Introduction
La reproduction sexuée est un mécanisme fondamental permettant la perpétuation des espèces. Chez les animaux, ce processus repose sur la fécondation, c'est-à-dire la rencontre et la fusion entre un gamète mâle (spermatozoïde) et un gamète femelle (ovocyte). Ces deux types de cellules, présentant des caractéristiques morphologiques et fonctionnelles distinctes, interagissent grâce à des mécanismes complexes de reconnaissance et d'activation mutuelle, aboutissant à la fusion de leur matériel génétique et à la formation d'un zygote diploïde. Cet article explore en détail les mécanismes de reconnaissance spécifique entre le spermatozoïde et l'ovocyte, ainsi que les étapes clés de la fécondation, en mettant en évidence les processus moléculaires et cellulaires impliqués.
Anisogamie et Spécificité de la Fécondation
Chez de nombreuses espèces, les gamètes mâles et femelles présentent des différences morphologiques et fonctionnelles notables, un phénomène appelé anisogamie. Le spermatozoïde est généralement une cellule mobile, de petite taille, conçue pour atteindre et pénétrer l'ovocyte. L'ovocyte, quant à lui, est une cellule plus volumineuse, peu mobile, riche en cytoplasme et en réserves nutritives qui serviront au développement embryonnaire précoce. Malgré ces différences, la fécondation nécessite une reconnaissance spécifique entre les deux types de gamètes, assurant ainsi la formation d'une descendance viable et fertile.
Fécondation Externe et Interne : Exemples chez les Anoures et les Mammifères
La fécondation peut être externe, comme chez les anoures (par exemple, le xénope), où les spermatozoïdes et les ovocytes sont libérés dans le milieu extérieur et se rencontrent de manière aléatoire. Chez le xénope, le mâle maintient la femelle avec ses membres antérieurs et émet ses spermatozoïdes en même temps que les ovocytes sont émis du cloaque de la femelle. La fécondation peut également être interne, comme chez les mammifères, où la rencontre entre les gamètes a lieu à l'intérieur des voies génitales femelles. Chez l'Homme, seuls 2 millions de spermatozoïdes sur les 60 millions éjaculés traversent cette barrière.
La Glaire Cervicale et la Migration des Spermatozoïdes
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.
Structure du Spermatozoïde Humain et Rôle des Contractions Utérines
Le spermatozoïde humain est une cellule hautement spécialisée, composée d'une tête (environ 5 µm) contenant le noyau et l'acrosome, et d'un flagelle (environ 50 µm) assurant sa mobilité. La nage flagellaire n’est pas le paramètre principal qui explique le déplacement des spermatozoïdes (on trouve des spermatozoïdes dans l’oviducte 30 min après éjaculation, ce qui est trop court pour que ce soit la seule mobilité flagellaire qui soit impliquée). Ce sont les contractions vaginales et utérines (contrôlées par les muscles lisses) qui les amènent vers l’oviducte. Ces contractions sont sous le contrôle de l’ocytocine dont la sécrétion est stimulée par l’accouplement. Les contractions utérines sont facilitées par les œstrogènes dont la concentration sanguine est maximale autour de la période de l’ovulation.
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Capacitation : Préparation du Spermatozoïde à la Fécondation
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).
Voies de Signalisation et Flux Ioniques Impliqués dans la Capacitation du Spermatozoïde Humain
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. De plus, les spermatozoïdes sont exposés à une concentration plus élevée de HCO3- au moment de l’éjaculation et pendant leur transit dans l’appareil reproducteur féminin. Le transport de ce HCO3- à travers les cotransporteurs NBC active ADCY10, une adénylate cyclase, provoquant une augmentation de la concentration d’AMPc, conduisant à l’activation de la PKA. La phosphorylation par PKA est essentielle pour l’activité du transporteur CFTR, et avec d’autres cotransporteurs Cl−/HCO3- (SLC A3/6/8), elle conduit à une augmentation encore plus grande de HCO3- dans le cytosol. D’autres sources possibles de HCO3- peuvent être liées à l’action des anhydrases carboniques. Parallèlement, HCO3- provoque augmentation du pH intracellulaire des spermatozoïdes. Cette alcalinisation du cytosol est également favorisée par l’efflux de protons à travers les canaux Hv1. L’alcalinisation et certains stéroïdes présents dans l’appareil reproducteur féminin comme la progestérone activent les canaux CatSper et produisent une augmentation importante de [Ca2+] intracellulaire. Via une chaine d’enzymes, cela va provoquer une phosphorylation des moteurs dans le flagelle qui stimule la nage. Les niveaux de [Ca2+] intracellulaires sont également régulés par l’action d’échangeurs et de pompes comme le NCX et le PMCA. L’activation des voies AMPc/PKA conduit également à une hyperpolarisation de la membrane plasmique. Na+/K+ ATPase, Na+/K+ ATPase de pompe; SLO1 et 3, canaux K+ spécifiques du sperme 1 et 3 ; ENaC, canaux Na+ épithéliaux ; CFTR, canal de conductance transmembranaire de la mucoviscidose ; SLC26, porteur de soluté 26 ; Hv1, canaux H+ voltage-dépendants ; BSA, albumine de sérum bovin; CHO, cholestérol; CA, anhydrase carbonique; PYK2/FER, tyrosine kinase 2 riche en proline; ADCY10, adénylylcyclase soluble atypique 10; EPAC, protéine d’échange activée par l’AMPc ; CaM, calmoduline; CatSper, canal Ca2+ spécifique du sperme ; NCX, échangeur Na+/Ca2+; ATPase Ca2+ de la membrane plasmatique PMCA ; PG, progestérone; ABDH2, protéine 2 contenant le domaine hydrolase α/β ; 2-AG, 2-arachidonoylglycérol; AA, acide arachidonique; G, glycérol.
Navigation Spermatique dans l'Oviducte
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.
Rôle de CatSper dans la Motilité du Flagelle des Spermatozoïdes
La tête de spermatozoïdes capacités est fixée sur un substrat adhérent et on peut ainsi plus facilement observer les mouvements de leur flagelle. Les spermatozoïdes sont soit hétérozygotes (A) ou homozygotes (B) pour une mutation perte-de-fonction affectant une sous-unité de CatSper. 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 : Barrière Essentielle à la Fécondation chez les Mammifères
La grande majorité des données classiques sur la fécondation des Mammifères a été obtenue in vitro. 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).
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Réaction Acrosomiale : Libération d'Enzymes Permettant la Pénétration de la Zone Pellucide
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.
Fusion des Membranes Plasmiques : Rôle de 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). Izumo est une protéine transmembranaire du spermatozoïde et Juno est une protéine ancrée à la membrane de l’ovocyte par un GPI (glycosylphosphatidylinositol). 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. Les chromosomes ne sont pas dans le plan focal.
Transmission Mitochondriale et Blocage de la Polyspermie
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, l’espace périvitellin.
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