces azoospermies sont classées comme sécrétoires ou non obstructives, afin de les distinguer des azoospermies excrétoires ou obstructives, où des spermatozoïdes continuent de se développer dans le testicule et peuvent être prélevés par biopsie. Des études récentes suggèrent qu'il est parfois possible de récupérer des cellules spermatogéniques immatures à partir de biopsies testiculaires ou même de l'éjaculat chez certains patients atteints d'azoospermie sécrétoire, et que ces cellules peuvent féconder l'ovocyte humain. C'est en utilisant des spermatides rondes provenant de l'éjaculat que les premiers enfants conçus avec des précurseurs de spermatozoïdes sont nés.
Bien que les résultats obtenus chez les animaux et les premiers résultats cliniques montrent que la procréation avec sperme immature est faisable, il est crucial de ne pas considérer ces résultats comme une garantie d'absence de risque. Dans le contexte d'une application humaine, deux questions sont particulièrement pertinentes. Premièrement, pourquoi l'homme inclus dans un programme de conception avec sperme immature ne produit-il pas de spermatozoïdes matures ? Deuxièmement, tous les éléments nécessaires au développement du futur embryon, au-delà du matériel génétique, sont-ils présents dans le sperme immature de ce patient ? La première question nous oriente vers la recherche d'éventuelles anomalies génétiques associées aux problèmes de spermatogenèse, tandis que la deuxième question soulève la problématique complexe des facteurs épigénétiques, qui sont tout aussi importants que l'information génétique pour le développement.
Cet article vise à résumer les principales différences entre la conception naturelle et la conception avec sperme immature, et à rappeler les mécanismes hypothétiques par lesquels ces différences pourraient générer des facteurs de risque génétiques et épigénétiques pour le développement du futur enfant. Un certain nombre d'examens et de précautions seront ensuite proposés pour maîtriser ces facteurs. Enfin, des sujets de recherche seront formulés pour mieux comprendre les relations entre la maturité des gamètes et le développement.
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Aspects génétiques
Il est bien établi que diverses anomalies génétiques peuvent se manifester par des problèmes de spermatogenèse. Par exemple, un large éventail de microdélétions sur le bras long du chromosome Y peut être associé à une azoospermie sécrétoire, tandis que la production de cellules précurseurs peut être préservée. Le chromosome Y est connu pour être relativement instable et, par conséquent, plus sujet aux remaniements (amplifications, duplications, délétions et mutations) que les autres chromosomes. Des remaniements mineurs font partie du polymorphisme naturel et ne sont liés à aucun phénotype pathologique. Cependant, les remaniements du chromosome Y peuvent perturber la spermatogenèse lorsqu'ils affectent, directement ou indirectement, la fonction des gènes impliqués dans ce processus. Bien que tous ces gènes et leurs mécanismes d'action n'aient pas encore été identifiés, au moins trois gènes semblent jouer un rôle très probable. Ces trois gènes codent pour des protéines contenant un motif moléculaire déterminant leur affinité pour l'ARN, ce qui suggère qu'il pourrait s'agir de facteurs contrôlant l'expression d'autres gènes au niveau post-transcriptionnel, en modifiant la traduction des ARNm correspondants en protéines.
L'un de ces gènes, appelé DAZ ("Deleted in azoospermia"), a été localisé dans un segment distal (région Yq11) de la partie euchromatinienne du bras long du chromosome Y. L'association des délétions macroscopiques (détectables par l'examen du caryotype) dans cette région avec des problèmes de spermatogenèse était connue depuis les travaux de Tiepolo et Zuffardi dans les années soixante-dix. Ces auteurs avaient suggéré l'existence d'un gène hypothétique de spermatogenèse - "Azoospermia factor (AZF)" - dans cette région également appelée région AZF. Le gène DAZ identifié est ainsi devenu un candidat pour le gène hypothétique AZF. Les deux autres gènes, baptisés RBM1 et RBM2 (également appelés YRRM1 et YRRM2), font partie d'une famille de gènes appelée RBM ("RNA binding motif") ou YRRM ("Y-chromosome genes with RNA recognition motif") et sont localisés dans une sous-région plus proximale du bras long du chromosome Y. Plus récemment, Vogt et coll. (6), étudiant la région Yq11 chez 370 hommes atteints d'azoospermie non obstructive ou d'oligozoospermie sévère, ont observé des microdélétions localisées dans trois sous-régions différentes de Yq11, qu'ils ont nommées AZFa (la plus proximale), AZFb (intermédiaire) et AZFc (la plus distale). La relation éventuelle entre la localisation de la microdélétion dans chacune de ces trois sous-régions et la sévérité de la défaillance spermatogénique reste à explorer avec des nombres de cas plus importants. Cependant, des données publiées par plusieurs groupes montrent qu'aucune microdélétion connue dans la région AZF n'exclut la présence de spermatozoïdes potentiellement fécondants et, par conséquent, la transmission de la microdélétion à la descendance masculine par le biais de l'ICSI.
D'autre part, des microdélétions localisées en dehors des trois sous-régions AZF peuvent également être associées à une infertilité masculine sévère et transmissible à la descendance par l'ICSI. Il est possible que le phénotype correspondant à une délétion dans le chromosome Y soit co-déterminé par la présence et l'activité d'autres gènes contrôlant la spermatogenèse et localisés dans des autosomes, dont un, appelé DAZLA ("DAZ-like autosomal"), a récemment été repéré dans le chromosome 3 humain. Si la procréation est rendue possible aux porteurs de microdélétions dans le chromosome Y ou dans des autosomes par le biais de la conception avec sperme immature, il est fort probable que l'infertilité du même type sera transmise à la descendance masculine. Bien évidemment, le problème se pose d'une façon sensiblement moins aiguë lorsqu'on peut s'assurer que le patient en question était capable de produire des spermatozoïdes matures auparavant ou lorsque des périodes d'azoospermie alternent avec celles d'oligozoospermie très sévère. Le fait que le patient ait déjà démontré sa capacité de produire des spermatozoïdes matures pendant sa vie peut exclure les anomalies génétiques les plus graves qui sont totalement incompatibles avec l'achèvement de la spermatogenèse. C'était effectivement le cas de la première série de patients pour lesquels la technique d'injection intra-ovocytaire de spermatides a été appliquée avec succès. En effet, une oligozoospermie très sévère alternant avec une azoospermie peut être provoquée par un grand nombre de facteurs environnementaux et donc non transmissibles à la descendance. Ces facteurs non génétiques comprennent des traumatismes physiques entraînant ou non la production d'autoanticorps, des infections virales, des substances toxiques, la radiation, une élévation de la température due à l'infection ou au mode d'habillement, et d'autres. Une perturbation de la spermatogenèse peut également être occasionnée par des changements en microvascularisation testiculaire, y compris les effets d'une varicocèle.
L'implication de facteurs non génétiques dans la pathogenèse d'une azoospermie est donc beaucoup plus probable lorsqu'une preuve existe que l'individu a pu produire des spermatozoïdes auparavant et que cette fonction a connu une détérioration progressive. L'identité du facteur en cause peut souvent être déterminée en examinant minutieusement les données d'anamnèse. Le risque de transmission d'une anomalie génétique dans ces cas ne peut pas être supérieur à celui associé à l'injection intra-ovocytaire de spermatozoïdes matures lors d'une oligozoospermie très sévère. En revanche, en absence d'une telle preuve, la probabilité d'une étiologie génétique est sensiblement plus élevée.
En dehors de l'intérêt scientifique, la question principale qui intéresse les médecins impliqués dans le diagnostic et le traitement d'infertilité est celle de la valeur diagnostique de l'analyse moléculaire du chromosome Y. Cette question est étroitement liée à celle de l'importance du risque de transmission d'une infertilité d'origine génétique à la descendance lorsque la paternité des sujets atteints est devenue possible grâce aux nouvelles techniques de reproduction assistée. Ce risque devient encore plus important avec la mise en œuvre de méthodes susceptibles de restituer la capacité reproductive des hommes dont la spermatogenèse est bloquée aux stades préalables à la différenciation de spermatozoïdes, tels les spermatides et les spermatocytes. À l'état actuel, le diagnostic d'une microdélétion, notamment lorsque celle-ci est importante et touche une des régions critiques du chromosome Y, signifie un risque important de transmission d'hypofertilité, voire d'infertilité dont la gravité est impossible à prévoir. Cependant, si le diagnostic est fait à partir de cellules sanguines, ce qui est le plus souvent le cas, il est aussi possible qu'il s'agisse d'un mosaïcisme génétique et que les spermatozoïdes soient épargnés. La détection d'une microdélétion dans le chromosome Y chez un homme infertile ne peut servir ni à la prédiction de la possibilité d'obtenir des spermatozoïdes par prélèvement testiculaire (en cas d'une azoospermie) ni à l'évaluation du pouvoir fécondant des spermatozoïdes ou des spermatides provenant de ce sujet. En dépit de ces incertitudes, il nous paraît souhaitable que la recherche de microdélétions dans le bras long du chromosome Y soit effectuée au préalable d'une tentative de reproduction assistée chez tout homme atteint d'une oligozoospermie non obstructive sévère ou d'une azoospermie (en vue de l'usage de spermatozoïdes testiculaires ou de spermatides pour la fécondation). L'inclusion de cet examen au préalable de tout ICSI pour indication masculine devrait être encouragée. En cas de positivité, le couple doit être informé adéquatement et l'examen devrait être répété chez tout enfant du sexe masculin issu de ces traitements pour vérifier si la transmission a eu lieu. On peut espérer que la recherche actuelle dans ce domaine rendra bientôt disponible l'information sur les rôles exacts de différents gènes impliqués dans la spermatogenèse. Ceci permettra l'élaboration de stratégies diagnostiques globales dont la valeur prédictive sera nettement supérieure par rapport à la situation actuelle.
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Aspects épigénétiques
Le spermatozoïde fécondant fournit au futur embryon non seulement le génome paternel mais aussi plusieurs facteurs épigénétiques. Ils comprennent des facteurs cytosoliques responsables de l'activation ovocytaire, le centrosome et une empreinte spécifique sur certains gènes. L'action de tous ces facteurs peut être perturbée en cas d'utilisation de sperme immature pour la fécondation.
Activation ovocytaire
Le sperme immature n'étant pas doté des outils nécessaires pour pénétrer par ses propres moyens dans l'ovocyte, le recours à une technique artificielle est inéluctable. Alors que les travaux originaux sur des animaux utilisaient une électrofusion (fusion de la membrane plasmique du spermatozoïde avec celle de l'ovocyte à l'aide d'une décharge électrique) après l'injection du spermatozoïde dans l'espace entre l'ovocyte et la zone pellucide qui l'entoure, les travaux sur l'homme avaient recours à une injection directe du spermatozoïde dans le cytoplasme ovocytaire. Dans certains cas, les spermatides ont été physiquement désintégrés et seuls leurs noyaux ont été injectés. Quoi qu'il s'agisse d'une électrofusion ou d'une injection directe, ces techniques artificielles comportent une disruption partielle et temporaire de la membrane plasmique de l'ovocyte qui protège le milieu interne de cette cellule. Ceci ouvre la porte aux substances présentes dans le milieu externe, telles des protéines ou des acides nucléiques, pour lesquelles la membrane plasmique intacte représente une barrière. À noter que la situation strictement identique se produit lors de l'injection des spermatozoïdes matures, technique de reproduction assistée actuellement largement répandue. Il est important de souligner que l'entrée de substances extracellulaires à travers la membrane plasmique endommagée, outre les risques potentiels, est indispensable pour le succès de la technique. Ainsi, l'entrée massive des ions de calcium est bénéfique pour l'activation ovocytaire lorsque les sperme…
Méiose ovocytaire chez la souris : mécanismes et anomalies
La méiose, un processus essentiel à la reproduction sexuée, est particulièrement sujette aux erreurs chez les femmes. Comprendre les mécanismes qui sous-tendent ces erreurs est donc un enjeu sociétal majeur.
Divisions méiotiques asymétriques
Chez les mammifères, les ovocytes entrent en méiose durant la vie fœtale, avant la naissance, puis se bloquent rapidement en prophase de première division méiotique (prophase I), où ils restent arrêtés pendant de nombreuses années, jusqu’à la reprise de la méiose à partir de la puberté. Après la rupture de l'enveloppe nucléaire (NEBD), les chromosomes se condensent et le fuseau de microtubules se forme dans la région centrale de l'ovocyte. Les chromosomes homologues s'alignent progressivement sur la plaque équatoriale du fuseau de division en métaphase I, pendant que le fuseau migre, selon son grand axe, vers la zone du cortex cellulaire la plus proche. Cela permet une division asymétrique en taille après l'anaphase I, qui répartit les chromosomes homologues entre le gros ovocyte et le premier petit globule polaire. L'ovocyte entre directement en seconde division de méiose (méiose II) et le fuseau de microtubules se reforme sous et parallèlement au cortex cellulaire. L'ovocyte reste bloqué en métaphase II, avec les chromosomes alignés sur la plaque équatoriale du fuseau de division. La fécondation induit la sortie de méiose, par une seconde division asymétrique en taille produisant un gros embryon au stade 1-cellule (zygote), et un second petit globule polaire. Les globules polaires vont dégénérer. Ces divisions méiotiques sont très asymétriques en taille, ce qui permet de conserver dans l'ovocyte les réserves maternelles nécessaires au futur développement de l'embryon.
Positionnement du fuseau méiotique
La position du fuseau de division dans la cellule détermine l’endroit où la cellule mère se divise, et constitue donc un élément essentiel de contrôle de la géométrie ainsi que du devenir des cellules filles. Lors de la mitose, les microtubules astraux qui relient les pôles du fuseau de division au cortex cellulaire sont nucléés par les centrosomes et permettent le positionnement du fuseau au sein de la cellule. Cependant, les ovocytes des mammifères sont dépourvus de centrosomes canoniques. Lors de la méiose, le positionnement du fuseau ne dépend pas des microtubules astraux, qui sont absents des pôles des fuseaux méiotiques, mais uniquement de l’actine organisée en deux réseaux distincts. Au niveau de la cage d’actine, le moteur moléculaire myosine II exerce des forces de traction sur le cortex ovocytaire, permettant le mouvement du fuseau.
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Anomalies de tension corticale et erreurs de ségrégation
Contrairement à celui des cellules mitotiques, le cortex de l’ovocyte devient donc « mou » à l’entrée en méiose I. Ce changement de propriétés mécaniques du cortex amplifie un déséquilibre initial des forces exercées par la myosine II au niveau de la cage d’actine, les forces étant probablement plus fortes au pôle du fuseau le plus proche du cortex en raison d’une légère asymétrie initiale dans la position du fuseau. Le déplacement du fuseau est amplifié vers le cortex le plus proche par une déformation progressive du cortex, rendue possible par la baisse de la tension corticale. Ainsi, la géométrie de la division dépend d’une fenêtre étroite de tension corticale, contrôlée par la localisation au cortex de la myosine II, elle-même contrôlée par la nucléation d’actine à cet emplacement. En effet, les ovocytes et embryons présentant un cortex cellulaire trop dur ou trop mou ne se développent pas après le stade blastocyste. Les ovocytes dont la tension corticale est trop basse représentent le cas le plus fréquent dans une population naturelle d’ovocytes murins et humains. Les ovocytes trop mous chassent trop précocement la myosine II du cortex cellulaire, dès la prophase I. La myosine II s’accumule alors dans le cytoplasme et le fuseau de l’ovocyte, ce qui gêne la capture des chromosomes par le fuseau, entraînant de l’aneuploïdie. L’alignement des chromosomes est donc sévèrement altéré dans les ovocytes présentant une tension corticale trop basse, du fait d’une anomalie de répartition de la myosine II : celle-ci se dissocie précocement du cortex cellulaire, induisant une forte diminution de la tension corticale, et sa concentration globale augmente dans le cytoplasme. Sa fixation aux chromosomes pourrait créer un encombrement stérique local, empêchant la capture des chromosomes et conduisant à des défauts d’alignement et de ségrégation des chromosomes. Ces résultats décrivent un mode de production d’aneuploïdie qui pourrait être très courant dans les gamètes femelles. Ainsi, certains de ces ovocytes « naturellement mous » pourraient également présenter des défauts chromosomiques entravant leur développement futur après la fécondation, et contribuant au taux d’aneuploïdie élevé observé dans les gamètes femelles. Les mesures des propriétés mécaniques du cortex cellulaire pourraient donc servir à évaluer, par une technique non invasive, le potentiel développemental des ovocytes dans le cadre de la procréation médicalement assistée.
Centrage du noyau et qualité ovocytaire
La position du noyau au sein des cellules peut jouer le rôle de morphogène et une position anormale peut être cause de maladie. Dans les ovocytes murins ou humains, la position centrale du noyau corrèle avec la bonne qualité gamétique. Des forces mécaniques issues du cytosquelette, transmises via les fluctuations de l’enveloppe nucléaire à l’intérieur du noyau, mobilisent la chromatine et modulent l’expression des gènes d’origine maternelle. L'agitation nucléaire accélère la cinétique de fusion des condensats et, à l’échelle moléculaire, cette même agitation accélère la diffusion des particules au sein des condensats, y optimisant ainsi les réactions biochimiques associées, comme notamment l’épissage de l’ARN messager (ARNm). Sans cette réorganisation, les stocks d’ARN messagers maternels ainsi que les divisions ovocytaires sont défaillants, impactant la fécondité du gamète.
Trisomie 21 : une aneuploïdie fréquente
La trisomie 21, ou syndrome de Down, est l’anomalie chromosomique la plus fréquente à la naissance et une pathologie dont l’espérance de vie est importante et grandissante. Elle se caractérise par la présence de trois chromosomes 21 au lieu de deux.
Origines de la trisomie 21
Dans sa forme la plus courante, la trisomie 21 est due à une fécondation entre un gamète possédant un chromosome 21 et un gamète possédant deux chromosomes 21. Dans la très grande majorité des cas, l’anomalie est portée par l’ovocyte. Le vieillissement des ovocytes est à l’origine d’anomalies méiotiques favorisant la survenue d’une trisomie. La présence de deux chromosomes 21 dans un gamète peut provenir d’une non-disjonction des chromosomes homologues (lors de la première division de méiose) ou des chromatides sœurs (lors de la seconde division de méiose). La trisomie 21 est alors dite libre et homogène.
Dans certains cas, la trisomie 21 peut être mosaïque, c'est-à-dire que seule une partie des cellules de l’individu sont trisomiques. Cela peut se produire si une non-disjonction survient chez la personne trisomique, au tout début de son développement embryonnaire.
Translocations et trisomie 21
D’autres anomalies chromosomiques peuvent conduire au phénotype de la trisomie 21, notamment les translocations. Une translocation réciproque correspond à un échange de matériel entre deux chromosomes. En cas de translocation réciproque 7;21, un fragment terminal de chromosome 7 est échangé contre un fragment terminal de chromosome 21. L’individu porteur de cette translocation réciproque est en bonne santé, car tout le matériel chromosomique est présent en quantité normale. En revanche, en cas de grossesse, il y a un risque important de transmission d’une anomalie chromosomique déséquilibrée.
Une translocation robertsonienne correspond à la fusion complète de deux chromosomes acrocentriques, par exemple d’un chromosome 21 complet avec un chromosome 14 complet. Un parent porteur d’une translocation du chromosome 21 sur lui-même (translocation dite robertsonienne) est assuré d’avoir un enfant atteint.
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