Introduction
Chez les eucaryotes, la reproduction sexuée est un processus fondamental qui repose sur la fusion de deux gamètes haploïdes : l'ovocyte chez la femelle et le spermatozoïde chez le mâle. Cette fusion conduit à la formation d'un embryon, porteur de l'information génétique des deux parents. La méiose, le type de division cellulaire qui produit ces gamètes, est un processus complexe et délicat. Chez la femme, elle est étonnamment sujette aux erreurs de ségrégation des chromosomes, ce qui soulève des questions importantes sur les mécanismes à l'origine de ces défauts. Comprendre ces mécanismes est donc un enjeu sociétal majeur.
Divisions Cellulaires et Méiose dans l'Ovocyte
Il existe deux types de divisions cellulaires chez les eucaryotes : la mitose, qui concerne les cellules somatiques (2n chromosomes), et la méiose, qui produit les gamètes haploïdes (n chromosomes), ovocytes chez la femelle et spermatozoïdes chez le mâle. Chez les mammifères, les ovocytes entrent en méiose durant la vie fœtale, avant la naissance, puis se bloquent rapidement en prophase de première division méiotique (prophase I), où ils restent arrêtés pendant de nombreuses années, jusqu’à la reprise de la méiose à partir de la puberté.
À partir de la puberté, sous l’effet d’une hormone induisant la maturation, les ovocytes reprennent la méiose et enchaînent deux divisions méiotiques asymétriques successives, sans réplication intermédiaire de l’ADN. La moitié des chromosomes homologues est expulsée dans les globules polaires, tandis que l’ovocyte conserve l’autre moitié du contenu génomique ainsi que les réserves maternelles indispensables au développement du futur embryon. L’anaphase I et l’expulsion du premier globule polaire ont lieu environ 8 heures après la rupture de l’enveloppe nucléaire (NEBD, Nuclear Envelope Breakdown). L’ovocyte entre directement en seconde division de méiose (méiose II) et le fuseau de microtubules se reforme sous et parallèlement au cortex cellulaire. L’ovocyte reste bloqué en métaphase II, avec les chromosomes alignés sur la plaque équatoriale du fuseau de division. L’ovocyte n’est libéré de ce deuxième blocage que par la fécondation, conduisant à l’anaphase II, suivie de l’expulsion du deuxième globule polaire. La fécondation induit la sortie de méiose, par une seconde division asymétrique en taille produisant un gros embryon au stade 1-cellule (zygote), et un second petit globule polaire. Les globules polaires vont dégénérer.
Le Fuseau de Division et son Positionnement
La position du fuseau de division dans la cellule détermine l’endroit où la cellule mère se divise, et constitue donc un élément essentiel de contrôle de la géométrie ainsi que du devenir des cellules filles. Lors de la mitose, les microtubules astraux qui relient les pôles du fuseau de division au cortex cellulaire sont nucléés par les centrosomes et permettent le positionnement du fuseau au sein de la cellule. Cependant, les ovocytes des mammifères sont dépourvus de centrosomes canoniques. Lors de la méiose, le positionnement du fuseau ne dépend pas des microtubules astraux, qui sont absents des pôles des fuseaux méiotiques, mais uniquement de l’actine organisée en deux réseaux distincts. Au niveau de la cage d’actine, le moteur moléculaire myosine II exerce des forces de traction sur le cortex ovocytaire, permettant le mouvement du fuseau.
Au cours de leur croissance dans l’ovaire, les ovocytes sont arrêtés en prophase I de la méiose. À partir de la puberté, sous l’effet d’une hormone induisant la maturation, les ovocytes reprennent la méiose et enchaînent deux divisions méiotiques asymétriques successives, sans réplication intermédiaire de l’ADN. Après la rupture de l’enveloppe nucléaire (NEBD), les chromosomes se condensent, et le fuseau de microtubules se forme dans la région centrale de l’ovocyte. Les chromosomes homologues s’alignent progressivement sur la plaque équatoriale du fuseau de division en métaphase I, pendant que le fuseau migre, selon son grand axe, vers la zone du cortex cellulaire la plus proche. Cela permet une division asymétrique en taille après l’anaphase I, qui répartit les chromosomes homologues entre le gros ovocyte et le premier petit globule polaire.
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Propriétés Mécaniques du Cortex Ovocytaire et Myosine II
Contrairement à celui des cellules mitotiques, le cortex de l’ovocyte devient donc « mou » à l’entrée en méiose I. Ce changement de propriétés mécaniques du cortex amplifie un déséquilibre initial des forces exercées par la myosine II au niveau de la cage d’actine, les forces étant probablement plus fortes au pôle du fuseau le plus proche du cortex en raison d’une légère asymétrie initiale dans la position du fuseau. Le déplacement du fuseau est amplifié vers le cortex le plus proche par une déformation progressive du cortex, rendue possible par la baisse de la tension corticale. Ainsi, la géométrie de la division dépend d’une fenêtre étroite de tension corticale, contrôlée par la localisation au cortex de la myosine II, elle-même contrôlée par la nucléation d’actine à cet emplacement. En effet, les ovocytes et embryons présentant un cortex cellulaire trop dur ou trop mou ne se développent pas après le stade blastocyste.
Lors de l’entrée en méiose I (NEBD), deux réseaux d’actine se mettent progressivement en place, tous deux essentiels à la migration du fuseau du centre de l’ovocyte vers le cortex cellulaire. Le premier est un réseau cytoplasmique comprenant une cage d’actine entourant le fuseau de microtubules, sur laquelle la myosine II exerce des forces de traction. Le second est un épaississement cortical d’actine, qui exclut la myosine II du cortex, diminuant ainsi la tension corticale. Le cortex de l’ovocyte en méiose I devient donc mou. Il est possible d’obtenir des ovocytes trop mous, un défaut relativement fréquent dans une population naturelle d’ovocytes murins et humains. Les ovocytes trop mous chassent trop précocement la myosine II du cortex cellulaire, dès la prophase I. La myosine II s’accumule alors dans le cytoplasme et le fuseau de l’ovocyte, ce qui gêne la capture des chromosomes par le fuseau, entraînant de l’aneuploïdie.
Conséquences d'une Tension Corticale Anormale
Les ovocytes dont la tension corticale est trop basse représentent le cas le plus fréquent dans une population naturelle d’ovocytes murins et humains. Afin d’en augmenter encore le nombre, des outils capables de diminuer la tension corticale ont été développés. Une analyse approfondie du comportement des chromosomes au cours de la méiose I a montré qu’ils « explorent » plus d’espace dans ces ovocytes « extra-mous », ce qui pourrait indiquer un défaut de capture des chromosomes homologues par les microtubules du fuseau. Une mesure indirecte de la tension entre les chromosomes homologues attachés par leurs kinétochores au fuseau de microtubules indique que les chromosomes sont moins sous tension.
La myosine II étant chassée précocement du cortex cellulaire dans les ovocytes extra-mous, son accumulation ectopique dans le cytoplasme pourrait gêner la capture des chromosomes par les microtubules. L’accumulation anormale de la myosine II dans le cytoplasme et sur le fuseau des ovocytes extra-mous pourrait indirectement perturber la capture des chromosomes. L’alignement des chromosomes est donc sévèrement altéré dans les ovocytes présentant une tension corticale trop basse, du fait d’une anomalie de répartition de la myosine II : celle-ci se dissocie précocement du cortex cellulaire, induisant une forte diminution de la tension corticale, et sa concentration globale augmente dans le cytoplasme. Sa fixation aux chromosomes pourrait créer un encombrement stérique local, empêchant la capture des chromosomes et conduisant à des défauts d’alignement et de ségrégation des chromosomes. Ces résultats décrivent un mode de production d’aneuploïdie qui pourrait être très courant dans les gamètes femelles. Ainsi, certains de ces ovocytes « naturellement mous » pourraient également présenter des défauts chromosomiques entravant leur développement futur après la fécondation, et contribuant au taux d’aneuploïdie élevé observé dans les gamètes femelles.
Structure de l'Ovaire et Ovogenèse
L'ovaire Mature
À la puberté, l'ovogénèse se poursuit sous l'action des hormones gonadotropes hypophysaires FSH (hormone stimulant le follicule) et LH (hormone lutéinisante). A ce stade, au cours de chaque cycle ovarien, environ 20 follicules primordiaux, follicules non développés, débutent le processus de maturation. Généralement un seul d'entre eux arrive à maturation complète et à ovulation. Les autres dégénèrent (atrésie) avant ovulation. Après ovulation s'il n'y a pas de fécondation le follicule mature fini également par dégénérer. La maturation d'un follicule et stimulées par la FSH et se traduit par des modifications de l'ovocyte, tels que poursuite de la méiose et modifications structurales permettant de caractériser les différents stade de maturation du follicule.
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Dans l'ovaire mature, on peut identifier 4 types de follicule du moins volumineux au plus volumineux:
- Les follicules primordiaux
- les follicules primaires
- les follicules secondaires
- les follicules de de Graaf.
(1) Les follicules primordiaux constitués d'un ovocyte entouré d'un couche unique de cellules folliculeuses aplaties. (2) les follicules primaires se distingue par un ovocyte plus volumineux et les cellules folliculeuses ont proliférées pour former une couche épaisse de cellules cubiques appelées cellules de la granulosa. Une épaisse couche, zone pellucide, se forme entre les cellules de la granulosa et l'ovocyte. Cette couche homogène est formée par des glycoprotéines et des protéoglycanes acides. Les cellules stromales autour du follicule s'organisent et forment une couche de cellules appelée thèque folliculaire. Le follicule primaire poursuit sa croissance et les cellules de la granulosa continuent à proliférer pour former une couche de plusieurs cellules nommée couche granuleuse ou granulosa. (3) les follicules primaires poursuivent leur croissance pour donner naissance aux follicules secondaires. Des espaces remplis de liquide se forme entre les cellules de la granulosa et fusionnent formant une cavité: l'antre folliculaire, dans laquelle le liquide folliculaire est stocké. Au stade de follicule secondaire l'ovocyte presque mature se positionne de manière excentré au sein d'une zone de la granulosa plus épaisse appelée cumulus oophorus. Les cellules de la thèques prolifèrent et forme deux couches distinctes, la thèque interne, accolée à l'ovocyte et la thèque externe formées de cellules fusiformes fusionnant avec les cellules du stroma environnant. Les cellules de la thèque interne produisent et sécrètent des précurseurs oestrogéniques. (4) Dans le follicule de de Graaf l'ovocyte achève la première division méiotique juste avant l'ovulation. L'antre folliculaire s'agrandit significativement. La granulosa forme une couche cellulaire d'épaisseur constante et au niveau de l'ovocyte les cellules de la granulosa formant le cumulus oophorus diminuent, formant une couche cellulaires d'épaisseur homogène autour de l'ovocyte appelée corona radiata. Durant cette dernière phase de maturation, le follicule mesure de 1,5 à 2, 5 cm de diamètre. Après l'ovulation, les cellules de la granulosa s'hypertrophient et forment le corps jaune.
Si la fécondation n'a pas lieu le follicule dégénère, ainsi que le corps jaune pour former des structures appelées corps albicans.
Structure de l'Ovaire chez Schmidtea mediterranea
Les observations en microscopie photonique ont montré que S. mediterranea possède deux ovaires qui sont situés juste en arrière du cerveau, du côté ventral, au dessus des deux cordons nerveux. À maturation, ils mesurent environ 260 μm suivant leur axe dorsoventral et 150 μm suivant leur grand axe antéropostérieur. Le tube oviductaire s’ouvre du côté postérodorsal de l’ovaire. De la périphérie vers le centre, dans la direction ventrodorsale, on observe différents types de cellules qui se distinguent par leur taille et leur affinité aux colorants. Leurs noyaux montrent des chromosomes plaqués contre la paroi nucléaire (stade pachytène). Toutes ces cellules sont donc au même stade de la méiose (prophase I). Les cellules les plus jeunes occupent une position périphérique. Elles sont interprétées comme des ovogonies. Elles mesurent 10 × 15 μm environ, et sont caractérisées par un noyau très volumineux (8-10 μm) et clair par rapport au cytoplasme. Les très jeunes ovocytes I se distinguent des ovogonies par leur taille un peu plus grande et par un cytoplasme moins basophile. Les ovocytes à différents stades de croissance sont disposés suivant un gradient axial d’évolution de taille, en direction ventrodorsale. La basophilie du cytoplasme diminue au fur et à mesure que la taille de l’ovocyte augmente. On peut distinguer des ovocytes moyens et des ovocytes submatures et matures. Les premiers sont caractérisés par un cytoplasme peu basophile et clair ; des inclusions cytoplasmiques commencent à y apparaître. Les ovocytes matures, de grande taille (50 μm), sont situés prés des tubules. En coupes semi-fines ils montrent un cytoplasme acidophile riche en inclusions sphériques très basophiles.
Étude de l’ovogenèse en microscopie électronique chez Schmidtea mediterranea
En plus des cellules germinales à différents stades de croissance, on peut distinguer des cellules accessoires.
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Les cellules accessoires
Ces cellules, aussi appelées cellules auxiliaires ou tout simplement cellules folliculeuse sont à la périphérie de l’ovaire et entre les ovocytes, et peuvent émettre entre ces derniers de longs prolongements cytoplasmiques. Elles sont caractérisées par leur taille plus petite que celles des cellules germinales et un rapport nucléoplasmique élevé. Leur noyau de forme irrégulière renferme un nucléole compact de forme sub-sphérique d’environ 4 μm de diamètre.
Différents stades de croissance ovocytaire
Ovogonies et très jeunes ovocytes
Les ovogonies et les très jeunes ovocytes se rencontrent dans la partie périphérique de l’ovaire, du côté ventral. Ils sont morphologiquement similaires aux cellules indifférenciées ou néoblastes. Ils renferment dans leur cytoplasme dense des gouttelettes lipidiques. Le noyau montre un contour irrégulier et une chromatine éparpillée dans le nucléoplasme avec quelques petits amas d’hétérochromatine plaqués le plus souvent contre la membrane nucléaire. Le nucléole sub-sphérique est excentrique et très dense ; il présente une structure granulaire et fibrillaire. Entre ces cellules, on note la présence de spermatozoïdes. Dans les très jeunes ovocytes, on note la présence des complexes synaptonémaux dans le noyau marquant la première division méiotique (prophase I). À ce stade, l’enveloppe nucléaire est percée de nombreux pores, et émet des vésicules à contenu très clair.
Ovocytes à des stades intermédiaires
Ce sont des cellules plus volumineuses que les précédentes. L’enveloppe nucléaire, très riche en pores, émet par le phénomène de délamination des lamelles annelées. De courts saccules de réticulum endoplasmique sont abondants dans l’espace périnucléaire, et se trouvent parfois en continuité avec la membrane nucléaire. Ces saccules délimitent un matériel fibrogranulaire semblable à celui observé dans le noyau. De petites masses d’un matériel finement granulaire dense aux électrons, les corps chromatoïdes, sont très souvent observés près du noyau, d’où leur origine probablement nucléaire. Ces agrégats mesurent environ 1,5 μm de diamètre et peuvent fusionner près du noyau avec les jeunes globules vitellins ou migrer vers le centre de l’ooplasme. À un stade plus avancé le cytoplasme, qui devient de plus en plus abondant, renferme occasionnellement des mitochondries à matrice dense, des dictyosomes en nombre considérable et surtout des citernes de réticulum endoplasmique granulaire qui deviennent plus nombreuses et plus volumineuses.
Vitrification Ovocytaire
La vitrification ovocytaire constitue une véritable révolution médicale dans la prise en charge des couples infertiles et pour la préservation de la fertilité féminine. C’est une technique de congélation ultra-rapide qui permet après déshydratation des ovocytes grâce à l’utilisation de Cryo protecteurs, d’obtenir une descente extrêmement rapide en température (de l’ordre de - 20 000 °C/min) garantissant l’intégrité des structures cellulaires. En effet, l’ovocyte étant la plus grosse cellule de l’organisme, les techniques de congélation lente utilisées avant l’apparition de la vitrification, causaient d’importants dégâts liés à l’apparition de cristaux intracellulaires. L’objectif était de trouver une technique de congélation des ovocytes avec la même efficacité que celle des spermatozoïdes ; afin d’apporter les mêmes chances d’autoconservation de gamètes aux femmes qu’aux hommes. Cette technique a permis de développer une nouvelle stratégie pour la prise en charge des couples infertiles en FIV. Lors d’une FIV avec micromanipulation, ICSI, la vitrification ovocytaire peut être proposée en alternative à la congélation des embryons surnuméraires dans plusieurs situations cliniques : réponse excessive à la stimulation, contre-indication au transfert, refus de congélation embryonnaire, absence de spermatozoïdes le jour de la tentative…
Fragmentation Embryonnaire et Globule Polaire
Durant les premiers jours, il arrive aux cellules de l’embryon humain de se fragmenter. Ce phénomène est courant et affecte la survie de l’embryon, en particulier dans le contexte de procréation médicalement assistée. Il a été découvert que ces fragments surviennent plus fréquemment chez la souris après la déstabilisation du fuseau mitotique. Durant la division cellulaire, si les chromosomes ne sont pas bien attachés au fuseau mitotique, ils peuvent se rapprocher anormalement de la surface. Cette séquence d’évènements rappelle un autre processus biologique : la formation du globule polaire lors de la formation de l’ovocyte. Ainsi, des signaux persistants depuis la formation de l’ovocyte sont à l’origine de problèmes rencontrés par l’embryon.
Accumulation de Réserves dans l'Ovocyte
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.
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