Introduction
L'acide désoxyribonucléique (ADN) est la molécule qui contient l'information génétique essentielle au développement et au fonctionnement des organismes. L'intégrité de l'ADN est d'une importance capitale, en particulier dans les cellules germinales comme les ovocytes, car elles sont responsables de la transmission du matériel génétique aux générations futures. Cet article explore les mécanismes de réparation de l'ADN qui se produisent dans les ovocytes, en mettant en évidence leur importance pour la fertilité et la santé de la descendance.
L'importance de l'intégrité de l'ADN des spermatozoïdes
Chez l'homme, l'information génétique du spermatozoïde est stockée dans la tête, ce qui nécessite des mécanismes sophistiqués pour la compacter, notamment le remplacement des histones par des protamines. L'intégrité de l'ADN des spermatozoïdes est un sujet d'intérêt croissant, en particulier dans les cas d'infertilité où les valeurs de qualité semblent normales. Au cours de la spermatogenèse, des ruptures de brins d'ADN peuvent être induites, et les spermatozoïdes peuvent également accumuler des dommages à l'ADN pendant leur maturation et leur stockage dans l'épididyme avant l'éjaculation.
Plusieurs techniques sont utilisées pour évaluer la fragmentation de l'ADN dans les spermatozoïdes, notamment le test des comètes (COMET), le SCSA séminal, le TUNEL du sperme et le SCD. L'intégrité du matériel génétique des spermatozoïdes est essentielle pour une fécondation normale, un développement correct de l'embryon, une implantation réussie et une grossesse, que ce soit dans le cadre de la procréation naturelle ou de la procréation assistée. Les lésions simple brin, liées au stress oxydatif, peuvent compliquer la grossesse clinique et augmenter le délai de conception.
Bien qu'il n'y ait pas de consensus mondial sur la valeur seuil de référence pour le niveau de fragmentation de l'ADN des spermatozoïdes, il est essentiel d'effectuer une sélection précise des spermatozoïdes pour les traitements de FIV, en utilisant des techniques telles que les colonnes d'annexine V (MACS) et les puces microfluidiques.
Le cycle cellulaire et ses mécanismes de surveillance
Le cycle cellulaire est un processus essentiel qui comprend quatre phases : G1, S, G2 et M. Les trois premières phases constituent l'interphase, tandis que la mitose (M) est caractérisée par la disparition de l'enveloppe nucléaire et l'apparition des chromosomes. Pour assurer l'ordre immuable des phases et l'obtention de deux cellules filles identiques, la cellule dispose de systèmes de régulation hautement perfectionnés.
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Les kinases cycline-dépendantes (Cdk) interviennent dans la régulation du cycle cellulaire, assurant le maintien de la séquence des phases. Les mécanismes de surveillance s'ajoutent à cette régulation, intervenant lorsque des lésions ou des anomalies de réplication de l'ADN sont détectées, ou pour contrôler la répartition équitable des chromatides-sœurs.
Les dérèglements du cycle cellulaire peuvent conduire à des proliférations anarchiques, ce qui souligne l'importance de l'étude de la régulation du cycle cellulaire et de ses points de surveillance dans le contexte du cancer.
Découverte du MPF et son rôle dans le cycle cellulaire
L'ovocyte a joué un rôle clé dans l'analyse du déclenchement de la phase M du cycle cellulaire. L'injection de cytoplasme prélevé dans un ovocyte II maturé dans un ovocyte I induit l'entrée en méiose de ce dernier, démontrant l'existence d'une substance, appelée MPF (Maturation Promoting Factor), capable d'induire la maturation.
Le MPF s'est avéré être un déclencheur non seulement de la méiose ovocytaire, mais aussi de l'entrée en mitose des cellules somatiques. En réalité, le cytoplasme injecté contient du MPF « actif », ce qui explique le blocage de l'ovocyte en métaphase II.
La fusion de deux cellules à des stades différents du cycle cellulaire permet d'observer une condensation des chromosomes issus de la cellule en interphase, indiquant la présence d'un facteur diffusible dans la cellule en phase M qui induit l'entrée en mitose.
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Identifié et caractérisé précisément en 1988, le MPF est un complexe cycline/Cdk qui agit en déclenchant différentes réactions.
Régulation du cycle cellulaire par les Cyclines et les Cdk
Les kinases cycline-dépendantes et autres protéines impliquées dans la régulation du cycle cellulaire des cellules de mammifères ont été identifiées grâce aux études effectuées sur la levure. Les cyclines, qui ne sont pas présentes pendant tout le cycle, apparaissent et disparaissent brusquement à des moments précis, contrôlant ainsi l'activité des Cdk.
Les Cdk sont des sérine-thréonine kinases qui catalysent la phosphorylation de protéines cibles, jouant un rôle dans les événements du cycle cellulaire. L'activité des complexes Cycline/Cdk peut être inhibée par la phosphorylation de deux acides aminés par les kinases Wee-1 et Myt 1.
En plus des Cdk, des mécanismes de surveillance sont capables de détecter des anomalies et d'imposer l'arrêt du cycle si nécessaire. Ces mécanismes interviennent lorsque des lésions ou des anomalies de réplication de l'ADN sont détectées, ou pour contrôler que les chromatides-sœurs vont bien se répartir équitablement dans les deux cellules filles.
Surveillance de l'intégrité de l'ADN et de l'accomplissement de la réplication
La surveillance de l'intégrité de l'ADN (DDPC) s'effectue tout au long de l'interphase, permettant d'arrêter le cycle en G1, S ou G2 en cas de lésions de l'ADN. La surveillance de l'accomplissement de la réplication (RCP) s'étale tout au long de la phase S et de la phase G2, empêchant la cellule de commencer la mitose tant que la réplication n'est pas correctement terminée.
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La surveillance de l'attachement correct des chromosomes métaphasiques au fuseau, ou checkpoint mitotique (MCP), ne s'exerce que dans le court laps de temps de la métaphase.
Parmi les molécules impliquées dans ces mécanismes de surveillance, on trouve les kinases ATM et ATR, ainsi que les protéines sérine-thréonine kinases Chk1 et Chk2.
Si l'ADN est endommagé, la transition G1-S est bloquée par les mécanismes de surveillance de l'état de l'ADN (DDCP), ce qui conduit à la dégradation de Cdc25A et à l'accumulation de p53, inhibiteur des complexes Cyclines E, A/Cdk2.
Le maintien de l'arrêt en G2 fait également intervenir la p53, facteur de transcription de la p21 et d'enzymes de réparation de l'ADN.
Contrôle de l'entrée en mitose et de l'attachement des chromosomes au fuseau mitotique
L'entrée en mitose, ou transition G2/M, est sous le contrôle du complexe Cycline B/Cdk1. La Cycline B s'accumule progressivement pendant les phases S et G2, ce qui conduit à une accumulation graduelle du complexe.
L'attachement correct des chromosomes au fuseau mitotique en plaque métaphasique est indispensable au déclenchement de l'anaphase. Un mécanisme opère pour s'assurer que tous les chromosomes sont correctement attachés au fuseau avant que la séparation des chromatides-sœurs n'ait lieu.
Tant que les chromosomes métaphasiques ne sont pas correctement attachés au fuseau par leurs kinétochores, la séparase est inhibée par la sécurine. Chaque kinétochore non correctement attaché au fuseau envoie un signal inhibiteur bloquant l'activation de APC-Cdc20.
Radiosensibilité et mécanismes de réparation des CDBs dans les ovocytes
La fertilité féminine dépend en partie du nombre et de la qualité des ovocytes. Les cassures double brin de l'ADN (CDBs) sont les lésions les plus délétères induites par les rayonnements ionisants (RI).
Des études ont montré que les ovocytes de la réserve ovarienne sont beaucoup plus radiosensibles que ceux entrés en croissance. Après irradiation, les ovocytes de la réserve s'engagent exclusivement dans la recombinaison homologue (RH) avec le chargement de RAD51, tandis que les ovocytes en croissance utilisent le NHEJ canonique.
Chez la femme, les ovocytes de la réserve présentent une plus forte radiorésistance que chez la souris, et la présence de 53BP1 suggère que le NHEJ pourrait être impliqué dans cette survie ovocytaire.
Vieillissement ovocytaire et mécanismes de réparation de l'ADN
La qualité ovocytaire des mammifères diminue rapidement avec l'âge, ce qui a entraîné une diminution globale des taux de fécondité des femmes. Des études ont montré qu'avant l'apparition d'une aneuploïdie significative, les marqueurs d'hétérochromatine des histones sont perdus et la maturation des ovocytes est altérée.
Cette perte d'hétérochromatine s'accompagne d'une augmentation des composants de la « machinerie » des constituants de l'ARN tels que Dicer et dsARN. L'inhibition de la transcriptase reverse du rétrotransposon par le traitement à l'azidothymidine (AZT) dans les ovocytes plus âgés repare partiellement leurs défauts de maturation ainsi que l’activité de réparation de l'ADN.
Ces travaux révèlent l'impact négatif de la perte d'hétérochromatine et de l'activation des rétrotransposons qui causent des endommagent l’ADN et altèrent la maturation des ovocytes.
Rôle des formes actives de l'oxygène et des mécanismes de défense
Les formes actives de l'oxygène (RLO) sont des dérivés actifs de l'oxygène qui génèrent un stress oxydatif, induisant des lésions dans les gamètes et dans l'embryon. La fragmentation de l'ADN (et de l'ARN) et la peroxydation de lipides membranaires sont parmi les plus dommageables pour la fertilité.
Les RLO proviennent du métabolisme oxydatif des cellules mais aussi de leur environnement. Les mécanismes de défense contre le stress oxydatif sont multiples, comprenant des enzymes antioxydants intracellulaires et des composés antioxydants de petits poids moléculaires.
En plus de ces mécanismes défensifs, les embryons disposent de mécanismes de réparation des lésions oxydatives de l'ADN.
Origines et effets des RLO sur les gamètes et l'embryon
Les RLO ont une origine endogène et exogène. Les spermatozoïdes humains, incubés en aérobiose, génèrent spontanément des composés oxygénés réactifs. Les cibles des RLO sont essentiellement les lipides et les acides nucléiques, induisant des réactions de peroxydation et des dérivés oxydés des nucléotides.
La peroxydation lipidique dans le spermatozoïde conduit à la perte de phospholipides membranaires, à des pertes de fluidité de la membrane plasmique, de mobilité et au vieillissement des spermatozoïdes. La fragmentation de l'ADN (et de l'ARN) peut provoquer une mortalité embryonnaire parfois tardive, liée aux effets mutagènes des lésions oxydatives de l'ADN.
Mécanismes de protection contre le stress oxydatif
Des mécanismes enzymatiques et non enzymatiques protègent les gamètes et l'embryon contre le stress oxydatif. Dans le plasma séminal, le liquide séminal protège les spermatozoïdes contre les RLO. Dans les voies génitales femelles, le spermatozoïde, l'ovocyte et l'embryon sont protégés par divers composés présents dans leur environnement.
L'acide lactique et l'acide pyruvique, présents dans les sécrétions tubaires, ont également un pouvoir régulateur du potentiel redox. L'hypotaurine et la taurine, présentes dans les liquides tubaire, folliculaire et séminal, sont protecteurs du spermatozoïde et de l'embryon.
Une faible pression partielle en oxygène du liquide tubaire concourt à limiter le stress oxydatif des spermatozoïdes, de l'ovocyte et de l'embryon.
Dans l'utérus et l'oviducte, d'autres mécanismes antioxydants prennent le relais pour protéger le spermatozoïde, l'ovocyte et l'embryon : la superoxyde dismutase (SOD), la catalase, le système glutathion peroxydase/glutathion réductase (GPX/GR).
Mécanismes de réparation des lésions oxydatives de l'ADN
Des mécanismes enzymatiques de réparation des lésions oxydatives de l'ADN sont présents dans les cellules des mammifères. Dans l'ovocyte, la polymérase bêta et l'endonucléase APEX ont été décrits. Les protéines Ogg1 constituent le principal système de réparation des lésions oxydatives mutagènes.
Éviter le stress oxydatif au cours de la culture des ovocytes et des embryons est un problème complexe, et l'addition des antioxydants doit être utilisée avec circonspection. Il faut essayer de respecter un potentiel redox légèrement réducteur dans les milieux de culture, en manipulant le rapport lactate/pyruvate.
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