La fécondation, première étape de la vie, est un processus complexe et fascinant. Elle marque le début du développement d'un nouvel individu et représente la fusion des patrimoines génétiques des deux parents. Chez l'humain, la fécondation est longtemps restée un mystère, mais les progrès de la fécondation in vitro (FIV) ont permis d'observer et de comprendre les différentes étapes de ce processus vital. Cet article explore en détail les étapes clés de la fécondation humaine, de la préparation des gamètes à la formation du zygote.
Préparation des Gamètes : Capacitation et Maturation
La Capacitation du Spermatozoïde
Un spermatozoïde éjaculé ne peut pas directement féconder un ovocyte. Il doit d'abord subir une série de modifications dans les voies génitales femelles, un processus appelé capacitation. Cette capacitation se déroule principalement dans l'utérus et surtout dans l'oviducte.
Les modifications induites par les voies génitales femelles incluent :
- Modifications membranaires: Perte de cholestérol membranaire et concentration des radeaux lipidiques membranaires à l'avant de l'acrosome.
- Hyperactivation de la nage: Entrée de Ca2+ dans le cytoplasme, entraînant la phosphorylation et l'activation des dynéines flagellaires.
- Démasquage des récepteurs spermatiques: Perte des glycosides de surface ajoutés dans l'épididyme qui bloquent les récepteurs aux protéines de la zone pellucide de l'ovocyte.
- Réorganisation des microfilaments d'actine: Essentielle pour la future réaction acrosomiale.
Les voies de signalisation et les flux ioniques impliqués dans la capacitation sont complexes. 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. 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.
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. Les cellules entourant l’ovocyte sécrètent également la protéine CRISP1 qui se lie aussi à CatSper. Il modulerait la nage des spermatozoïdes à proximité du l’ovocyte et des cellules environnantes pour la rendre plus efficace.
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La Maturation de l'Ovocyte
Chez la femme, la réserve d’ovules dans les ovaires diminue avec l’âge. La femme naît avec un certain nombre d’ovocytes qui disparaissent progressivement. La maturation de l’ovocyte est en général achevée lors du recueil des ovocytes mais il arrive que quelques-uns des ovocytes soient encore immatures. En règle générale, un ovocyte tout à fait mature est fécondé ; un ovocyte incomplètement mature a moins de chances de débuter une fécondation et, s’il la débute, il a moins de chances de la terminer ; un ovocyte totalement immature a très peu de chances de débuter une fécondation et il ne la finit pas.
Les ovaires sécrètent des hormones, la progestérone et les oestrogènes. Ceux-ci, libérés à partir du cinquième jour, permettent à la muqueuse utérine de s’épaissir. Les follicules sont contenus dans le stroma cortical. Le follicule tertiaire se caractérise par l’apparition de la cavité folliculaire ou antrum dans la granulosa. Les cellules de la granulosa entourant l’ovocyte constituent le cumulus oophorus ou disque proligère. L’ovocyte a grossi et son noyau a la taille d’un follicule primaire. S’il est fécondé par un spermatozoïde, l’ovule devient une cellule-oeuf puis un préembryon et migre dans l’utérus.
Rencontre et Reconnaissance des Gamètes
Le Voyage du Spermatozoïde
Lors d’une relation sexuelle avec pénétration du vagin par le pénis, le vagin va recueillir des millions de spermatozoïdes. Constitués d’une tête et d’un flagelle, ils vont tenter de survivre et tracer leur voie jusqu’à l’ovule pour le féconder. En traversant la glaire cervicale, 50 % des spermatozoïdes sont en effet éliminés, notamment ceux qui ont des anomalies morphologiques (absence de tête, de flagelle, pas assez rapides…). Les autres poursuivent leur chemin.
Alors que l’ovule a été expulsé de l’ovaire et glisse dans l’une des trompes de Fallope, les spermatozoïdes - désormais dans l’utérus - vont remonter jusqu’à la trompe où se « cache » l’ovule. Aux 2/3 de la trompe de Fallope environ, les spermatozoïdes rejoignent l’ovule. Seuls 200 spermatozoïdes environ finiront par atteindre l’ovocyte.
La Zone Pellucide : Barrière et Reconnaissance
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.
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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. 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. 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.
La Réaction Acrosomiale : 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. Des réactions acrosomiales trop précoces peuvent aboutir à de l’infertilité. Son déclenchement est donc étroitement régulé.
Fusion des Membranes et Activation de l'Ovocyte
L'Interaction IZUMO-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. 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 devient rapidement indétectable de la surface cellulaire après la fécondation. 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.
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Activation de l'Ovocyte et Blocage de la Polyspermie
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.
Formation du Zygote et Début du Développement Embryonnaire
Reprise de la Méiose et Formation des Pronoyaux
Au cours de cette nouvelle journée, dans chaque zygote, les chromosomes des deux noyaux s’assemblent. Les gamètes sont des cellules haploïdes ; leur fusion permet de rétablir la diploïdie habituelle des animaux. On peut savoir s’il y a eu fécondation si deux petits noyaux sont nettement visibles au centre de l’ovocyte, l’un d’entre eux est le noyau mâle, l’autre le noyau femelle. C'est à partir de la fécondation que la vie de notre futur bébé débute.
Premières Divisions Cellulaires
Les zygotes deviennent des embryons de deux à quatre cellules en 24 heures, puis de six à huit cellules 24 heures plus tard. Dans la majorité des cas, les embryons sont transférés deux à trois jours après la ponction dans l’utérus. Le transfert embryonnaire est un geste simple et indolore qui est parfois pratiqué sous contrôle échographique. Il est réalisé au moyen d’un cathéter fin et souple introduit par voie vaginale dans l’utérus, la patiente étant allongée en position gynécologique. L’embryon est déposé à l’intérieur de l’utérus.
Fécondation In Vitro (FIV) et Techniques d'Assistance Médicale à la Procréation (AMP)
Principes de la FIV
Les techniques de PMA sont dites « in vitro » puisque la fécondation se passe en dehors du corps de la femme. L’objectif de la stimulation, un traitement hormonal administré par injection, est d’une part d’obtenir le développement simultané de plusieurs follicules et d’autre part de pouvoir prélever des ovocytes avant l’ovulation. Ce traitement est surveillé de façon adaptée par des échographies et des dosages hormonaux. Lorsque les follicules seront matures, le déclenchement de l’ovulation. Elle est réalisée par voie vaginale sous contrôle échographique, et sous anesthésie ou analgésie. Après la ponction, les liquides folliculaires contenant les ovocytes (ou ovules) sont transmis au laboratoire. Le recueil du sperme par masturbation a lieu au laboratoire. Le sperme est ensuite préparé sur place le jour de la ponction ovarienne.
Après le recueil et la préparation, les spermatozoïdes sont simplement déposés au contact des ovocytes dans une boîte de culture contenant un milieu liquide nutritif et placée dans un incubateur à 37° C. Les spermatozoïdes mobiles viennent spontanément, sans aide extérieure, au contact de l’ovocyte. Un seul spermatozoïde fécondera celui-ci. Dans certaines situations, la technique de la FIV peut être associée à l’ICSI : un seul spermatozoïde.
ICSI et IMSI : Techniques Avancées
L’ICSI (Injection Intracytoplasmique de Spermatozoïde) consiste à injecter directement un spermatozoïde dans l’ovocyte. L’IMSI (Injection Magnifiée de Spermatozoïde) suit le même procédé, à la seule différence que l’observation des spermatozoïdes se fait avec un microscope spécial. Il est alors possible grâce à l’IMSI, d’observer des détails qui ne sont pas visibles autrement. Par exemple, la structure de la tête. Si celle-ci présente des vacuoles (sortes de petits cratères), cela laisse supposer qu’il est probable que la fragmentation de l’ADN du sperme est trop importante pour permettre une naissance. Les premiers résultats montrent que cette technique est prometteuse : augmentation du taux d’implantation et diminution du taux de fausses couches.
Applications Médicales et Contraception
La fécondation humaine fait actuellement l'objet de nombreux travaux visant à en comprendre les mécanismes. L'application médicale la plus fréquente est le diagnostic d'infertilité. Il s'agit d'identifier l'étape éventuellement défectueuse, permettant de choisir la technique d'assistance médicale à la procréation (AMP) la plus appropriée, depuis la « simple » insémination de spermatozoïdes jusqu'à la micro-injection intracytoplasmique d'un spermatozoïde qui court-circuite toutes les premières étapes de la fécondation.
L'autre application médicale pourrait être, à l'inverse, la contraception lorsque la connaissance des mécanismes de la fécondation permettra de découvrir de nouveaux moyens de la bloquer.
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