Introduction
L'ovocyte, cellule reproductrice femelle, subit un processus complexe de maturation appelé ovogenèse. Cette maturation culmine avec un blocage en métaphase II, une étape cruciale avant la fécondation. Cet article explore en détail le schéma d'un ovocyte en métaphase II, en mettant en lumière les événements et les mécanismes qui régissent cette phase.
Ovogenèse : La Formation de l'Ovocyte
L'ovogenèse est un processus fondamental pour la reproduction chez les femelles vertébrées. Elle se déroule dans les ovaires, où les cellules germinales sont dispersées dans le stroma conjonctif, entourées de cellules folliculaires de soutien.
Phase d'Accroissement et Blocage Méiotique
Avant l'ovulation, dans l'ovaire embryonnaire, les cellules germinales sexuelles se trouvent dans la zone corticale. La folliculogenèse débute lorsque les ovocytes I perdent leurs liaisons via les ponts cytoplasmiques. La phase d'accroissement est caractérisée par un ovocyte bloqué en prophase de méiose (stade diplotène). Pendant cette phase, l'ovocyte croît considérablement et accumule des réserves vitellines.
Réserves Énergétiques et Vitellogenèse
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. Les ovocytes télolécithes (tels ceux des Sauropsidés ou des Téléostéens) ont des quantités très importantes de réserves qui s'accumulent progressivement dans l'ovocyte. Les ovocytes télolécithes ont tellement de réserves que le vitellus empêche les divisions cellulaires au cours du développement embryonnaire. Ainsi, 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. Les 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. L'autre caractéristique d'un ovocyte hétérolécithe est la répartition inégale des réserves en vitellus. Dans l'ovocyte des amphibiens, 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. Les 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.
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La Méiose et le Blocage en Métaphase II
La méiose est un processus de division cellulaire en deux étapes qui réduit de moitié le nombre de chromosomes dans les cellules germinales.
Première Division Méiotique
La première division sépare les paires de chromosomes ou bivalents et réduit donc de moitié le nombre de chromosomes. Lors de la méiose 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 est le crossing-over : des allèles d’un chromosome peuvent alors être échangés avec les allèles portés par le chromosome homologue.
Deuxième Division Méiotique et Blocage
La deuxième 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. L’ovocyte II amorce la deuxième division de méiose mais reste 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.
Importance du Blocage en Métaphase II
Ce blocage est crucial car il permet de s'assurer que l'ovocyte est prêt à être fécondé avant de terminer la division cellulaire. Il permet également de coordonner la maturation de l'ovocyte avec les signaux hormonaux et les événements de la fécondation.
Facteurs Influant sur la Maturation de l'Ovocyte
Plusieurs facteurs influencent la maturation de l'ovocyte et le déclenchement de la phase M du cycle cellulaire.
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MPF (Maturation Promoting Factor)
L'injection du cytoplasme prélevé dans un ovocyte II maturé (bloqué en métaphase II) dans un ovocyte I, induit l'entrée en méiose de ce dernier. Cette expérience montre qu’une substance contenue dans le cytoplasme de l’ovocyte bloqué en métaphase II peut induire la maturation. Ce facteur a été appelé MPF (Maturation Promoting Factor). On s’aperçut par la suite que le MPF n’est pas seulement le déclencheur de la méiose ovocytaire, mais qu’il déclenche aussi l’entrée en mitose (phase M) des cellules somatiques. En réalité le cytoplasme injecté contient du MPF « actif » (c’est justement parce que ce MPF est maintenu actif que l’ovocyte est bloqué en métaphase II).
Kinases Cycline-Dépendantes (Cdk)
Entre 1987 et 1990, le régulateur universel de l’entrée en mitose (le MPF) est caractérisé : c’est une kinase cycline-dépendante (Cdk) associée à une cycline. Entre 1990 et 2000, une douzaine de Cycline / Cdk sont décrites chez l’homme. Six d’entre elles interviennent dans le contrôle direct du déroulement du cycle cellulaire. Les cyclines ne sont pas présentes pendant tout le cycle, elles apparaissent puis disparaissent brusquement à des moments précis du cycle, de façon périodique. Les Cdk peuvent donc être sous forme activée ou désactivée, selon qu’elles sont associées ou non à leur cycline. Les Cdk sont des sérine-thréonine kinases, enzymes qui catalysent la phosphorylation de protéines cibles (= substrats) jouant un rôle dans les événements du cycle cellulaire (fragmentation de l’enveloppe nucléaire, compaction des chromosomes, réplication de l’ADN…), ou dans l’avancement du cycle. Le cycle cellulaire est contrôlé par au moins 6 complexes Cycline / Cdk différents qui interviennent à des moments précis du cycle cellulaire.
Régulation de l'Activité des Cdk
Les Cdk sont présentes avant qu’elles ne soient requises. C’est, premièrement, grâce aux cyclines, qui n’ont pas d’activité enzymatique par elles-mêmes, mais se lient aux kinases du cycle pour les rendre actives. C’est, deuxièmement, grâce à des protéines déphosphorylant (Cdc 25) ou phosphorylant (CAK, Wee-1) les Cdk et qui permettent de compléter le contrôle de l’activité des Cdk. D’autre part des acides aminés jouent un rôle particulier suivant qu’ils sont phosphorylés ou non. Pour pouvoir agir, les Cdk doivent présenter une conformation où ces deux poches sont accessibles. Avant la liaison de la Cdk à la Cycline, le site catalytique de la Cdk est inaccessible pour l’ATP : les boucles PSTAIRE (noms des acides aminés) et T-loop ferment l’entrée du site. La CAK phosphoryle la Thréonine 161 qui se situe au sommet de la boucle T et qui est devenue accessible après la liaison de la cycline à la Cdk. Ceci a pour effet un changement de conformation qui dégage l’entrée du site substrat et permet la fixation du substrat sur la Cdk. Wee1 phosphoryle la Cdk sur la Thréonine 14 et la Tyrosine 15. Ces phosphorylations provoquent une répulsion électrostatique qui interdit l’entrée de l’ATP dans son site, elles sont donc inhibitrices. Dans ce cas, même si la Cdk est phosphorylée sur Th 161 par la CAK (elle accepte alors le substrat), elle reste inactive car l’ATP ne peut pas prendre sa place. C’est la raison pour laquelle les phosphorylations inhibitrices dominent la phosphorylation activatrice. Quand la p21 se lie à la cycline, elle bloque la poche de l'ATP.
Surveillance de l'Intégrité de l'ADN
En plus des Cdk, molécules permettant le passage d’une phase à l’autre et l’enchaînement des événements du cycle, existent des mécanismes capables de surveiller des processus très importants du cycle, de détecter des anomalies et d’imposer l’arrêt du cycle si des anomalies sont constatées. Ces mécanismes interviennent lorsque des lésions (DDCP = DNA Damage Checkpoint) ou des anomalies de réplication de l’ADN (RCP = Réplication Checkpoint) sont détectées, ou pour contrôler que les chromatides-sœurs vont bien se répartir équitablement dans les deux cellules filles (MCP = Mitotic Checkpoint). En effet, cette surveillance assure le maintien de l’intégrité de l’ADN et la qualité de la réplication de l’ADN. Si l’ADN présente des lésions ou si la réplication ne s’effectue pas correctement, le cycle est arrêté pour donner à la cellule le temps de réparer et de terminer correctement la réplication. Un autre aspect du contrôle veille à ce que le partage des chromosomes entre les 2 cellules-filles s’effectue de façon parfaitement équitable au cours de la transition métaphase - anaphase : si tous les chromosomes ne sont pas correctement attachés aux fibres kinétochoriennes, l’anaphase ne débute pas, les deux chromatides-sœurs de chaque chromosome restent liées l’une à l’autre. La surveillance de l’intégrité de l’ADN (DDPC) n’est pas réalisée en un point particulier du cycle mais s’effectue en réalité tout au long de l’interphase (G1, S, G2). Ainsi, lorsqu’une lésion de l’ADN existe, le cycle peut être arrêté soit en G1, (la cellule n’effectue alors pas la transition G1/S), soit en S, soit en G2 (la cellule ne rentre alors pas en mitose). La surveillance de l’accomplissement de la réplication (RCP) ne se fait pas en un point précis du cycle mais s’étale tout au long de la phase S et de la phase G2. Ainsi, la cellule ne pourra pas commencer la mitose tant que la réplication n’est pas correctement terminée et lorsqu’un défaut de réplication est détecté, la cellule arrête le cycle. 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 et jusqu’à ce que le dernier chromosome ait atteint la plaque métaphasique.
Rôle des Kinases dans la Surveillance de l'ADN
Parmi ces molécules se trouvent des kinases qui se lient à l’ADN, (DNA-PK) : kinase ATM (ataxia-telangiectasia mutée), kinase ATR (ataxia-telangiectasia Related), ainsi que les protéines sérine-thréonine kinases Chk1 et Chk2 (check-point protein kinase). Chez les patients atteints d’ataxia-telangiectasia mutated, la kinase ATM est mutée et les points de contrôle du cycle sont déficients : les cellules continuent à proliférer malgré la présence de coupures dans l’ADN; elles ne s’arrêtent pas en G1, S ou en G2 pour réparer l’ADN.
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Blocage de la Transition G1-S
Si l’ADN est endommagé, la transition G1-S est bloquée par les mécanismes de surveillance de l’état de l’ADN (DDCP). Ces mécanismes aboutissent d’une part à la dégradation de Cdc25A, ce qui arrête le cycle puisque les complexes Cycline D / Cdk4 et Cyclines E, A / Cdk2 ne peuvent plus être activés par Cdc 25A, d’autre part à l’accumulation dans la cellule de p53 qui induit l’expression de p21, inhibiteur des complexes Cyclines E, A / Cdk2.
Maintien de l'Arrêt en G2
Dans ce cas, il s’agit pour la cellule de faire en sorte que la mitose ne soit pas déclenchée tant que la réplication n’est pas totalement achevée ou tant que les lésions détectées dans l’ADN qui s’est répliqué ne sont pas réparées. Le maintien de l’arrêt en G2 fait intervenir également la p53, facteur de transcription de la p21 et d’enzymes de réparation de l’ADN. Si l'ADN est lésé, ou si la réplication n'est pas achevée, l'activation de plusieurs voies inhibitrices du complexe Cdk 1 / Cycline B permet d'empêcher l'entrée en mitose.
Attachement des Chromosomes au Fuseau Mitotique
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. Normalement, à l’anaphase, les chromatides-sœurs se séparent lorsque la séparase (une protéase) détruit par protéolyse spécifique la cohésine qui les maintient rassemblées. Or, tant que les chromosomes métaphasiques ne sont pas correctement attachés au fuseau par leurs kinétochores (et, il suffit qu’un seul ne le soit pas), la séparase est inhibée par la sécurine. Chaque kinétochore non correctement attaché au fuseau envoie un signal inhibiteur bloquant l’activation de APC-Cdc20. Ce signal généré par le kinétochore non attaché correspond à la protéine Mad2 : un seul kinétochore mal attaché a pour conséquence la liaison de Mad2 sur le complexe APC-Cdc20, et ainsi son inhibition.
Transition G2/M et Activation du Complexe Cycline B/Cdk1
L'entrée en mitose, ou transition G2 / M, est sous le contrôle du complexe Cycline B / Cdk1, et se réalise de manière brutale. La Cycline B s'accumule progressivement pendant les phases S et G2, ce qui conduit à une accumulation graduelle du complexe au fur et à mesure que la cellule approche de la mitose. La Cdk1 est alors phosphorylée sur la thréonine 161 par la CAK (Cycline H / Cdk7), mais reste inactive à cause de la phosphorylation de 2 acides aminés voisins (tyrosine 15 et thréonine 14) par la protéine Wee-1. Ainsi, quand la cellule atteint la fin de la phase G2, elle contient un abondant stock de Cycline B / Cdk1 ( stock de pré-MPF inactif) prêt à agir mais dont l’activité est réprimée par la présence de 2 groupes phosphate qui bloquent la kinase. Lorsque la réplication est terminée, la phosphatase Cdc25 n'est plus séquestrée dans le cytoplasme et passe dans le noyau, et en fin de phase G2, la phosphatase Cdc 25 est activée, probablement par phosphorylation par la kinase Polo. Cdc 25 a alors pour action d'enlever les deux phosphates inhibiteurs de Cycline B / Cdk 1. Cdk 1 peut alors phosphoryler Cdc 25 (sur un site différent de celui de la kinase Polo). Cette phosphorylation active Cdc 25 : Cycline B / Cdk 1 active donc son propre activateur (processus d'auto-activation). Selon ce mécanisme, une activation partielle de Cdc 25 par la kinase Polo permet l’activation d’une sous population de complexes Cycline B / Cdk 1 qui, par la suite, phosphoryle plus de Cdc-25 et de Wee-1. Les complexes Cycline B / Cdk 1, une fois activés, permettent l'entrée en mitose.
Action des Complexes Cycline B/Cdk1
Au début de la mitose, les complexes Cycline B / Cdk1 activés agissent en phosphorylant diverses protéines cibles. La phosphorylation des lamines (filaments intermédiaires du noyau) par la Cycline B / Cdk 1, au début de la mitose, provoque leur dépolymérisation. Or ces lamines étaient associées à l’enveloppe nucléaire et permettaient de la structurer. En conséquence, leur dépolymérisation a pour effet de désorganiser l’enveloppe nucléaire qui se disperse en petites vésicules. Certaines lamines (les lamines B) restent ancrées dans les vésicules d’enveloppe nucléaire, car elles sont isoprénylées (ancre lipidique). Les lamines ont des séquences de liaison aux chromosomes, ce qui facilite la reformation de l’enveloppe nucléaire autour de ceux-ci en fin de mitose. L’activation massive et irréversible du complexe Cycline B / Cdk1 permet l’entrée en mitose.
Caractéristiques Morphologiques d'un Ovocyte en Métaphase II
L'ovocyte en métaphase II présente des caractéristiques morphologiques spécifiques.
Absence d'Enveloppe Nucléaire
L'enveloppe nucléaire, présente pendant l'interphase, disparaît lors de la mitose.
Chromosomes Condensés
Les chromosomes sont condensés et alignés sur la plaque métaphasique.
Fuseau Mitotique
Un fuseau mitotique est formé, composé de microtubules qui s'attachent aux chromosomes au niveau des kinétochores.
Cytoplasme Riche en Organites
Le cytoplasme de l'ovocyte est riche en organites, tels que les mitochondries et le réticulum endoplasmique, nécessaires pour soutenir le développement embryonnaire précoce.
Zone Pellucide
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.
Projections Cytoplasmiques
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.
Anomalies de la Méiose
Des anomalies peuvent survenir au cours de la méiose, conduisant à des maladies génétiques.
Non-Disjonction des Chromosomes
Au cours de l'anaphase I, il peut arriver que les chromosomes homologues d'une même paire ne se disjoignent pas. Au cours de l'anaphase II, il peut arriver que les chromatides d'un même chromosome ne se séparent pas. La fécondation entre un gamète normal et un gamète portant un chromosome supplémentaire aboutit à un zygote porteur d'une trisomie.
Trisomies et Monosomies
La trisomie est une maladie génétique due à la présence de trois chromosomes au lieu d'une paire. Cette maladie est causée par une non-disjonction des chromosomes homologues au cours de l'anaphase I de la méiose, ou de la non-disjonction des chromatides au cours de l'anaphase II de la méiose. Le syndrome de Down, est une trisomie 21, donc due à la présence de 3 chromosomes 21 au lieu de 2. S'il y a fécondation entre un gamète normal (apportant 23 chromosomes dans l'espèce humaine) et un gamète anormal (n'apportant que 22 chromosomes, il manque un représentant d'une paire d'origine), cela aboutit à un zygote porteur d'une monosomie. La monosomie est une maladie génétique due à la présence d'un seul chromosome au lieu d'une paire. Cette maladie est causée par une non-disjonction des homologues au cours de l'anaphase I de la méiose, ou de la non-disjonction des chromatides au cours de l'anaphase II de la méiose.
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