L'ovocyte, gamète femelle, subit une série d'étapes cruciales pour sa maturation et sa capacité à être fécondé. La compréhension de ces étapes, de la reprise de la méiose à l'ovulation, est essentielle pour améliorer la fertilité et la gestion des cycles de reproduction chez les mammifères d'élevage. Cet article explore en détail ces processus, en mettant l'accent sur les mécanismes moléculaires et hormonaux impliqués.
Importance de la Maîtrise du Moment de l'Ovulation
Chez les mammifères d’élevage, la maîtrise du moment de l’ovulation permet d’améliorer la fertilité et la gestion des mises bas. Les méthodes actuelles reposent sur l’utilisation de fortes doses d’hormones. L'ovulation est l'émission du gamète femelle, précédée par le comportement d'œstrus, une phase pendant laquelle la femelle attire les mâles et accepte l'accouplement. La connaissance précise du moment de l'ovulation est particulièrement importante pour l'insémination artificielle (IA), surtout avec de la semence cryoconservée, car les spermatozoïdes ont une période de fécondance plus courte.
Les Phases du Cycle Œstral
Le cycle œstral est divisé en plusieurs phases, chacune caractérisée par des événements hormonaux et comportementaux spécifiques :
- Prœstrus (Phase Folliculaire): Une ou plusieurs vagues de follicules croissent, sécrétant des œstrogènes. Si les taux d'œstrogènes ne sont pas suffisants, les follicules dégénèrent (atrésie).
- Œstrus (Phase du Comportement Sexuel): Les taux d'œstrogènes sont élevés, induisant le comportement sexuel. L'ovulation se produit vers la fin de cette phase.
- Metœstrus (Phase Lutéale): Les cellules folliculaires se transforment en cellules lutéales, formant le corps jaune et sécrétant de la progestérone.
Types d'Ovulation : Spontanée et Provoquée
On distingue deux types d’ovulation chez les mammifères domestiques : l’ovulation spontanée et l’ovulation provoquée.
Ovulation Spontanée
L’ovulation spontanée est déclenchée au cours de la période d’œstrus que la femelle soit en présence de mâles ou non. C’est le cas de la plupart des mammifères d’élevage. Chez les espèces à ovulation spontanée, c’est le mâle qui s’accouple avec la femelle au temps t le plus proche de l’ovulation qui fécondera l’ovocyte ou la majorité des ovocytes. Mais les mâles ne peuvent pas prédire le moment de l’ovulation avec précision, il est probable que leurs spermatozoïdes entrent en compétition spermatique avec les spermatozoïdes des autres mâles qui l’auront précédé ou succédé. On s’attend ainsi à observer un niveau plus élevé de compétition entre mâles (par exemple compétition spermatique) chez les espèces à ovulation spontanée que chez les espèces à ovulation provoquée. Chez les mâles d’espèces à ovulation spontanée, l’association intermittente mâle-femelle est corrélée à une perte de monopolisation de la paternité.
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Ovulation Provoquée
Dans le cas de l’ovulation provoquée, celle-ci n’intervient que lorsque la femelle s’accouple avec le mâle. Ainsi la durée de la phase d’œstrus peut être très variable, et ne s’arrête que lorsque la femelle s’accouple. C’est le cas chez la lapine, la chatte, et des femelles de certaines espèces de camélidés comme le dromadaire, le lama et l’alpaga. Chez les espèces à ovulation induite, le premier mâle qui s’accouple avec la femelle fécondera l’ovocyte (espèce mono-ovulante) ou la majorité des ovocytes (espèce poly-ovulante). Chez les mâles d’espèces à ovulation provoquée, l’association intermittente mâle-femelle n'est pas corrélée à une perte de monopolisation de la paternité.
Implications Évolutives
L’existence de deux modalités de déclenchement de l’ovulation chez les mammifères peut être discutée sous l’angle de l’écologie comportementale et de l’évolution. Les différentes stratégies évolutives empruntées par les espèces, reposent essentiellement sur l’optimisation de la production d’une descendance viable présentant une bonne survie. Ainsi, le mode d’ovulation apparaît comme une stratégie évolutive de l’espèce permettant une meilleure monopolisation parentale des mâles. Les raisons pour lesquelles certaines espèces ont évolués vers l’un ou l’autre mode d’ovulation, ne sont cependant pas très claires. Un certain nombre d’espèces à ovulation provoquée vivent en groupe et avec des associations mâle-femelle. Le mode d’ovulation provoquée permet de diminuer le niveau de compétition spermatique et donc de compétition entre mâles, mais les facteurs responsables de la stratégie évolutive ne sont pas connus.
Le Rôle Central de l'Hormone Lutéinisante (LH)
Il est classiquement admis que l’ovulation est la conséquence d’une décharge d’hormone lutéinisante (LH) sécrétée par l’hypophyse. Au moment de l’ovulation, la concentration plasmatique de LH atteint des valeurs très élevées, on parle de pic pré-ovulatoire de LH. Par exemple chez la brebis, la concentration de LH varie de 2 à 8 ng/mL alors qu’au cours du pic préovulatoire elle peut atteindre 30 à 60 ng/mL. Toujours chez la brebis, la durée du pic préovulatoire est d’environ 12 heures. L’ovulation intervient 24-36 heures après le maximum du pic de LH. Chez la truie, le pic de LH dure environ 24 heures et l’ovulation intervient 24-64 heures après le début du pic de LH. Chez la vache, le pic de LH dure 12 à 45 heures selon la race et le statut physiologique, l’ovulation intervient dans les 24 à 30 heures après le maximum du pic de LH. Une exception, la jument, pour laquelle le pic de LH dure plusieurs jours et dont le maximum est atteint 24 heures après l’ovulation.
Ovulation Provoquée et Facteur Inducteur de l'Ovulation (OIF)
Plusieurs espèces de mammifères domestiques ont une ovulation provoquée : la chatte, la lapine et certains camélidés. Chez l’alpaga, le lama et le dromadaire, l’ovulation est aussi induite par le coït, mais c’est un facteur présent dans le liquide séminal du mâle, l’« Ovulation Inducing Factor » (OIF), qui est impliqué. L’OIF injecté par voie intramusculaire ou intra-utérine à des femelles alpaga induit un pic de LH qui démarre deux heures après l’injection, l’ovulation intervient 24 à 30 heures après.
Mécanismes Moléculaires de l'Ovulation
L’ovulation est un processus complexe au cours duquel sont induits à la fois la reprise de méiose de l’ovocyte, l’expansion du cumulus, la rupture du pôle apical du follicule, et la différenciation des cellules de la granulosa et de la thèque menant à la formation du corps jaune. Au cours d’un cycle normal, tous ces événements doivent être coordonnés pour aboutir à la production d’un ovocyte mature et fécondable, et d’un corps jaune capable d’assurer le début de gestation. Une cascade d’événements mène à l’ovulation, mais l’initiateur est le pic de LH.
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Réponse des Cellules Folliculaires à la LH
Seuls les follicules qui expriment une grande quantité de récepteurs de la LH à la surface des cellules de granulosa sont capables d’ovuler en réponse au pic préovulatoire de la LH. La LH se fixe sur ses récepteurs au niveau des cellules folliculaires qui répondent à ce signal par la régulation de l’expression de plusieurs gènes. La fixation de la LH sur son récepteur augmente les taux intracellulaires d’adénosine monophosphate cyclique (AMPc) et d’inositol tri-phosphate. Ainsi activée par l’AMPc, la Protéine Kinase A (PKA) induit une cascade de phosphorylation et d’activation de facteurs de transcription (CREB, SP1) qui vont inhiber, ou activer l’expression de gènes-cibles codant pour des enzymes de la stéroidogenèse. Ainsi, dans les heures suivant l’augmentation circulante de la LH, les taux sériques d’œstrogènes et d’androgènes s’effondrent, alors que le taux de progestérone augmente considérablement. En réponse à une production accrue de monoxyde d’azote (NO ; activité vasodilatatrice) la thèque devient œdémateuse et hyperhémique, augmentant le flux sanguin du follicule préovulatoire et la perméabilité vasculaire. Simultanément, les cellules de la granulosa perdent leurs récepteurs de la FSH, tandis que l’expression des récepteurs de la LH diminue de façon transitoire.
Réaction Inflammatoire et Enzymes Protéolytiques
Le processus d’ovulation est associé à une réaction de type inflammatoire. La synthèse ovarienne de cytokines inflammatoires (IL, TNFα), de prostaglandines et de cortisol (à action anti-inflammatoire) s’accentue dans le follicule préovulatoire au moment de l’ovulation chez la souris, la ratte, la lapine, la truie, la vache, la jument et la femme. L’interleukine 1 (IL-1) est capable d’induire la rupture du follicule ex vivo, sur des ovaires perfusés de ratte et de lapine et in vivo chez la jument après injection intrafolliculaire de follicules dominants. En particulier elles stimulent la production de prostaglandines, NO, et l’activité d’enzymes protéolytiques. De plus, elles sont capables de moduler la stéroidogenèse et interviendraient aussi dans la maturation du complexe ovocyte-cumulus chez la lapine et la jument.
La rupture de la paroi folliculaire et l’expulsion de l’ovocyte dans l’oviducte nécessitent l’action d’enzymes protéolytiques dégradant la matrice extracellulaire. La production locale d’activateur du plasminogène, de plasmine et de collagénases (métalloprotéases MMP1 et MMP2) augmente considérablement. L’activateur du plasminogène transforme le plasminogène en plasmine, qui elle-même activerait certaines collagénases. L’augmentation préovulatoire de la concentration intra-folliculaire de la progestérone stimule la synthèse et l’activité de deux autres protéases ADAMTS1 et CTSL1, qui viennent participer à la protéolyse. En parallèle, l’activité d’inhibiteurs de sérines protéases (SERPIN) et les inhibiteurs des métalloprotéases matricielles (TIMP1 et TIMP2) augmente. L’expression de ces métalloprotéases et des TIMP est régulée par les stéroïdes et les prostaglandines.
Maturation de l'Ovocyte
En réponse au pic préovulatoire de la LH, l’ovocyte, bloqué au stade de prophase de 1ère division méïotique, entre en phase de maturation en reprenant sa méiose. Ce stade appelé GVBD (germinal vesicle break down) est visualisé par la rupture de la membrane nucléaire. L’ovocyte évolue, dans la plupart des espèces mammaliennes jusqu’en métaphase de 2ème division méiotique, stade auquel l’ovocyte reste bloqué jusqu’à la fécondation. La LH induit l'expansion du cumulus, phénomène nécessaire à la maturation méiotique et l’acquisition de la compétence au développement de l’ovocyte.
Contrôle Hormonal de la Croissance Folliculaire et de l'Ovulation
La croissance folliculaire et l’ovulation dépendent des hormones gonadotropes ou gonadotropines, FSH et LH, sécrétées par les cellules gonadotropes de l’hypophyse. La synthèse et la libération de la LH et de la FSH sont dépendantes d’une interaction complexe de multiples signaux endocrines et paracrines.
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Rôle de la GnRH
La synthèse et la libération des deux hormones gonadotropes LH et FSH sont sous la dépendance de la neurohormone hypothalamique, la GnRH. Son rôle a été bien établi par l’utilisation d’antagonistes de GnRH ou d’anticorps anti-GnRH. Ces traitements induisent une suppression immédiate de la libération de la LH, la disparition du pic préovulatoire et le blocage de l’ovulation. La GnRH est libérée sous forme pulsatile par les neurones et elle atteint l’hypophyse via le système sanguin porte hypothalamo-hypophysaire. Elle induit à son tour une libération pulsatile des hormones gonadotropes. La fréquence des pulses de GnRH varie au cours du cycle œstral : chez la brebis, elle est de l’ordre d’un pulse/heure au cours de la phase folliculaire puis devient continue au cours de la période précédant l’ovulation. À l’issue de l’ovulation, cette fréquence devient basse avec une valeur d’un pulse toutes les six heures durant la phase lutéale chez la brebis. La fréquence des pulses conditionne la libération des hormones gonadotropes. Une fréquence élevée favorise la libération de la LH, une fréquence faible favorise la production de la FSH. Au cours du pic préovulatoire de la LH on observe un pic de FSH de moindre amplitude qui permet le recrutement de follicules pour le cycle suivant. Alors que la synthèse et la libération de la LH sont intimement dépendantes de celle de la GnRH, celles de la FSH impliquent d’autres molécules.
Facteur Cytostatique (CSF) et Blocage de la Méiose
Le Facteur Cytostatique (CSF)
Ce système est spécifique de la méiose ovocytaire et n’a pas d’équivalent strict en mitose. Le Cytostatic Factor (CSF) ne correspond pas à une protéine unique, mais à un ensemble coordonné de mécanismes moléculaires qui maintiennent l’ovocyte bloqué en métaphase de la méiose II. Emi2 inhibe l’APC/C en se liant directement au coactivateur Cdc20, i.e. mimant les signaux de reconnaissance des substrats de l’APC/C, ce qui permet à Emi2 d’occuper les sites de liaison normalement utilisés par la cycline B et la sécurine et l’activité CDK1 contribue indirectement à la stabilité des composants du CSF.
Fécondation et Activation de l'Ovocyte
Étapes de la Fécondation
Après l’entrée du spermatozoïde dans l’ovocyte II, il n’y a pas de fusion immédiate des noyaux parentaux. L’ovocyte II, bloqué en métaphase de la méiose II, possède déjà une organisation nucléaire fonctionnelle. L’entrée du spermatozoïde déclenche la reprise et l’achèvement de la méiose II, conduisant à la séparation des chromatides sœurs et à l’expulsion d’un deuxième globule polaire. Son ADN, extrêmement compacté par des protamines, est rapidement décondensé après la fécondation. La chromatine spermatique se décondense sous l’action de facteurs d’origine ovocytaire, notamment par réduction des ponts disulfures des protamines. Les protamines sont alors progressivement remplacées par des histones maternelles, selon un processus inverse de celui observé lors de la spermiogenèse. À ce stade, les chromosomes maternels et paternels se décondensent séparément, et deux nouvelles enveloppes nucléaires se forment indépendamment autour de chacun des génomes.
Le pronucléus mâle se forme progressivement au cours des heures suivant la fécondation (environ 8 à 10 heures chez l’humain) et est généralement plus volumineux que le pronucléus femelle. Une fois les deux pronucléi établis, chacun réplique son ADN. Cette réplication correspond à une phase S classique du cycle cellulaire et prépare les chromosomes à la première division cellulaire. Lorsque la réplication est achevée, les enveloppes nucléaires des deux pronucléi se désassemblent. Un fuseau mitotique commun se met ensuite en place, sur lequel les chromosomes maternels et paternels s’assemblent et sont répartis ensemble lors de la première division mitotique. Après la disparition des enveloppes pronucléaires, les chromosomes maternels et paternels dupliqués s’assemblent sur un fuseau mitotique commun.
Segmentation du Zygote
En raison de cette faible quantité de vitellus, la segmentation du zygote chez les mammifères est holoblastique, c’est-à-dire que la cellule se divise entièrement, sans restriction régionale liée aux réserves. La fusion membranaire commence dans la région post-acrosomique de la tête du spermatozoïde. La membrane acrosomique interne n’est pas intégrée à la membrane ovocytaire et est rapidement dégradée après l’entrée du spermatozoïde. La tête, incluant le noyau spermatique, la pièce intermédiaire et une partie du flagelle, sont incorporées dans le cytoplasme de l'ovule. Le centriole, apporté par la pièce intermédiaire du spermatozoïde (centriole proximal) est à l'origine du fuseau méiotique et de l’organisation microtubulaire du zygote. Ce centriole forme le spermaster, demi-fuseau méiotique, qui attire le pronucleus femelle vers le pronucleus mâle. Lors de la duplication, c'est ce centriole dédoublé qui formera le premier fuseau méiotique du zygote.
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