Depuis des générations, une image simpliste de la fécondation a été véhiculée, présentant les spermatozoïdes comme des compétiteurs acharnés dans une course effrénée vers un ovule passif. Cependant, la science moderne a révélé une réalité bien plus nuancée et complexe, où l'ovule joue un rôle actif et déterminant dans la sélection du spermatozoïde qui le fécondera. Cet article explore les mécanismes de la fécondation chez l'humain et d'autres animaux, en mettant en lumière l'interaction complexe entre les gamètes mâles et femelles.
La vision traditionnelle de la fécondation remise en question
La métaphore populaire de la "course" des spermatozoïdes vers l'ovule, largement inexacte au regard des acquis scientifiques, persiste dans les esprits. Cette vision, qui décrit l'ovule comme passif et en attente d'être fécondé, a été maintes fois démontée par la recherche. Chez les mammifères, le processus lié à la production et à la sélection des ovules a évolué différemment de celui d'autres classes animales. Après avoir généré tous leurs ovules pendant une courte période, les mammifères «testent» leur qualité, éliminent la majorité et n'en retiennent qu'un à féconder.
La production des gamètes: une approche différente selon le sexe
Lynnette Sievert, anthropologue à l'université du Massachusetts, explique que de nombreux animaux aquatiques produisent tout au long de leur vie une profusion d'ovules et de spermatozoïdes. La fécondation se déroule de manière externe, dans l'eau: les femelles y déposent leurs ovules, rapidement suivies par les spermatozoïdes des mâles. Dans ce modèle, le critère essentiel est le nombre. Plus il y a d'œufs, plus la probabilité de voir survivre des descendants augmente, bien que la majorité périsse avant d'atteindre l'âge adulte.
Chez l'être humain, ce modèle subsiste… mais essentiellement du côté des hommes. Ceux-ci produisent en continu des millions de spermatozoïdes, expulsés en masse. «Ils ne sélectionnent pas les meilleurs spermatozoïdes, ils expulsent tout, exactement comme les poissons», note la spécialiste. Pourtant, chez les femelles mammifères, la sélection des ovules s'est affinée au fil de l'évolution.
Le contrôle féminin de la reproduction
Selon Lynnette Sievert, la science n'a pas encore tranché sur les raisons de cette différence, mais une hypothèse plausible serait que l'évolution a favorisé, chez les femelles, un contrôle accru sur le processus de reproduction, une stratégie permise par la fécondation interne. Chez les espèces comme les grenouilles, la survie des embryons dépend intégralement de l'environnement. À l'inverse, avec la reproduction internalisée des mammifères, les femelles ont la capacité d'exercer une sélection beaucoup plus fine des gamètes, à l'abri des aléas extérieurs.
Lire aussi: Fertilité masculine : guide pratique
Ce modèle s'explique aussi par la longévité supérieure des mammifères, qui leur permet d'accumuler des informations biologiques sur leur vie: ce sont les fameux «marqueurs épigénétiques», capables de moduler les gènes en fonction de l'environnement. Grâce à ces marqueurs, l'organisme féminin attend le meilleur moment et choisit les gamètes les plus adaptés, plutôt que de miser sur la quantité.
Le rôle actif de l'ovule dans la fécondation
Ce n'est qu'au milieu des années 1980 que la recherche démontre définitivement que l'ovule est l'élément actif dans la fécondation chez les mammifères. Sa couche externe, la zone pellucide, capte chimiquement les spermatozoïdes pour les «tester» et sélectionne l'ADN du futur embryon. Le spermatozoïde, une fois piégé, ne peut s'échapper.
L’ovocyte, quant à lui, se libère du follicule lors de l’ovulation -après le pic de l’hormone LH au 14e jour du cycle menstruel- et initie son parcours en étant expulsé de l’ovaire vers la trompe. Il n’attend pas passivement l’arrivée du spermatozoïde, mais se déplace tout au long de la trompe vers l’utérus en sécrétant ce que l’on appelle les chemoattractants, à savoir des molécules chimiques qui attirent les spermatozoïdes et les guident activement vers lui.
Les étapes clés de la fécondation
La fécondation correspond à la rencontre entre le gamète mâle (spermatozoïde) et le gamète femelle (ovocyte). Il s’agit de deux cellules très différentes : l’une est très mobile, l’autre l’est peu et son cytoplasme formera le cytoplasme du zygote issu de la fusion des deux cellules. Pour souligner cette différence, on parle d’anisogamie. Des mécanismes de reconnaissance et d’activation mutuelle permettent à ces cellules d’interagir, de fusionner et de mettre en commun leur matériel génétique.
Dès que le spermatozoïde et l’ovule se rencontrent, la fécondation a lieu, à savoir le moment où le spermatozoïde pénètre la zone pellucide (l’enveloppe de l’ovule, pour ainsi dire), et fusionne sa membrane avec celle de l’ovocyte. La fusion des membranes du spermatozoïde et de l’ovule provoque l’entrée de facteurs appelés SOAF (Spermborne Oocyte Activating Factors selon les sigles en anglais), qui indiquent à l’ovule qu’il a été fécondé, grâce à la variation de la concentration d’ions de calcium. Ce signal déclenche une longue série d’événements qui atteignent leur apogée avec l’amorce du développement d’un nouvel embryon : l’ovule termine la division méiotique (la dernière étape de sa maturation) et la zone pellucide durcit pour éviter qu’un autre spermatozoïde n’entre, en garantissant ainsi la présence d’un nombre correct de chromosomes.
Lire aussi: Spermatozoïde sur Fond Blanc
Le rôle du spermatozoïde: plus qu'un simple transporteur d'ADN
Le spermatozoïde qui parvient à féconder l’ovocyte n’est pas le plus rapide. Il est évident qu’il doit posséder une bonne motilité (la capacité de nager), mais la motilité à elle seule n’est pas suffisante pour assurer un développement embryonnaire correct. L’intégrité du génome, la morphologie ainsi que d’autres caractéristiques contribuent à sa capacité de féconder correctement un ovule. Des recherches réalisées sur des modèles animaux indiquent qu’un stockage correct de l’ADN au niveau de la tête du spermatozoïde facilite son arrivée et son entrée dans l’ovule.
Actuellement, on sait que l’ovule et le spermatozoïde jouent des rôles fondamentaux et interconnectés. On ne peut donc pas parler de rôles passifs ou actifs, car lors de chaque processus les deux joueurs doivent agir de manière parfaitement coordonnée pour atteindre l’objectif.
La capacitation du spermatozoïde
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.
La navigation du spermatozoïde 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. 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. Sachant que les cellules de la corona radiata entourant l’ovocyte sécrètent de la progestérone, cela permet d’expliquer la chémoattraction des spermatozoïdes.
La zone pellucide: une barrière protectrice et sélective
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. 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.
Lire aussi: Comprendre la vitesse d'éjaculation des spermatozoïdes
La réaction acrosomiale: une étape cruciale pour la pénétration de l'ovule
La réaction acrosomiale est une exocytose dépendant du Ca2+ qui permet au spermatozoïde d’excréter le contenu de son acrosome. 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. Des réactions acrosomiales trop précoces peuvent aboutir à de l’infertilité. Son déclenchement est donc étroitement régulé.
La fusion des membranes: l'union des gamètes
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. 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.
La découverte récente d'un pont protéique entre le spermatozoïde et l'ovule
Grâce à l’intelligence artificielle Alphafold, on vient de découvrir comment le spermatozoïde et l’ovule se connectent : trois protéines forment un pont entre les deux. La protéine Tmem81 fait le lien entre le spermatozoïde et l’ovule. Chez la souris, les chercheurs ont par exemple retiré Tmem81 par manipulation génétique, et ils ont observé que les animaux devenaient stériles. Et quand ils ont redéclenché la production de la protéine, ils sont redevenus fertiles…
La fécondation chez les animaux aquatiques: un exemple d'adaptation à l'environnement
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.
Chez les oursins, les spermatozoïdes sont attirés par les ovules, ce qui facilite l'union de ces cellules ou fécondation. La fécondation est caractérisée par la fusion du noyau du spermatozoïde et de celui de l'ovule. Cette fusion donne naissance à la cellule œuf. L'union des deux gamètes s'étant déroulée dans l'eau de mer, la fécondation est dite externe.
tags: #spermatozoïdes #humains #et #ovule #animal #fécondation