La reproduction, pilier de la perpétuation des espèces, repose sur des mécanismes complexes et fascinants. Chez les animaux, la reproduction sexuée implique la rencontre et la fusion de deux cellules spécialisées : les gamètes. Ce processus, appelé fécondation, est un événement clé qui rétablit la diploïdie et initie le développement d'un nouvel individu.
La Rencontre des Gamètes : Anisogamie et Reconnaissance Mutuelle
La fécondation correspond à la rencontre entre le gamète mâle (spermatozoïde) et le gamète femelle (ovocyte). Ces deux cellules sont très différentes, une différence appelée anisogamie. Le spermatozoïde est mobile, tandis que l'ovocyte l'est peu, et son cytoplasme formera le cytoplasme du zygote issu de la fusion des deux cellules. Des mécanismes de reconnaissance et d’activation mutuelle permettent à ces cellules d’interagir, de fusionner et de mettre en commun leur matériel génétique. Les gamètes sont des cellules haploïdes ; leur fusion permet de rétablir la diploïdie habituelle des animaux.
Fécondation Externe vs. Interne
La fécondation peut être externe, comme chez les anoures tels que le xénope, où le mâle émet ses spermatozoïdes en même temps que les ovocytes sont émis du cloaque de la femelle. Chez l’Homme, la fécondation est interne. Seuls 2 millions de spermatozoïdes sur les 60 millions éjaculés traversent cette barrière.
L’observation des modifications de la glaire cervicale au cours du cycle sexuel féminin est à la base d’une méthode de contraception (la méthode de Billings) dont l’efficacité est cependant très inférieure à la pilule contraceptive et au préservatif.
Le Voyage du Spermatozoïde : Capacitation et Navigation
Un spermatozoïde éjaculé ne pourra pas directement féconder un ovocyte. Des modifications induites par les voies génitales femelles (utérus et surtout oviducte) doivent avoir lieu. C’est la capacitation. Les propriétés membranaires sont alors modifiées avec une perte de cholestérol membranaire et une concentration à l’avant de l’acrosome des radeaux lipidiques membranaires importants pour la fécondation. Il y a hyperactivation de la nage liée à une entrée de Ca2+ dans le cytoplasme qui aboutit à la phosphorylation et à l’activation des dynéines flagellaires. Des récepteurs spermatiques sont démasqués (perte des glycosides de surface ajoutés dans l’épididyme qui bloquent les récepteurs aux protéines de la zone pellucide de l’ovocyte). Les microfilaments d’actine sont réorganisés ce qui est essentiel pour la future réaction acrosomiale (Schiavi-Ehrenhaus et al., 2022).
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La Capacitation : Préparation à la Fécondation
La capacitation est un processus essentiel qui se déroule dans les voies génitales femelles. Elle implique plusieurs modifications du spermatozoïde, notamment :
- Modification de la membrane plasmique : L'élimination du cholestérol de la membrane plasmique des spermatozoïdes vers les accepteurs présents dans l’utérus et les trompes de Fallope, tels que l’albumine, entraîne une modification biophysique de la membrane plasmique.
- Augmentation du pH intracellulaire : L’alcalinisation du cytosol est également favorisée par l’efflux de protons à travers les canaux Hv1.
- Hyperpolarisation de la membrane plasmique : L’activation des voies AMPc/PKA conduit également à une hyperpolarisation de la membrane plasmique.
- Hyperactivation de la nage : L'entrée de Ca2+ dans le cytoplasme active les dynéines flagellaires.
Navigation dans l'Oviducte : Thermotaxie et Chémoattraction
C’est au sein de l’oviducte que la nage flagellaire devient cruciale. Les spermatozoïdes ont besoin de mécanismes de navigation pour nager dans la bonne direction. Ces mécanismes de navigation reposent sur des signaux biochimiques et biophysiques externes (Tung et al., 2015). Les spermatozoïdes sont guidés par un gradient de température (thermocline de 2°C) le long de l’oviducte (de l’entrée à la région appelée ampoule où a lieu la fécondation). Les spermatozoïdes capacités sont très sensibles aux variations de température et ils sont capables de détecter un gradient de 0,014°C par millimètre ! Sur la membrane plasmique du spermatozoïde, un canal calcique activable par la progestérone appelé CatSper stimule la nage flagellaire. CatSper est un complexe de 9 protéines : 4 qui forment un canal et 5 protéines régulatrices. Sachant que les cellules de la corona radiata entourant l’ovocyte sécrètent de la progestérone, cela permet d’expliquer la chémoattraction des spermatozoïdes. Les cellules entourant l’ovocyte sécrètent également la protéine CRISP1 qui se lie aussi à CatSper (Ernesto et al., 2015). Il modulerait la nage des spermatozoïdes à proximité du l’ovocyte et des cellules environnantes pour la rendre plus efficace. Seuls 200 spermatozoïdes environ finiront par atteindre l’ovocyte.
La Zone Pellucide : Reconnaissance et Prévention de la Polyspermie
Chez les Mammifères, la zone pellucide est une matrice glycoprotéique qui entoure les ovocytes et a une épaisseur moyenne de 17 µm. Elle est essentielle pour la fécondation (plus précisément pour la reconnaissance des gamètes et pour la prévention de la polyspermie), et pour la protection des embryons précoces avant l’implantation. La zone pellucide est composée essentiellement de glycoprotéines appelées ZP1 à ZP4. Chaque protéine ZP est un polypeptide qui est glycosylé de manière hétérogène avec des oligosaccharides liés à l’asparagine (N-) et à la sérine/thréonine (O-) qui, dans certains cas, sont sialylés et sulfatés. Chez certains mammifères, tels que le chat, la vache, le chien et le porc, ZP1 n’est pas présent et sa fonction est complètement remplacée par ZP4. Chez la souris, ZP4 n’est pas présent puisqu’il est codé par un pseudogène qui n’est pas exprimé lors de l’ovogenèse (Goudet et al., 2008). ZP1 et ZP4 proviennent de la duplication récente d’un gène ancestral et cela est suivi des vicissitudes habituelles dans ce cas avec de possibles transformations en pseudogènes ou délétion par redondance fonctionnelle (Smith et al., 2005). ZP2 est assez apparenté à ZP1 et ZP4. Chez la souris, le knock-out ciblé soit du gène codant ZP2 soit du gène codant ZP3 empêche le développement d’une zone pellucide, conduisant à la stérilité. Des cas de stérilité dans une famille ont été reliés à une mutation dans ZP1 qui aboutit à une protéine aberrante qui reste dans le cytoplasme. ZP2 et ZP3 semblent être les glycoprotéines sur lesquelles s’attache le spermatozoïde lors de son arrivée dans la zone pellucide. La comparaison des séquences de ZP3 de différentes espèces de mammifères révèle un degré élevé de divergence dans son domaine d’interaction avec le spermatozoïde par rapport à d’autres régions de la protéine. Cette divergence est attribuée à une sélection darwinienne positive et assure sans doute une importante barrière d’espèce (Williams et al., 2005).
La Réaction Acrosomiale : Traversée des Enveloppes de l'Ovocyte
La réaction acrosomiale est une exocytose dépendant du Ca2+ qui permet au spermatozoïde d’excréter le contenu de son acrosome. Dans les modèles classiques, elle était dépendante de l’interaction avec la zone pellucide. Il semble cependant que la réaction acrosomiale puisse avoir lieu avant, indépendamment de la zone pellucide. Cette réaction libère des enzymes notamment la hyaluronidase qui permet au spermatozoïde de se frayer un chemin à travers la corona radiata et la zone pellucide. Une autre enzyme libérée par la réaction acrosomiale, l’acrosine, joue un rôle plus controversé. Son inhibition par des anticorps chez le lapin et sa mutation perte-de-fonction chez le hamster par Crispr-Cas9 diminuent l’efficacité de la fécondation par les spermatozoïdes par ralentissement de la traversée de la zone pellucide mais des spermatozoïdes de souris ou de rats déficients en acrosine la traversent correctement (Hirose et al., 2020). Des réactions acrosomiales trop précoces peuvent aboutir à de l’infertilité (Tesarik et Mendoza, 1995). Son déclenchement est donc étroitement régulé.
La Fusion des Membranes : IZUMO et JUNO
La fusion des membranes plasmiques des 2 gamètes est initiée par l’interaction de IZUMO sur la membrane plasmique du spermatozoïde et de JUNO sur celle de l’ovocyte (Bianchi et al., 2014; Aydin et al., 2016). Les souris mâles déficientes en Izumo (mais pas les souris femelles) sont stériles car le sperme dépourvu d’Izumo ne peut pas fusionner avec les ovules. La zone pellucide des ovocytes Juno−/− est pénétrée in vivo par des spermatozoïdes de type sauvage, mais ceux-ci ne fusionnent pas avec l’ovocyte muté. Juno (fluorescence vert) est exprimé sur les ovocytes ovulés en métaphase II, mais est à peine détectable à la télophase II qui résulte du déblocage de la méiose par la fécondation et Juno devient indétectable sur les zygotes au stade pronucléaire. La flèche et l’astérisque indiquent les sites d’extrusion du premier et du deuxième globule polaire.
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L'Héritage Mitochondrial et l'Activation de l'Ovocyte
Depuis récemment, on sait que des mitochondries de la pièce intermédiaire du spermatozoïde passent dans le cytoplasme de l’ovocyte mais elles sont éliminées par autophagie. La transmission uniquement maternelle des mitochondries est ainsi préservée. Chez les amphibiens, l’arrivée du spermatozoïde se fait toujours par l’hémisphère animal. Elle entraîne un blocage de la polyspermie rapide sous la forme d’une dépolarisation membranaire. Une augmentation de la concentration du Ca2+ cytoplasmique provoque l’exocytose des granules corticaux. Les mucopolysaccharides des granules corticaux provoquent un appel d’eau dont l’afflux génère un espace entre la membrane plasmique et l’enveloppe vitelline.
Comprendre la Fertilité Spontanée
L’ovocyte émis lors de l’ovulation est une grosse cellule sphérique, immobile. Elle est entourée d’une enveloppe translucide : la zone pellucide. A l’extérieur de la zone pellucide, l’ovocyte est inclus dans une masse cellulaire dont la couche en contact avec la zone pellucide est nommée corona radiata. L’ovocyte mature ou ovocyte II présente un noyau contenant le nucléole ou pronucléus femelle composé, comme pour le spermatozoïde, de seulement 23 chromosomes et non 46 comme toutes les autres cellules du corps humain, ainsi qu’un globule polaire qui contient le reste du matériel génétique de l’ovocyte (c’est à dire les 23 chromosomes dont il n’a pas besoin) Le globule polaire ne joue aucun rôle dans le développement de l’embryon. Après l’éjaculation, des centaines de spermatozoïdes se regroupent autour de l’ovocyte mais un seul pénètre la membrane de l‘ovocyte, après quoi les autres spermatozoïdes ne peuvent plus y accéder. Après la fécondation l’ovocyte expulse son 2ème globule polaire. 30 heures après la fécondation, le zygote commence ses divisions cellulaires. Celles-ci se succèdent ensuite au rythme d’une toutes les 12 à 16 heures. Les cellules sécrètent un liquide qui forme un petit lac au centre de l’embryon. Les cellules s’organisent, certaines vont former l’embryon, tandis que les autres se disposent en périphérie de la cavité remplie de liquide.
La Division Cellulaire et l'Information Génétique
L'ensemble des cellules d'un individu est issu de la cellule-œuf. Les cellules se multiplient par division cellulaire. Au cours de ce phénomène, des mécanismes permettent le maintien à l'identique de l'ensemble de l'information génétique. Les cellules reproductrices sont issues d'une division spéciale, ce qui explique qu'elles n'ont qu'un chromosome de chaque paire. La fécondation rétablit le nombre de chromosomes de l'espèce et explique la transmission des caractères génétiques.
La Division Cellulaire et la Croissance
Les êtres vivants pluricellulaires (ou multicellulaires) sont constitués de cellules contenant exactement la même information génétique. Cette information génétique provient de la première cellule à l'origine de l'organisme appelée cellule-œuf. Il existe une exception notable qui concerne les cellules reproductrices. La cellule-œuf est la cellule à l'origine d'un individu. Toutes les cellules qui composent un individu descendent de cette cellule et ont le même patrimoine génétique. La cellule-œuf va donner naissance à l'ensemble des cellules par une succession de divisions cellulaires. Lors d'une division cellulaire, une cellule va donner deux cellules identiques génétiquement. La cellule-œuf va donc donner deux cellules qui elles-mêmes, en se divisant, vont donner quatre cellules, et ainsi de suite. Au cours de la croissance embryonnaire, même si les cellules se différencient (par exemple en cellule de peau ou en cellule musculaire) elles conservent toujours exactement la même information génétique. Les cellules se divisent particulièrement lors du développement embryonnaire et de la croissance d'un individu jusqu'à l'âge adulte. Toutefois, les cellules continuent de se diviser par la suite afin d'assurer le renouvellement de l'organisme, par exemple lors de la cicatrisation d'une plaie. Lors d'une division cellulaire, une cellule va donner deux cellules identiques. On appelle cellule-mère la cellule avant la division et cellules-filles les deux cellules après la division. La cellule-œuf va se diviser, c'est donc aussi une cellule-mère. Les deux cellules-filles vont à leur tour se diviser et donc devenir des cellules-mères également. Mis à part la cellule-œuf, toutes les cellules sont nées par division cellulaire et ont donc été des cellules-filles.
Maintien de l'Information Génétique
Chaque cellule humaine contient 46 chromosomes différents, répartis en 23 paires. Afin de se diviser en cellules génétiquement identiques, différents mécanismes sont mis en place. Les deux étapes clés de la division cellulaire sont : La copie à l'identique de l'information génétique de la cellule-mère et la répartition de ces deux copies dans les deux cellules-filles. On appelle cycle cellulaire l'ensemble des étapes que réalise une cellule afin de se diviser en deux cellules-filles identiques. Le cycle démarre au moment où est formée une cellule-fille et se termine quand cette cellule s'est elle-même divisée. La durée du cycle cellulaire dépend de nombreux facteurs. Chez l'humain, le cycle cellulaire dure environ 24h (mais cela dépend du type de cellule). Certains organismes comme la levure ont un cycle beaucoup plus rapide (1h30 à 2h).
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Afin de préparer la division cellulaire, chaque chromosome est copié à l'identique. Cette copie aboutit à deux chromosomes qui contiennent exactement la même information et sont attachés par leurs centres. À la suite de la copie des chromosomes, une cellule contient deux fois plus d'ADN que normalement. Comme les chromosomes deviennent visibles avant la division cellulaire, de nombreuses images au microscope des chromosomes les montrent constitués de deux brins (formant un X). Toutefois, cela n'est le cas que pour cette phase du cycle cellulaire. La plupart du temps, les chromosomes ne forment qu'un seul filament d'ADN. Après la copie, on considère toujours que la cellule a une seule paire de chromosomes car la copie s'effectue à l'identique, il n'y a donc pas de nouvelle information génétique. Lors de la division cellulaire, les chromosomes dupliqués qui étaient attachés par leur centre se détachent et migrent dans chacune des cellules-filles. La division rétablit alors le nombre normal de brins de chromosomes dans chacune des cellules-filles. Les cellules-filles ont donc une quantité d'ADN normale.
La Transmission Génétique lors de la Reproduction Sexuée
Chez les êtres vivants qui ont une reproduction sexuée (contrairement à certains organismes qui se reproduisent seulement par division), il existe des cellules reproductrices, appelées gamètes. Les gamètes sont les cellules reproductrices. Elles sont donc spécifiques aux espèces qui se reproduisent de manière sexuée. Contrairement aux autres cellules, les gamètes ne contiennent pas de paires de chromosomes. Chez l'humain, les gamètes femelles sont appelés ovules et sont produits dans les ovaires. Les gamètes mâles sont appelés spermatozoïdes et sont produits dans les testicules. Les gamètes se distinguent des autres cellules de l'organisme du fait qu'elles n'ont qu'un chromosome de chaque paire. Ainsi, chez l'Homme, les gamètes ne contiennent que 23 chromosomes au lieu des 46 chromosomes pour les autres cellules. Afin de générer des gamètes, des cellules vont réaliser une division cellulaire spéciale lors de laquelle : Les chromosomes d'une même paire se réunissent (on dit aussi qu'ils "s'appareillent"). Un chromosome de chaque paire est réparti dans une des cellules-filles. À la suite de cette division spéciale, les deux gamètes ne contiennent pas les mêmes chromosomes. Ils ne contiennent donc pas la même information génétique. La répartition des chromosomes d'une paire entre gamètes est faite au hasard. De ce fait, un même individu peut générer de nombreuses combinaisons. Chez l'Homme, la répartition au hasard entre gamètes des chromosomes d'une paire, et ceci pour les 23 paires de chromosomes, donne plus de 8 millions de gamètes différents possibles pour un seul individu.
La Fécondation : Fusion des Patrimoines Génétiques
La fécondation est la rencontre et la fusion de deux gamètes de sexe opposé. Le résultat de la fécondation est une cellule-œuf. Les gamètes n'ont qu'un chromosome de chaque paire. Le résultat de la fécondation est donc une cellule-œuf ayant à nouveau une paire de chaque chromosome. Chez l'humain, une cellule-œuf a donc 46 chromosomes répartis en 23 paires. La cellule-œuf contient une information génétique qui provient pour moitié du père et pour moitié de la mère. Chez l'humain, il y a 8 millions de possibilités de répartition de chromosomes et donc de gamètes différents pour un individu donné. Il est possible de calculer qu'un couple peut donc engendrer plus de 70 000 milliards de cellules-œufs et donc d'individus génétiquement différents. C'est cette variabilité génétique qui assure que chaque individu est unique. La seule exception est le cas des vrais jumeaux. Dans ce cas, la cellule-œuf se sépare rapidement en deux et donne deux embryons génétiquement identiques.
L'Héritabilité Génétique
Les mécanismes de la reproduction sexuée expliquent comment les parents transmettent une partie de leur patrimoine génétique à leur descendance. Chaque paire de chromosomes d'une cellule-œuf est formée d'un chromosome paternel et d'un chromosome maternel (qui ont été "tirés" au hasard parmi les deux chromosomes de la même paire). Ces chromosomes peuvent porter pour un même gène des allèles différents.
Anomalies Génétiques
Malgré la très grande fiabilité des mécanismes de division cellulaire, il arrive dans de rares cas que les chromosomes soient mal répartis entre cellules-filles. Cela a pour conséquence que certaines cellules vont avoir un nombre anormal de chromosomes. En règle générale, de telles anomalies viennent du fait qu'un seul chromosome n'a pas migré, laissant une cellule avec un chromosome de trop et une cellule avec un chromosome en moins. Lorsque ce phénomène arrive pour la production de gamètes, cela peut aboutir à une cellule-œuf qui contient un seul chromosome d'un certain type (on parle de monosomie) ou trois chromosomes d'une paire (on parle de trisomie). Dans la plupart des cas une telle cellule-œuf ne permet pas le développement d'un embryon viable et il n'y a pas de naissance. Toutefois, dans certains cas, il est possible à un individu de naître et de vivre avec plus ou moins de complications médicales. Un exemple connu est la trisomie 21 où un individu possède trois chromosomes de la paire 21. Il faut distinguer ce type d'anomalies de ce que l'on nomme une maladie génétique. En effet, une maladie génétique est liée en règle générale à un allèle défectueux d'un gène et suit donc les mêmes règles de transmission que les allèles de gènes qui n'entraînent pas de maladies.
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