La fécondation, première étape de la conception d'un enfant, est un processus complexe et fascinant qui implique la rencontre et la fusion d'un spermatozoïde et d'un ovocyte. Ce processus, aboutissement d'une série d'événements finement orchestrés, est essentiel à la reproduction sexuée et à la perpétuation de l'espèce.
Le parcours du spermatozoïde
Lors d’un rapport sexuel entre un homme et une femme, et en l'absence de contraception, il existe une chance de débuter une grossesse. Les millions de spermatozoïdes présents dans l’éjaculat de l’homme remontent le vagin et traversent la glaire cervicale pour passer le col de l’utérus et la cavité utérine afin d’atteindre les trompes de Fallope. Cependant, seuls 2 millions de spermatozoïdes sur les 60 millions éjaculés parviennent à traverser cette barrière.
"Seuls les plus véloces pénètrent dans la partie moyenne de la trompe", précise le Pr René Frydman. Ceux qui y parviennent entourent l’ovocyte. Parmi eux, une dizaine se fixe à sa zone pellucide. Leur tête libère des enzymes destinées à digérer cette membrane qui le protégeait jusqu’alors.
La nage flagellaire n'est pas le seul paramètre qui explique le déplacement des spermatozoïdes. Des contractions vaginales et utérines (contrôlées par les muscles lisses) les amènent vers l’oviducte. Ces contractions sont sous le contrôle de l’ocytocine dont la sécrétion est stimulée par l’accouplement. Les contractions utérines sont facilitées par les œstrogènes dont la concentration sanguine est maximale autour de la période de l’ovulation.
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.
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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. D’autres sources possibles de HCO3- peuvent être liées à l’action des anhydrases carboniques. 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. Les cellules de la corona radiata entourant l’ovocyte sécrètent de la progestérone, ce qui permet d’expliquer la chémoattraction des spermatozoïdes. Les cellules entourant l’ovocyte sécrètent également la protéine CRISP1 qui se lie aussi à CatSper et modulerait la nage des spermatozoïdes à proximité du l’ovocyte et des cellules environnantes pour la rendre plus efficace. Seuls 200 spermatozoïdes environ finiront par atteindre l’ovocyte.
La zone pellucide
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. 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
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.
La fusion des membranes
La fusion des membranes plasmiques des deux 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. Juno devient rapidement indétectable de la surface cellulaire après la fécondation. Depuis récemment, on sait que des mitochondries de la pièce intermédiaire du spermatozoïde passent dans le cytoplasme de l’ovocyte mais elles sont éliminées par autophagie. La transmission uniquement maternelle des mitochondries est ainsi préservée.
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La maturation de l'ovocyte
La maturation de l'ovocyte est un processus complexe qui comprend plusieurs étapes clés.
La croissance ovocytaire
Pendant sa croissance, l'ovocyte augmente d'environ 300 fois son volume. 80% de sa taille définitive. Cette croissance est liée à l'intense activité nucléolaire, augmentant d'environ 300 fois son contenu en ARN total.
La reprise de la méiose
La maturation finale de l'ovocyte correspond à un passage du stade G2 au stade M, par le MPF (M-phase promoting factor). La reprise de la méiose, avec expulsion du 1er GP. Sous la membrane de l'ovocyte.
La fécondation in vitro (FIV)
Lorsque la fécondation naturelle est compromise, la fécondation in vitro (FIV) peut être une solution. La FIV consiste à mettre en présence les ovocytes et les spermatozoïdes dans un milieu de culture favorable à leur survie, puis de les placer dans un incubateur à 37°C. Pendant les heures qui suivent, certains spermatozoïdes vont traverser le cumulus (nuage de cellules) et s’attacher à la zone pellucide qui entoure l’ovocyte. La zone pellucide est une barrière importante et le spermatozoïde doit exercer des mouvements vigoureux pour la traverser. En général, un seul de ces spermatozoïdes parvient à traverser la zone pellucide, atteindre la surface de l’ovocyte et pénétrer dans l’ovocyte.
L'ICSI : Injection intracytoplasmique de spermatozoïdes
L'ICSI (Injection Intracytoplasmique de Spermatozoïdes) est une technique d’assistance médicale à la procréation qui consiste en l’injection d’un seul spermatozoïde dans l’ovocyte. La couronne de cellules qui entoure l’ovocyte est enlevée pour visualiser l’endroit où va se faire la micro-injection : c’est la « décoronisation ». La capacité des ovocytes à être fécondés est évaluée de manière plus précise. Seuls les ovocytes matures seront micro-injectés. Pour chacun des ovocytes, un spermatozoïde. Sous contrôle d’un microscope, le biologiste maintient l’ovocyte avec une micropipette et, avec une autre micropipette, aspire le spermatozoïde sélectionné puis l’injecte à l’intérieur de l’ovocyte. Cette micro-injection est renouvelée pour chaque ovocyte fécondable. Les ovocytes sont ensuite remis dans une boîte de culture dans l’incubateur à 37° C pour les étapes suivantes.
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L'IMSI : Injection Magnifiée de Spermatozoïde
L’IMSI (Injection Magnifiée de Spermatozoïde) suit le même procédé que l'ICSI, 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.
Évaluation de la fécondation
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. Au cours de cette nouvelle journée, dans chaque zygote, les chromosomes des deux noyaux s’assemblent.
Facteurs influençant la fécondation
Plusieurs facteurs peuvent influencer la fécondation, notamment :
- La qualité de l'ovocyte: 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.
- La qualité du sperme: En FIV classique, la diminution de la qualité du sperme entraîne une diminution du taux de fécondation. Ainsi, toutes tentatives confondues (donc avec des ovocytes de maturité diverse), le taux de fécondation est de 66 % avec un sperme de bonne qualité et il décroît jusqu’à 0 % avec un sperme de très mauvaise qualité. En ICSI, la qualité du sperme ne joue en principe pas, la fécondance étant court-circuitée par la technique elle-même.
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