Introduction
La méiose, un processus fondamental de la reproduction sexuée chez les eucaryotes, est une forme de division cellulaire particulière qui aboutit à la formation de gamètes haploïdes (ovocytes chez la femelle et spermatozoïdes chez le mâle). Ce processus complexe, essentiel à la diversité génétique, est sujet à des erreurs, notamment chez la femme, ce qui soulève des questions cruciales sur les mécanismes sous-jacents. Cet article explore en profondeur la méiose, en mettant l'accent sur l'ovocyte de type 2 et le rôle crucial des chromosomes dans ce processus.
Les Étapes Fondamentales de la Méiose
La méiose est constituée de deux divisions cellulaires successives, chacune ayant un rôle distinct dans la formation des gamètes.
Première Division Méiotique : La Séparation des Chromosomes Homologues
La première division sépare les paires de chromosomes ou bivalents, réduisant ainsi de moitié le nombre de chromosomes. Si nous possédons 23 paires de chromosomes c’est parce que nous en avons reçu un de chaque sorte de chacun de nos parents. Lors de cette division, un brassage des chromosomes se produit de part et d’autre de l’équateur de la cellule, un phénomène appelé brassage inter-chromosomique.
Un événement clé de cette phase est le crossing-over, qui se produit en prophase de première division. Des échanges de portions de chromatides se produisent entre les chromosomes homologues d’une même paire, au moment où ils sont étroitement accolés. Ce phénomène permet l'échange d'allèles entre les chromosomes homologues, augmentant ainsi la diversité génétique.
Seconde Division Méiotique : La Séparation des Chromatides Sœurs
La seconde division sépare les chromatides de chaque chromosome. Le nombre de chromosomes n’est pas réduit, on passe simplement de deux cellules à n chromosomes doubles chacune à 4 cellules à n chromosomes simples chacune. On parle de division équationnelle. Lors de cette division il y a donc un brassage des chromosomes de part et d’autre de l’équateur de la cellule, on parle de brassage inter-chromosomique.
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L'Ovogenèse : Une Méiose Asymétrique
La fabrication des ovocytes (ovogénèse) est une méiose particulière car si elle partage équitablement les chromosomes, la division dans l’espace n’est pas équitable concernant le volume cytoplasmique. La première division donnera, à partir d’une cellule appelée ovocyte I, une cellule-fille de volume quasiment normal appelée ovocyte II et une cellule-fille de taille très réduite appelée « globule polaire » et destinée à disparaître. L’ovocyte II amorcera la deuxième division de méiose mais restera bloqué en métaphase II jusqu’ à la fécondation. Une fois celle-ci effectuée, la deuxième division se terminera. La cellule obtenue est donc un ovule mature possédant déjà le noyau du spermatozoïde. Les ovocytes de métazoaires subissent deux divisions successives, asymétriques par la taille des cellules filles engendrées, donnant naissance à une très grosse cellule germinale, l’ovocyte et deux petits globules polaires. Ceci assure le maintien des réserves maternelles, indispensable au développement embryonnaire.
Anomalies de la Méiose et Conséquences
La méiose est un processus complexe et délicat, et des erreurs peuvent survenir lors de la ségrégation des chromosomes. Ces anomalies peuvent avoir des conséquences graves sur la viabilité de l'embryon et entraîner des syndromes génétiques.
Anomalies du Nombre de Chromosomes
Ce type d’anomalies touche toutes les paires de chromosomes. Dans la plupart des cas ces anomalies sont éliminées car les embryons formés ne sont pas viables : on parle d’avortement spontané.
Trisomie 21 (Syndrome de Down)
La trisomie 21 est une forme viable d’anomalie de nombre et touche 1 enfant sur 800. Appelé également syndrome de Down, les signes cliniques sont très nets. Dans 92,3 % des cas, la trisomie 21 est due à la présence de trois chromosomes 21 indépendants.
La cause la plus courante de cette trisomie (soit 61.7% des cas) est une mauvaise répartition des chromosomes homologues lors de la première division de méiose maternelle ce qui produit soit un ovocyte présentant un chromosome supplémentaire soit un ovocyte à qui il manque 1 chromosome. Dans cette anomalie de première division, il y a absence de séparation des chromosomes homologues de la paire 21.
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Dans 15,3 % des cas, l’anomalie de division se passe en deuxième division de méiose maternelle. Dans ce cas la première division se réalise correctement et la paire de chromosomes doubles n°21 est séparée. Lors de la deuxième division, l’ovocyte II subira une anomalie de distribution : les chromatides sœurs du chromosome double 21 seront bien séparées mais non distribuées de part et d’autre de l’équateur. Ainsi si les deux chromatides restent dans la cellule destinée à être fécondée (l’ovule), celle-ci engendrera une cellule-oeuf présentant une trisomie 21.
Pour les cas restants de trisomie 21, cette dernière est due à la présence de deux chromosomes 21 indépendants et d’un chromosome 21 fusionné avec un autre chromosome comme le chromosome 13. Même s’il n’y a pas trois chromosomes 21 visibles au caryotype, l’information du chromosome 21 est présente en trois exemplaires car on la retrouve sur le chromosome 13.
Trisomie 18
La trisomie 18 touche 1 naissance sur 8000 et l’espérance de vie de l’enfant est de 18 à 25 mois. Elle est caractérisée par un retard de croissance, une petite tête de forme anormale avec le nez retroussé et une petite bouche, de nombreuses anomalies des membres.
Trisomie XXY (Syndrome de Klinefelter)
On peut citer par exemple la trisomie XXY appelée syndrome de Klinefelter qui touche un enfant sur 5000. La présence du chromosome X supplémentaire perturbe la mise en route de l’appareil reproducteur mâle et donc la mise en place des caractères sexuels secondaires. Les garçons atteints sont stériles et présentent une silhouette longiligne, une poitrine de type légèrement féminin ainsi qu’une absence de pilosité. Les caractères sexuels secondaires sont normalement mis en place sous l’influence de l’hormone masculine appelée testostérone. Les testicules étant petits et inactifs, cette hormone n’est pas produite ce qui est à l’origine d’une absence de puberté.
Monosomie Y
La monosomie Y n’est pas viable. En effet, le chromosome X possède entre autres, les gènes responsables de la mise en place de l’appareil reproducteur embryonnaire. Le chromosome Y possède le gène SRY responsable de la différenciation de l’appareil reproducteur embryonnaire en appareil reproducteur mâle. Ce gène est donc inopérant en l’absence de X.
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Monosomie X (Syndrome de Turner)
La monosomie X ou syndrome de Turner touche 1 fille sur 500. Elle est viable mais rare car les embryons atteints sont fragiles et 98 % des grossesses débouchent sur une fausse couche précoce. Cette monosomie occasionne un retard de croissance ; des problèmes de fertilité ; l’apparition de lymphœdèmes, des anomalies de type cardiovasculaires, rénales, osseuses, O.R.L. et endocriniennes. La suspicion de ce syndrome peut arriver pendant la grossesse mais il est plus souvent détecté soit dans l’enfance soit dans l’adolescence lorsque les règles ne surviennent pas. Il n’existe pas de traitement au syndrome de Turner.
Les Défis de la Méiose Féminine
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. Étonnamment pour une stratégie reproductive, la méiose chez la femme est fortement sujette aux erreurs de ségrégation des chromosomes. Comprendre l’origine de ces défauts est donc un enjeu sociétal. Quels sont donc les mécanismes à l’origine de ce taux élevé d’erreurs chromosomiques dans les ovocytes des mammifères ?
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. 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.
Rôle de l'Actine et de la Myosine II dans la Méiose
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.
Dans un ovocyte témoin en prophase I, le cortex cellulaire est enrichi en myosine II, contribuant à une tension corticale élevée. 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.
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.
Impact de la Tension Corticale sur la Capture des Chromosomes
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, nous avons développé des outils capables de diminuer la tension corticale. Les ovocytes exprimant le cVCA sont donc très mous. 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.
Dans les cellules mitotiques, une tension corticale aberrante altère la formation du fuseau, entraînant des erreurs de ségrégation des chromosomes. 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’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.
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. Les mesures des propriétés mécaniques du cortex cellulaire pourraient donc servir à évaluer, par une technique non invasive, le potentiel développemental des ovocytes dans le cadre de la procréation médicalement assistée.
Les Bases Moléculaires de l'Appariement des Chromosomes Homologues
Durant la méiose, les chromosomes homologues des cellules de la lignée germinale (celles qui produiront les ovocytes ou les spermatozoïdes), se séparent, chaque gamète n’héritant que d’une copie maternelle ou paternelle de chaque chromosome. Pour ce faire, les chromosomes homologues doivent se reconnaître, puis s’apparier, sur toute leur longueur, avant d’être séparés et distribués dans chaque cellule fille. Une séparation précise de ces paires de chromosomes est essentielle pour assurer la génération de gamètes avec une organisation fidèle des chromosomes et ainsi éviter les problèmes de stérilité et/ou les anomalies de ségrégation chromosomique (exemple de la trisomie 21 ou du syndrome de Turner).
Il se produit alors un phénomène de remaniement du matériel génétique entre les chromosomes homologues. Une telle "recombinaison" ne peut se faire que grâce à des mécanismes fins de cassures programmées et de réparations ultérieures des molécules d’ADN. Ces mécanismes sont très conservés chez les eucaryotes, de la levure à l’humain. Des « nœuds » (jonctions de Holliday) se forment entre les chromosomes homologues pour les faire « s’enjamber » en vue de leur recombinaison physique (« crossing over » en anglais). En même temps, les chromosomes homologues se retrouvent appariés sur toute leur longueur au sein d’une structure de type fermeture éclair (« zip ») : le complexe synaptonémal.
En utilisant des approches de génétique, de protéomique et de modélisation in silico de domaines d’interactions protéiques, l’équipe dirigée par Valérie Borde au sein de l’Unité Dynamique de l’information génétique (Institut Curie, CNRS, Sorbonne Université), en collaboration avec des chercheurs du CEA/I2BC, a identifié une protéine, Zip4 (TEX11 chez l’humain) qui fait le lien direct entre la machinerie de recombinaison et des éléments centraux du complexe synaptonémal (Ecm11-Gmc2). Ces phénomènes observés chez Saccharomyces cerevisiae sont très conservés chez les eucaryotes, faisant de la levure, facile à utiliser, un organisme modèle essentiel. Ainsi, les chercheurs ont identifié des homologues fonctionnels et structuraux chez l’humain des protéines de recombinaison et du complexe synaptonemal et les ont étudiées.
Aspects Morphologiques de l'Ovocyte Primaire
L'ovogenèse débute par une période d'activité mitotique intense des ovogonies qui assure le renouvellement des ovocytes. L'ovogonie accède ensuite à une période d'accroissement qui conduit la cellule de quelques microns de diamètre à 1,2 millimètre en moyenne. Il s'agit de l'ovocyte primaire ovarien bloqué en diplotène de prophase de première division de méiose.
Le stimulus hormonal de la maturation déclenche la reprise de la première division de méiose qui se termine par l'expulsion du 1er globule polaire. Parallèlement, l'ovocyte secondaire ainsi formé est ovulé puis pondu et reste bloqué à son tour au stade de la métaphase de 2ème division de méiose. C'est la fécondation qui déclenche la reprise et la fin de la méiose de l'ovocyte 2aire avec l'émission du 2è globule polaire. L'ovotide haploïde est alors un stade fugace puisque la fécondation rétablie dans l'heure qui suit la diploïdie de l'espèce à la faveur de la fusion des pronuclei mâle et femelle.
Du point de vue histologique, les cellules souches sont constituées par les ovogonies rassemblées en « nids d'ovogonies » où l'activité mitotique intense est synchrone. Il n'est donc pas rare d'observer des images multiples de stades de mitose comme ici de nombreuses métaphases. Les dimensions exceptionnelles de l'ovocyte d'amphibien sont liées à l'accumulation de réserves. On distingue les réserves nutritionnelles et les réserves informatives. Ajoutons à cela la production et le stockage de nombreuses protéines dites « de ménage » servant à assembler rapidement les constituants cellulaires allant des membranes plasmiques à la chromatine. En effet, les premières heures du développement embryonnaire sont marquées par une activité mitotique intense lors de la période de clivage.
Fuseaux Méiotiques et Absence de Centrosomes Canoniques
L’asymétrie des divisions méiotiques de l’ovocyte de souris repose sur la formation d’un fuseau de division en absence de centrosomes canoniques et son positionnement au cortex de la cellule, qui dépend principalement des microfilaments d’actine. Les erreurs d’organisation des fuseaux méiotiques induisent des aneuploïdies à l’origine de maladies génétiques, de nombreux cancers, voire totalement incompatibles avec le développement embryonnaire. La méiose I chez l’homme est réputée pour avoir un taux d’erreur de ségrégation des chromosomes très élevée, sans que l’on en connaisse les raisons. Ce fort taux d’aneuploïdies est à l’origine de nombreuses trisomies, notamment chez les femmes âgées de plus de 35 ans.
De par l’absence de centrosomes, la plupart des fuseaux méiotiques sont dépourvus d’asters microtubulaires les connectant à la membrane plasmique cellulaire. Le positionnement de ces fuseaux au cortex ovocytaire ne dépend donc pas de microtubules astèriens, mais dépend de microfilaments d’actine. Or, leur positionnement au cortex dans des cellules de taille gigantesque, par rapport aux cellules somatiques, est indispensable aux divisions asymétriques permettant l’expulsion de petits globules polaires. La Formine-2, un nucléateur de l’actine, est essentielle à la formation d’un réseau de microfilaments d’actine cytoplasmique s’assemblant autour du fuseau méiotique et assurant la migration et l’ancrage de ce dernier au cortex.
Tension Corticale et Asymétrie de Division
Lors de leur entrée en mitose, les cellules s’arrondissent et voient leur rigidité corticale augmenter, ce qui permet une transmission efficace des forces de traction issues de l’environnement afin d’assurer correctement l’assemblage et l’orientation du fuseau de division. A l’inverse de la mitose, la tension corticale chute en phase M dans les ovocytes, sans qu’on sache les raisons moléculaires qui sous-tendent cette diminution. Un épaississement de l’actine corticale est essentiel à la migration du fuseau au cortex. Cet épaississement est associé à une diminution de la quantité de myosine II au cortex cellulaire. La diminution de la tension corticale au cours de la première division méiotique est essentielle pour son asymétrie puisque le maintien artificiel d’une tension corticale élevée empêche la migration du fuseau au cortex.
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