Introduction
Chaque individu est issu d'une cellule œuf à 46 chromosomes, résultat de la fécondation entre un gamète mâle (spermatozoïde) et un gamète femelle (ovule). Cet article explore en profondeur la formation de 16 ovules différents génétiquement, un processus fondamental pour la diversité génétique.
Les Chromosomes des Gamètes
Un ovule possède 23 chromosomes, tout comme un spermatozoïde. Le caryotype des gamètes est donc deux fois plus petit (23 chromosomes) que celui d'une cellule humaine (46 chromosomes). De plus, sur le caryotype des gamètes, il n'y a qu'un seul chromosome sexuel (X pour l'ovule, et X ou Y pour le spermatozoïde), contre deux pour une cellule d'un organisme humain. Les caryotypes des gamètes montrent un seul chromosome pour chaque paire de chromosomes, soit 23 chromosomes au total. Pour la paire n°23, on trouve toujours le chromosome X pour l'ovule, et soit le chromosome X, soit le chromosome Y pour le spermatozoïde.
Obtention de cellules à une chromatide par paire
On obtient des cellules à 1 chromosome par paire (gamètes) grâce à deux divisions successives :
- La première division sépare les chromosomes de chaque paire, aboutissant à deux cellules à un chromosome double/paire.
- La deuxième division sépare les chromatides, aboutissant à quatre cellules à 1 chromosome simple/paire.
Fécondation et Répartition des Allèles
La fécondation permet le retour au caryotype de l'espèce en associant les 23 chromosomes du spermatozoïde aux 23 chromosomes de l'ovule.
La Détermination du Sexe d'un Individu
- Ovule (22 chromosomes + X) + Spermatozoïde (22 chromosomes + Y) → 44 Chromosomes + X et Y → Masculin
- Ovule (22 Chromosomes + X) + Spermatozoïde (22 Chromosomes + X) → 44 Chromosomes + 2 X → Féminin
Le sexe de la cellule œuf est donc déterminé par le chromosome sexuel porté par le spermatozoïde. Lors d'une fécondation, il y a une chance sur deux d'avoir un garçon ou une fille.
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Origine d'une Maladie Génétique
Des parents sains, mais porteurs d'un allèle anormal qui ne s'exprime pas, peuvent avoir un enfant présentant une maladie génétique lorsque la fécondation réunit deux gamètes porteurs de l'allèle anormal. Par exemple:
- Ovocyte avec chromosome 7 porteur de l'allèle N + Spermatozoïde avec chromosome 7 porteur de l'allèle N → Individu sain (NN)
- Ovocyte avec chromosome 7 porteur de l'allèle N + Spermatozoïde avec chromosome 7 porteur de l'allèle M → Individu porteur sain (NM)
- Ovocyte avec chromosome 7 porteur de l'allèle M + Spermatozoïde avec chromosome 7 porteur de l'allèle M → Individu malade (MM)
Origine d'une Anomalie Chromosomique
Lors de la première division, les deux chromosomes d'une paire peuvent migrer anormalement du même côté, ce qui aboutira à un gamète ayant deux chromosomes pour une même paire, et un gamète n'en ayant pas pour cette même paire.
Intervention du Hasard dans la Production Sexuée
Lors de la formation des gamètes, la répartition des chromosomes de chaque paire qui porte des allèles différents, se fait au hasard. Il y a de très nombreuses combinaisons différentes pour un individu, environ 2^23.
Le Hasard à la Fécondation
La cellule œuf est issue de la fécondation qui réunit aléatoirement deux gamètes possédant une combinaison unique d'allèles. Lors d'une fécondation, des gamètes possédant une anomalie de nombre de chromosomes, induira la formation d'une cellule œuf à caryotype anormal.
Un individu issu de la reproduction sexuée est le fruit d'une double intervention du hasard (lors de la formation des gamètes et de la fécondation), il est alors le résultat d'une des milliards de combinaisons possibles. Son programme génétique est donc unique.
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Définitions Essentielles
- Gamètes: Cellules reproductives masculines et féminines : spermatozoïdes et ovules.
- Fécondation: Fusion entre un élément mâle (spermatozoïde) et un élément femelle (ovule) pour donner une cellule unique, l'œuf qui sera à l'origine de l'embryon.
- Allèle: Une variante donnée d'un gène au sein d'une espèce. Tous les allèles d'un même gène occupent le même locus (emplacement) sur un même chromosome.
- Maladie Génétique: Maladie causée par une anomalie du matériel génétique situé au niveau de la séquence d'ADN à un locus donné, ou au niveau du caryotype.
Ovogenèse: Formation et Maturation de l'Ovule
Ovocytes et Cellules Nourricières
Lors de la fécondation, le spermatozoïde n’apporte qu’un noyau, un centriole, quelques mitochondries et quelques protéines et microARN. Le cytoplasme du zygote est donc en immense majorité hérité de l’ovocyte.
Chez la drosophile, une femelle possède deux ovaires composés d’environ 18 ovarioles, chacun pouvant être considéré comme une chaîne de production d’œufs. Le germarium, qui contient des cellules souches somatiques et germinales, se trouve à l’extrémité antérieure de l’ovariole. Il y a 2 à 3 cellules souches germinales par ovariole qui sont maintenues dans une niche particulière près des cellules de la coiffe qui leur envoient des signaux (notamment Dpp, l’orthologue chez la drosophile des BMP) qui inhibent leur différenciation (en inhibant l’expression du gène Bam). 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.
Développement de l'Ovariole de Drosophile
Le germarium est le tissu le plus antérieur de l’ovaire de la drosophile où les ovocytes se développent à partir de cellules issues des cellules souches germinales. Les cellules folliculaires se développent quant à elles à partir de cellules souches folliculaires situées dans une région plus postérieure (région 2a). L’assemblage se fait d’avant en arrière (de gauche à droite). Les cellules de la coiffe et les cellules accompagnatrices constituent la niche des cellules souches germinales, fournissant un support physique et des signaux chimiques aux cellules souches germinales (orange). Les cellules de la coiffe produisent notamment Dpp (Decapentaplegic, l’orthologue des BMP) et Hedgehog qui sont cruciaux pour le maintien des cellules souches germinales.
Les cellules souches germinales se divisent de manière asymétrique pour produire une nouvelle cellule souche germinale et une cellule fille qui quitte la niche des cellules souches et se différencie en un cystoblaste. Le cystoblaste entre dans la zone de différenciation où il se divise quatre fois avec une division incomplète (sans cytokinèse) pour former un cyste germinal composé de 16 cystocytes reliés par des ponts cytoplasmiques et un organite cytosquelettique appelé fusome (représenté par des structures ramifiées rouges dans les cystocytes). Tous ces événements ont lieu dans la région 1 de l’ovariole, la région plus antérieure. Dans la région 2a, l’ovocyte se développe davantage, et à la frontière entre les régions 2a et 2b, le cyste à 16 cellules passe à côté des cellules souches folliculaires, qui donnent naissance aux cellules accompagnatrices, aux cellules précurseurs du follicule et aux cellules polaires. Les cellules folliculaires encapsulent le cyste de la lignée germinale pour former un follicule de stade 1 qui bourgeonne à l’extrémité postérieure du germarium dans la région 3. Un follicule de stade 1 se compose de 15 cellules nourricières interconnectées et d’un ovocyte, entourés par les cellules folliculaires.
Communication Cellulaire et Polarisation de l'Ovocyte
Une cellule souche germinale se divise et l’une des cellules reste très proche des cellules de la coiffe qui sécrètent Dpp qui active une voie de signalisation qui empêche l’activation de la transcription de Bam. Cette cellule reste une cellule souche germinale. L’autre cellule se retrouve plus éloignée des cellules de la coiffe et en l’absence de Dpp active l’expression de Bam et la cellule devient un cytsoblaste. Ce cystoblaste subit ensuite quatre divisions incomplètes (sans cytokinèse) ce qui forme un cyste germinal composé de 16 cystocytes reliés par des ponts cytoplasmiques. 15 cellules germinales appelées cellules nourricières avec qui il garde contact par des ponts cytoplasmiques. des cellules folliculaires qui appartiennent à la lignée somatique et qui forment une couche épithéliale autour de l’ensemble des 16 cellules germinales. L’ovocyte s’attache aux cellules folliculaires par des interactions médiées par la E-cadhérine. Le développement des cellules germinales et des cellules folliculaires est interdépendant.
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L’ovocyte, qui est en position postérieure dans le germarium, induit via la voie Gurken/Torpedo (orthologue à EGFR des Vertébrés) les cellules folliculaires terminales adjacentes à adopter un destin postérieur plutôt qu’antérieur. Ces cellules folliculaires postérieures signalent ensuite à l’ovocyte de polariser les microtubules le long d’un axe qui sera l’axe antéro-postérieur du futur embryon (pôle - du côté antérieur, pôle + du côté postérieur). Cette réorganisation nécessite l’activité de la PKA au pôle postérieur de l’ovocyte qui est activée par des signaux en provenance des cellules folliculaires postérieures.
Rôle de Notch et Gurken dans la Différenciation Cellulaire
Les cellules germinales exprimaient Delta à leur surface. Les cellules folliculaires exprimaient Notch et avaient ainsi activé la voie de signalisation correspondante. Si on empêche cette interaction Delta-Notch, les cellules folliculaires ne sont pas assez différenciées et ne répondent pas correctement au signal inducteur Gurken. Il s’ensuit que les cellules folliculaires postérieures ne sont pas bien induites et qu’elles ne peuvent pas envoyer en retour le bon signal pour polariser l’ovocyte.
Les interactions entre l’ovocyte et les cellules folliculaires environnantes sont aussi essentielles pour établir l’axe dorso-ventral de l’embryon avant même la fécondation. Le noyau de l’ovocyte, localisé initialement en position antéro-dorsale, contrôle la localisation de la protéine Gurken qui se lie au récepteur Torpedo (EGFR) sur les cellules folliculaires dorsales adjacentes, inhibant ainsi l’expression du gène pipe dans cette région. À l’opposé, les cellules folliculaires ventrales expriment Pipe, une sulfotransférase qui modifie le protéoglycanne Vitelline Membrane Protein 2 (Vm32E), générant un signal ventral diffusible traversant la membrane vitelline ; ce signal active le récepteur Toll à la surface de l’ovocyte, déclenchant une cascade protéolytique (Spätzle, Snake, Easter) qui libère le facteur de transcription Dorsal du complexe inhibiteur Cactus.
Développement des Follicules de Mammifères
Chez la femme, tout ce processus prend 190 jours avant d’arriver au cycle final où l’un des follicules de cette cohorte devient dominant et sera celui dont l’ovocyte sera ovulé. Les autres follicules entrent en atrésie et dégénèrent.
La Zone Pellucide et la Communication Cellulaire
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. Les ovocytes de souris grandissent d’environ 12 µm (ovocyte immature) à 80 µm de diamètre (ovocyte complètement développé) en 2 à 3 semaines. La ZP finit par avoir un peu plus de 6 µm d’épaisseur.
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. Les ovocytes ne peuvent pas métaboliser le glucose et les cellules environnantes lui envoient du pyruvate et du lactate par ces jonctions. La présence des jonctions gap est diminuée au moment de l’ovulation et de la reprise de la méiose (qui était bloquée en prophase I). Cela permet de découpler les taux d’AMPc et de GMPc dans les deux types de cellules (baisse chez l’ovocyte, maintien chez les cellules environnantes), ce qui est nécessaire pour la reprise de la méiose. Avant l’ovulation, l’ovocyte sécrète BMP-15 qui est nécessaire à la survie des cellules folliculaires. Suivant le pic de LH qui provoque l’ovulation, les cellules de la corona radiata sécrètent de l’acide hyaluronique dans la matrice extracellulaire ce qui favorise l’ovulation. La coopération existe donc bel et bien entre l’ovocyte et ses cellules somatiques environnantes chez les Mammifères tout comme chez la drosophile.
Accumulation de Réserves Énergétiques: Le Vitellus
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.
Classification des Ovocytes selon la Quantité de Vitellus
Les ovocytes sont classés selon la quantité de vitellus accumulée au cours de l’ovogénèse.
- Ovocytes télolécithes: (tels ceux des Sauropsidés ou des Téléostéens) ont des quantités très importantes de réserves qui s’accumulent progressivement dans l’ovocyte. Le vitellus empêche les divisions cellulaires au cours du développement embryonnaire. 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.
- 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. 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.
- 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. Avant son implantation dans la paroi de l’utérus, l’embryon vit libre dans la lumière des voies génitales femelles.
Méiose: La Division Cellulaire Spécialisée
Lors de la fécondation, un spermatozoïde du père fusionne avec un ovule de la mère pour former une cellule-œuf, qui va se diviser pour former un nouvel être vivant. Dans les ovaires et les testicules, les gamètes sont formés par une division cellulaire appelée méiose.
La méiose est une division cellulaire qui permet de former des gamètes en sélectionnant, au hasard, un chromosome sur chacune des paires des parents. Les spermatozoïdes et les ovules ne possèdent ainsi que 23 chromosomes, donc deux fois moins de chromosomes que les autres cellules du corps.
On constate que la cellule commence par dupliquer son ADN puis qu’elle subit deux divisions successives, ce qui permet d’obtenir deux fois moins d’ADN qu’au départ. La première division de la méiose permet de séparer les deux chromosomes d’une même paire. La deuxième division de la méiose permet de séparer les deux chromatides d’un même chromosome.
Lors de la méiose, la répartition des chromosomes dans les cellules-filles se fait au hasard : il y a donc plusieurs combinaisons de chromosomes possibles dans les gamètes. Lors de la fécondation, le hasard entre de nouveau en jeu : un spermatozoïde va rencontrer un ovule de façon aléatoire pour former une cellule-œuf.
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