Les cellules se multiplient par des divisions répétées, assurant ainsi la croissance et la reproduction de tous les êtres vivants. Ces divisions, et leurs particularités selon les types cellulaires, ont toujours fasciné les biologistes, mais beaucoup reste à comprendre. Parmi ces processus cellulaires fondamentaux, la maturation des ovocytes chez les vertébrés est un domaine de recherche particulièrement actif et important. Cet article explore en profondeur ce processus complexe, en mettant en lumière les mécanismes moléculaires et les régulations hormonales qui le gouvernent.
L'ovogenèse : la formation des gamètes femelles
L'ovogenèse est le processus de formation des gamètes femelles (ovocytes mûrs et fécondables) à partir des ovogonies. Chez les vertébrés, l'ovogenèse se déroule dans les follicules ovariens, sous le contrôle de l'axe hypothalamo-hypophysaire. Au niveau central, le GnRH (gonadotropin-releasing hormone) régule la sécrétion des gonadotrophines, FSH (follicle-stimulating hormone) et LH (luteinizing hormone). Ces hormones conduisent le follicule ovarien et l'ovocyte vers l'ovulation.
Ce processus commence dès la vie in utero et s'achève à l'ovulation, à chaque cycle ovulatoire, durant la période d'activité génitale (entre la puberté et la ménopause). Après la 12e semaine de développement in utero, les ovogonies entrent en division méiotique incomplète, donnant naissance à des ovocytes de 1e ordre bloqués en prophase de la 1e division de méiose (des cellules diploïdes à 46 chromosomes). Ces ovocytes I (ou ovocytes primaires) retournent immédiatement à l'état de repos, leurs noyaux deviennent volumineux et hydratés et prennent une forme vésiculaire (appelée "vésicule germinale" qui contient les 46 chromosomes partiellement condensées). Les ovocytes primaires (ovocyte I) sont stockés dans les ovaires, à l'intérieur des structures cellulaires appelées des follicules primordiaux.
Les follicules ovariens : des structures essentielles à la maturation ovocytaire
Les follicules ovariens sont des structures dynamiques et complexes qui jouent un rôle crucial dans la maturation des ovocytes. Ce sont les follicules qui se développent au cours de la période de fécondité de la femme et de la femelle de la plupart des vertébrés; ils contiennent l'ovule qui va libérer quand il arrivera à maturité. Les follicules ovariens sont composés d'un ovocyte entouré toujours par d'autres cellules de l'ovaire, certaines proviennent des cordes sexuelles (les cellules folliculaires qui forment au cours de la maturation du follicule la "granulosa") ; puis les thèques interne et externe qui proviennent du stroma conjonctif de l'ovaire ; cet ensemble de structures cellulaires formant autour de l'ovocyte, une enveloppe protectrice et à fonction exocrine (sécrétion du liquide folliculaire dans les follicules au stade antral) et à fonction endocrine (sécrétion des androgènes, de l'estradiol et de la progestérone qui jouent un rôle déterminant dans le cycle hormonal et endométrial, nécessaire à l'implantation de la grossesse et à son maintien).
À l'intérieur d'un des pôles de la cavité antrale, on retrouve, sous forme d'un cumulus (ou complexe cumulo-ovocytaire ; cumulus proligère) l'ovocyte toujours de 1e ordre bloqué en prophase de la 1e division de méiose, il est entouré par la zone pellucide qui la sépare de quelques couches de cellules folliculaires (de la granulosa) ; ces cellules forment autour de l'ovocyte une sorte de couronne appelée " la corona radiata ". En périphérie du follicule antral on retrouve les mêmes structures histologiques, mais plus évoluées que celles du follicule secondaire : la membrane de Slavjanski ; la thèque interne et la thèque externe. La deuxième cellule est l'ovocyte de 2e ordre (ovocyte II) récupérant la majorité du cytoplasme de la cellule mère. Cet ovocyte II débute immédiatement sa deuxième division de méiose, mais il reste bloqué à la métaphase de 2e division de méiose. Les cellules de la granulosa, au niveau du cumulus (ou le complexe cumulo-ovocytaire) se distinguent des autres cellules de la granulosa par leur capacité à sécréter des muco-polysaccharides et se dissocier complètement les unes des autres afin de libérer, sous l'influence du pic FSH, l'ovocyte dans la cavité antrale avant l'ovulation ; les cellules de la granulosa qui forment autour de l'ovocyte une " la corona radiata " restent attachées à l'ovocyte après l'ovulation.
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La maturation ovocytaire : un processus en deux étapes
Avant l'ovulation, l'ovocyte doit effectuer une maturation nucléaire (reprendre la méiose depuis la prophase et s'arrêter en metaphase-II) et cytoplasmique (stocker des transcrits, des protéines et des métabolites, nécessaires pour assumer la fécondation et les premières clivages de l'embryon, jusqu'à l'activation de son génome). La maturation ovocytaire est donc un processus en deux étapes :
- La maturation nucléaire : Elle comprend la reprise de la méiose, la condensation des chromosomes, la formation du fuseau méiotique et l'expulsion du premier globule polaire.
- La maturation cytoplasmique : Elle implique l'accumulation de réserves énergétiques, la synthèse de protéines nécessaires à la fécondation et au développement embryonnaire précoce, et la réorganisation des organites cellulaires.
Le rôle clé de l'AMPc dans la régulation de la méiose
Lors de l’ovogenèse, les ovocytes entament la méiose et s’arrêtent en prophase de 1ère division méiotique (équivalent à une phase G2). Des signaux extracellulaires provoquent la reprise de la méiose en lançant des voies de transduction qui convergent vers l’activation du MPF. L’AMPc est le 1er effecteur impliqué en amont de ces voies, mais de manière surprenante il agit de manière opposée selon les espèces. Chez les vertébrés, la concentration en AMPc, et donc l’activité de la kinase PKA, sont maintenus à de hauts niveaux dans l’ovocyte bloqué en prophase, et doivent chuter pour permettre la reprise de la division méiotique (une situation analogue à celle du contrôle exercé par l’AMPc sur la transition G2-M du cycle mitotique). Au contraire, chez de nombreux invertébrés, comme Clytia, une augmentation d’AMPc et de l’activité PKA est requise pour permettre la sortie de l’arrêt en prophase.
Le projet OOCAMP vise à comprendre les systèmes biochimiques qui connectent les signaux extracellulaires de maturation méiotique et l’activation du MPF. L’étude de ce processus physiologique continuera à enrichir les connaissances de la régulation hormonale de la reproduction, du cycle cellulaire, des voies de signalisation et des mécanismes de l’oncogenèse.
L'importance des interactions entre l'ovocyte et les cellules folliculaires
Les interactions entre l’ovocyte et les cellules du cumulus qui l'entourent, au cours de la maturation ainsi qu’aux voies de signalisation entre ces cellules sont cruciales pour le bon déroulement de la maturation ovocytaire. Les cellules folliculaires cubiques et l'ovocyte lui-même sécrètent de certains types de glycoprotéines afin de créer, à la surface de l'ovocyte primaire, une couche ou une zone protectrice appelée la " zone pellucide " séparant la membrane cytoplasmique de l'ovocyte des cellules folliculaires, mais il ne s'agit pas d'une séparation physique totale, car le contrôle effectué sous microscope électronique montre la présence de nombreux prolongements (expansions) qui relient les cellules folliculaires entre elles et à la surface de l'ovocyte en traversant des jonctions incomplètes dans la zone pellucide. Ces expansions permettent de à l'ovocyte de recevoir des supports métaboliques et des signaux nécessaires à son développement.
Dans le procédé de la fécondation in vitro (FIV), l'observation, sous microscope, de la présence du 1e globule polaire confirme que l'ovocyte du 1e ordre (qu'on retrouve dans les follicules) a achevé sa première division de méiose, donc il s'agit d'un ovocyte du 2e ordre (à 23 chromosomes), mûr et prêt à être fécondé. L'ovocyte mûr, donc fécondable (un ovocyte de 2e ordre qui a débuté sa deuxième division de méiose, mais en restant bloqué en métaphase de cette 2e division de méiose) n'achève pas sa deuxième division de méiose que s'il a été fécondé par un spermatozoïde.
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La zone pellucide : une matrice extracellulaire essentielle
Durant l’ovogénèse des mammifères, l’ovocyte synthétise une matrice extracellulaire qui va notamment interagir avec les spermatozoïdes lors de la fécondation : la zone pellucide. Elle est composée de glycoprotéines nommées ZP1 à ZP4. Malgré l’épaississement de la zone pellucide, l’ovocyte garde contact avec les cellules environnantes de la corona radiata par des projections cytoplasmiques transzonales. Les cellules communiquent par des jonctions gap impliquant la connexine 37 et l’absence de connexine 37 aboutit à une infertilité.
L'accumulation de réserves énergétiques : un processus vital pour le développement embryonnaire
Au cours de l’ovogénèse, il y a accumulation de réserves énergétiques dans l’ovocyte sous forme de vitellus. Elles se présentent en agrégats appelées plaquettes vitellines. Ce sont des réserves protéiques et surtout lipidiques (à poids égal les lipides permettent de stocker plus d’énergie que les glucides). Elles ne sont pas synthétisées dans l’ovocyte mais dans le foie sous le contrôle des œstrogènes (hormones sexuelles femelles produites dans les ovaires). Les réserves sont acheminées vers l’ovaire par voie sanguine, notamment sous la forme d’une grande phosphoglycolipoprotéine appellée vitellogénine (470 kDa). Celle-ci est reconnue par un récepteur de la famille des récepteurs aux VLDL (Very Low Density Lipoprotein) à la membrane plasmique des ovocytes et le tout est internalisé par endocytose. Les endosomes fusionnent ensuite avec les lysosomes où la vitellogénine est clivée en différents fragments : phosvitine et lipovitelline.
Les ovocytes sont classés selon la quantité de vitellus accumulée au cours de l’ovogénèse. Les ovocytes télolécithes (tels ceux des Sauropsidés ou des Téléostéens) ont des quantités très importantes de réserves qui s’accumulent progressivement dans l’ovocyte. Les ovocytes télolécithes ont tellement de réserves que le vitellus empêche les divisions cellulaires au cours du développement embryonnaire. Ainsi, après la fécondation, seule une partie du volume de l’ovocyte se cellularise, le vitellus restant en dehors de l’embryon. L’embryon récupère les nutriments grâce à une annexe embryonnaire : la vésicule vitelline. Les ovocytes hétérolécithes (tels ceux des Amphibiens) ont suffisamment de réserves pour assurer tout le développement de l’embryon mais pas assez pour gêner les divisions cellulaires après la fécondation. Le vitellus se retrouve dans les cellules qui l’utilisent directement. Il n’y a pas besoin d’annexes embryonnaires. L’autre caractéristique d’un ovocyte hétérolécithe est la répartition inégale des réserves en vitellus. Dans l’ovocyte des amphibiens, le vitellus s’accumule autour du pôle végétatif. 75% du vitellus se retrouve ainsi dans l’hémisphère végétatif. Une pigmentation superficielle du cytoplasme (granules de mélanine) se répartit autour du pôle animal, dans ce qui forme l’hémisphère animal. Les ovocytes alécithes tels que ceux de la plupart des Mammifères n’ont pas de réserves. Les Mammifères Monotrèmes tels que l’ornithorynque qui sont ovipares ont en revanche des ovocytes télolécithes. Le gène codant la vitellogénine n’est présent chez les Mammifères Métathériens (Marsupiaux) et les Euthériens (Primates, Rongeurs…) qu’à l’état vestigial de pseudogène.
Modèles d'étude de la maturation ovocytaire
L’ovocyte de xénope est reconnu depuis plus de 50 ans comme modèle de choix dans l’étude des mécanismes impliqués dans les problématiques de cycle cellulaire et de développement embryonnaire. Ces ovocytes permettent de réaliser des études fonctionnelles car ils sont capables d’évoluer, hors de l’ovaire, du stade immature à celui de mature. Ce processus peut être perturbé par la micro-injection de protéines, ARNm, Morpholinos, Anticorps capables de mettre en évidence la fonction de la protéine ciblée. Outre ces caractéristiques propres à l’ovocyte, le xénope est facile à élever et à maintenir en laboratoire. Les opérations de chirurgie pour récupérer les fragments d’ovaires sont simples et rapides à réaliser par les utilisateurs formés. Les injections d’hormones pour obtenir les œufs pondus sont aussi facilement réalisables.
Une femelle drosophile a deux ovaires composés d’environ 18 ovarioles, chacun pouvant être considéré comme une chaîne de production d’œufs. Les ovocytes et les cellules qui les entourent maturent au fur et à mesure qu’ils descendent l’ovariole, atteignant la partie postérieure avec des ovocytes compétents pour la fécondation.
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