Le spermatozoïde, cellule sexuelle mâle, joue un rôle crucial dans la reproduction. Il est le vecteur du matériel génétique paternel, qui, combiné à celui de l'ovule, donne naissance à un nouvel individu. Comprendre la composition du patrimoine génétique des spermatozoïdes est essentiel pour appréhender les mécanismes de l'hérédité, de la fertilité et du développement embryonnaire.
L'Information Génétique: ADN, Gènes et Chromosomes
Le matériel génétique, qui définit les caractéristiques d’un individu, est contenu dans les chromosomes situés dans le noyau de chaque cellule de l'organisme. Ces chromosomes sont constitués d'ADN (Acide DésoxyriboNucléique) très compact. L'ADN est donc le constituant de base du matériel génétique. Chez les animaux, toutes les cellules de l’organisme renferment le même ADN, c’est-à-dire le même matériel génétique, localisé au sein du noyau. Ce dernier est constitué de nucléotides.
Composition de l'ADN
L’ADN se compose de deux chaînes de nucléotides, formant ainsi une double hélice. Les nucléotides sont composés de quatre bases azotées :
- L’adénine (notée A)
- La thymine (notée T)
- La guanine (notée G)
- La cytosine (notée C)
L’appariement de ces bases azotées est spécifique : A s'apparie avec T, et G avec C.
Un gène est un segment d'ADN qui correspond à une information génétique particulière et code pour une protéine unique. Comme les chromosomes, chaque gène est présent en double dans nos cellules. Ces deux copies d’un même gène s’appellent des allèles.
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Chromosomes Somatiques et Sexuels
Dans les cellules somatiques, c’est-à-dire toutes les cellules de l’organisme sauf les gamètes (cellules sexuelles = spermatozoïdes et ovules), chaque chromosome est présent en deux exemplaires, l'un provenant du père et l'autre de la mère, ce qui forme une paire de chromosomes homologues (2n). Le nombre de chromosomes est constant pour une espèce donnée. Les chevaux ont par exemple 64 chromosomes, soit 32 paires, tandis que les ânes en ont 62, soit 31 paires.
Parmi ces chromosomes, on distingue les chromosomes sexuels, qui déterminent le sexe de l’individu : XX pour les femelles et XY pour les mâles. Les autres chromosomes sont appelés autosomes (il s'agit des chromosomes non sexuels).
Les gamètes (cellules sexuelles) ne renferment qu’un chromosome (n) de chaque paire de chromosomes homologues.
Expression des Gènes et Allèles
Pour chaque gène, il existe plusieurs allèles, c’est-à-dire plusieurs versions possibles de ce gène. L'allèle que le cheval porte déterminera si le gène aura un impact visible sur le phénotype. Un allèle peut être :
- Dominant: Si le cheval possède 1 ou 2 allèle(s) dominant(s) pour un gène, ce gène s’exprimera de la même manière et son effet sera visible sur le phénotype du cheval. C'est par exemple le cas du gène de la robe grise : l'individu possédant les allèles GG/Gg ou GG/GG aura la robe grise car il possède au moins un exemplaire de l'allèle dominant G.
- Partiellement dominant ou co-dominant: Si le cheval possède 1 allèle partiellement dominant pour un gène, son effet sera visible sur le phénotype du cheval. S’il possède 2 exemplaires de l’allèle co-dominant, l’effet sera visible sur le phénotype du cheval, et plus important que lorsqu’il n’en possède qu’un exemplaire. C'est par exemple le cas du gène de la robe crème : l'individu possédant les allèles CCR/Ccr aura une dilution partielle de sa robe (palomino, isabelle) intermédiaire entre une robe alezan ou bai sans dilution (Ccr/Ccr) par rapport à une robe totalement diluée comme le cremello ou le berlino (CCR/CCR).
- Récessif: Un allèle récessif ne s’exprimera au niveau du phénotype que s’il est présent en 2 exemplaires dans le génotype du cheval. Si le cheval n’en possède qu’un exemplaire, la présence de cet allèle ne sera pas discernable au niveau du phénotype. C'est par exemple le cas de la robe alezan : l'individu alezan possède obligatoirement les 2 allèles homozygotes récessifs du gène Extension Ee/Ee.
Plusieurs gènes peuvent intervenir sur une même caractéristique. C’est par exemple le cas pour la détermination de la couleur de la robe, qui est définie par l’action combinée de plusieurs gènes. Tous les gènes n’ont pas d’effet visible sur le phénotype de chaque cheval, bien qu’ils soient présents.
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La Spermatogenèse: Formation des Spermatozoïdes
La spermatogenèse est le processus de formation des spermatozoïdes dans les tubules séminifères des testicules. Elle comprend trois phases principales:
- Prolifération des cellules germinales (spermatogonies): Les spermatogonies se divisent par mitose pour se multiplier et se différencier. Les spermatogonies A vont d'une part se multiplier pour renouveller continuellement l'épithélium germinal (autorenouvellement) et d'autre part elles vont se différencier en spermatogonie B qui continueront leur développement jusqu'au stade du spermatozoïde.
- Méiose (spermatocytes): Les spermatocytes subissent une méiose, une division cellulaire particulière qui réduit de moitié le nombre de chromosomes, passant d'un état diploïde (2n) à un état haploïde (n). La méiose est la succession de deux divisions cellulaires qui conduisent à la formation de quatre cellules haploïdes pour une cellule diploïde entrant en méiose. La première division méiotique occupe une très grande partie de la méiose et permet la réduction du nombre des chromosomes et le brassage de l'information génétique.
- Spermiogenèse (spermatides): Les spermatides se différencient en spermatozoïdes matures, acquérant leur morphologie caractéristique (tête, pièce intermédiaire, flagelle). La spermiogenèse est un processus complexe par lequel les spermatides se transforment en spermatozoïdes capables de bouger et de féconder. Ce processus implique des changements comme (i) la formation du flagelle qui permet la mobilité; (ii) le développement de l'acrosome qui contient des enzymes protéolytiques nécessaires aux spermatozoïdes lors de l'interaction avec l'ovocyte; (iii) la condensation des chromosomes et des protéines du noyaux pour former la tête du spermatozoïde; (iv) l'élimination de l'"excès" de cytoplasme des spermatides; (v) le largage des spermatozoïdes dans la lumière du tube séminifère (spermiation) [3].
La spermatogenèse est un processus continu et cyclique. Chez l'adulte, le rythme d'entrée des spermatogonies en prolifération est régulier pour un tubule donné. La spermatogenèse peut être abordée sur trois aspects: (i) les aspects cellulaires qui soutendent la spermatogenèse ; (ii) les gènes qui orchestrent ce processus et (iii) les différents aspects pathologiques de la spermatogenèse.
Rôle des Cellules de Sertoli
Les cellules de Sertoli jouent un rôle crucial dans le développement des cellules germinales et dans la régulation de la spermatogenèse. En effet, ce sont les cellules de Sertoli qui reçoivent les messages hormonaux (testostérone, FSH) et un grand nombre de signaux locaux (facteurs de croissance). Les cellules de Sertoli vont alors sécréter d'autres facteurs qui moduleront les fonctions des cellules de Sertoli elles-mêmes, et des cellules voisines, les cellules de Leydig et surtout les cellules germinales.
La barrière hématotesticulaire formée par les jonctions spécialisées présentes entre les cellules de Sertoli divise le tubule séminifère en un compartiment basal et un compartiment adluminal. Cette barrière permet aux différentes étapes de la méiose et de la spermiogenèse de s'effectuer dans un environnement spécifique et isolé du milieu intérieur et en particulier du système immunitaire. La barrière hématotesticulaire est indispensable au bon déroulement de la spermatogenèse.
Les cellules de Sertoli jouent un rôle clé dans la libération des spermatozoïdes dans la lumière des tubes séminifères. Ce processus est complexe et implique l'expulsion des spermatides (tardives) à partir des cryptes sertoliennes vers la lumière. L'encapsulation des spermatides par les processus cytoplasmiques, la libération des têtes des spermatides de la région apicale des cellules de Sertoli puis le détachement et enfin la phagocytose des corps résiduels.
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Les cellules de Sertoli du fait de la barrière hématotesticulaire doivent produire certaines protéines sériques indispensables à la spermatogenèse, telles que l'ABP (androgen binding protein), et la transferrine.
Anomalies Génétiques et Spermatogenèse
Une anomalie génétique (mutation ou anomalie chromosomique) peut perturber la fabrication des protéines. Elle donne en quelque sorte de « mauvais ordres » pour les fabriquer avec pour conséquence : une absence de fabrication, un excès de fabrication ou une fabrication anormale. Une anomalie génétique n’aboutit pas toujours à une maladie. Certaines erreurs de fabrication peuvent passer totalement inaperçues ou ne s’exprimer qu’en fonction de l’environnement. Dans certains cas, le rôle des gènes est déterminant dans le risque de développer une maladie génétique.
L’ADN (chromosomes, gènes) de chaque humain est pour moitié hérité de son père, pour moitié hérité de sa mère. Toutes les maladies génétiques ne se transmettent pas de la même manière (cela dépend de leur mécanisme génétique). Une maladie génétique n’est pas systématiquement héritée. L’anomalie génétique peut survenir de façon accidentelle lors de la fabrication des gamètes (spermatozoïde, ovocyte) ou très tôt après la fécondation. C’est ce qu’on appelle des mutations de novo. L’anomalie génétique peut survenir dans une autre cellule qu’un gamète. Elle ne concerne alors que quelques cellules au sein de l’organisme. La mutation est dite "acquise" : elle n’est pas transmissible et n’a pas été héritée. Ces cellules peuvent être à l’origine de cancers.
Impact sur la Fertilité et le Développement Embryonnaire
En cas d’anomalie du spermatozoïde, on pourra constater des problèmes, au tout début du développement embryonnaire, qui se répercuteront plus ou moins tardivement : au moment de l’implantation ou après quelques semaines de grossesse. Les altérations de la spermatogénèse peuvent aussi avoir un impact sur la fragmentation.
Evenson et ses Collaborateurs ont mis au point une méthode d’analyse qui évalue la qualité de l’ADN des spermatozoïdes en cytométrie de flux (technique SCSA : Sperm Chromatine Structure Assay). Elles permettent toutes une évaluation du taux de fragmentation de l’ADN. Toutefois les différentes techniques n’abordent pas l’analyse de la fragmentation de la même manière et ne mettent pas en évidence les mêmes impacts de la fragmentation sur l’ADN. En règle générale, Un indice sup. à 30% peut déjà expliquer l’échec répété en AMP.
Apoptose et Élimination des Cellules Germinales Anormales
Le mécanisme d'apoptose permettrait ainsi d'éliminer les cellules (spermatogonies ou spermatocytes) où il y a eu une défaillance de la réparation de l'ADN (mitoses dans le cas des spermatogonies, recombinaison génétique dans le cas des spermatocytes pachytènes). Ce processus d’apoptose devrait aussi permettre l’ajustement du nombre des cellules germinales par rapport au nombre des cellules de Sertoli qui est constant [4]. Le processus de l'apoptose pourrait aussi jouer un rôle dans le positionnement des cellules germinales par rapport aux cellules de Sertoli.
En effet, au niveau des cellules germinales l’apoptose est observée à deux moments critiques: (i) lors de la phase la plus importante de multiplication des spermatogonies (spermatogonies A2), (ii) lors de la méiose (anaphase) avant l’appariement des chromosomes homologues. A ces stades, il existe un risque important de dommage au niveau de l’ADN. Classiquement, quand il y a dommage au niveau de l'ADN d'une cellule, il y a arrêt puis réparation avant le départ dans le cycle cellulaire. Il semblerait que pour les cellules germinales (destinées à devenir des spermatozoïdes c’est-à-dire des cellules qui transmettent le patrimoine génétique d’un individu), l'apoptose soit une voie privilégiée et urgente pour éliminer les cellules ayant un ADN endommagé.
Analyse du Sperme: Évaluation de la Qualité Génétique
L’étude des caractéristiques du sperme demeure le maître examen dans l'évaluation de la fertilité masculine. Il constitue le reflet de l'activité testiculaire et des évènements post-gonadiques.
Plusieurs paramètres sont analysés lors d'un spermogramme, notamment :
- Concentration: Nombre de spermatozoïdes par millilitre de sperme.
- Mobilité: Pourcentage de spermatozoïdes mobiles. L’étude de la mobilité doit s’effectuer à 37°C (lame préchauffée). Dans ces conditions, l’espace obtenu entre lame et lamelle sera de l’ordre de 20 micromètres. L’évaluation de la mobilité se fait sur 100-200 spermatozoïdes. L’asthénozoospermie définie une mobilité diminuée, en dessous des normales données ci-dessus.
- Vitalité: Pourcentage de spermatozoïdes vivants. La vitalité permet de connaître Le nombre de spermatozoïdes vivants sur 100 spermatozoïdes observés. Ce pourcentage est particulièrement intéressant à connaître quand le nombre des spermatozoïdes mobiles est très faible ou nul.
- Morphologie: Pourcentage de spermatozoïdes de forme normale. C’est le plus utilisé. Le spermocytogramme permet de connaître le pourcentage de forme typiques (normales) dans un sperme donné.
- Présence d'anticorps anti-spermatozoïdes: Ou encore de particules de latex (immunobilles) capables de réagir, suivant leur composition, sur les anticorps de type IgG ou IgA (ou IgM). Les anticorps anti-spermatozoïdes peuvent quelquefois être mis en évidence lors d’un test de Hühner où, en leur présence, de nombreux spermatozoïdes ébauchent un oscillement caractéristique en paraissant accrochés à la glaire (shaking phenomenon) . Ceci est dû à la présence d’IgA. Les auto-anticorps antispermatozoïdes sont retrouvés, selon les auteurs, dans 3 à 8 % des cas.
- Fragmentation de l'ADN: Mesure de l'intégrité de l'ADN des spermatozoïdes.
Influence de l'Environnement et du Mode de Vie
L'environnement et le mode de vie peuvent influencer la qualité du sperme et le patrimoine génétique des spermatozoïdes. Des facteurs tels que le stress, l'alimentation, l'exposition à des toxines et certaines habitudes (tabagisme, consommation excessive d'alcool) peuvent affecter la spermatogenèse et augmenter le risque d'anomalies génétiques.
L'Empreinte Génomique
Chez les mammifères, le génome des descendants est constitué de gènes provenant, à part égale, de la mère et du père. Or, cette origine détermine l’activité ou non des gènes hérités. Ce phénomène, dénommé « empreinte génomique », repose sur l’intrication complexe de plusieurs mécanismes.
Selon de nombreuses études sur l’homme et la souris, leur nombre est estimé à environ 170. Comme tout gène, ils sont présents en deux copies (maternelle et paternelle), à une différence fondamentale près : seule l’une des deux copies s’exprime, tandis que l’autre demeurera silencieuse tout au long de la vie de l’individu.
Au centre de ce conflit, désormais à l’équilibre, les gènes soumis à l’empreinte génomique jouent un rôle crucial durant le développement et la croissance, ainsi que dans l’homéostasie (régulation de fonctions physiologiques vitales) et le comportement.
Lors de la formation des cellules sexuelles (spermatozoïdes et ovules), des séquences régulatrices essentielles dénommées ICR (‘Imprinting Control Regions’), nichées dans les régions chromosomiques soumises à l’empreinte, sont méthylées chez un sexe, mais pas chez l’autre. Lorsque les deux copies sont mises en présence, après la fécondation, leur différence de méthylation de l’ICR est maintenue et conditionne lequel des deux allèles s’exprimera.
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