Fiche de cours : Fécondation (Biologie de la reproduction)

# **M6 - Biologie de la reproduction** ## **Fiche de cours** ### **FECONDATION** - Notion tombée 1 fois au concours - Notion tombée 2 fois au concours - Notion tombée 3 fois ou plus au concours ## **Introduction** ### **Fécondation** - Rencontre et fusion de 2 gamètes haploïdes en terme de chr...

# **M6 - Biologie de la reproduction** ## **Fiche de cours** ### **FECONDATION** - Notion tombée 1 fois au concours - Notion tombée 2 fois au concours - Notion tombée 3 fois ou plus au concours ## **Introduction** ### **Fécondation** - Rencontre et fusion de 2 gamètes haploïdes en terme de chromosomes. - L'ovocyte II est diploïde en termes d'ADN car la méiose n'est achevée que s'il est fécondé. - Permet de reconstituer une cellule unique diploïde: le zygote. ### **Fécondation in vitro** - A lieu en laboratoire. - Mise en contact des gamètes après leur recueil chez l'homme et la femme. - Se base sur la connaissance des mécanismes de la fécondation in vivo. ### **Fécondation in vivo** - Série d'événements orchestrés dans le temps. - Transformation des gamètes indispensable avant la fécondation. - Met en jeu une interaction gamétique: interactions et échanges moléculaires entre l'ovocyte II et le spermatozoïde. ### **Fenêtre propice à la fécondation** - 2 à 3 jours avant l'ovulation - 1 jours après l'ovulation ## **Étapes préalables à l'interaction** ### **Dépôt de sperme** #### **Composition du sperme** - Spermatozoïdes. - Plasma séminal produit par les glandes annexes: - Vésicules séminales: 70% - Prostate : 15% - Epididyme: 10% - Glandes de Mery Cowper: 5% #### Dépôt vaginal au cours d'un rapport sexuel - Sperme constitué de quelques dizaines de millions de permatozoïdes: - Si la production de spermatozoïdes est normale. #### Formation d'un coagulum - Par polymérisation des séménogélines. - Proviennent des vésicules séminales - Permettent la coagulation et limitent ainsi la perte de spermatozoïdes par reflux du sperme. - Persistance d'une élimination partielle du sperme. - Emprisonnement temporaire des spermatozoïdes au fond de la cavité vaginale. - Liquéfaction du coagulum au bout d'un certain temps - Par des enzymes d'origine prostatique. - Permet la remontée des spermatozoïdes vers le lieu de la fécondation. ### **Passage du col utérin** #### **Mucus cervical en période pré-ovulatoire** - Abondant. - Fluide: hydrogel. - Constitué de longues chaînes de glycoprotéines avec des points disulfures S-S: - Maillage large sous l'influence de la production oestrogénique. #### **Barrière physiologique** - Elimination du plasma séminal : - Pas de plasma séminal dans l'utérus. - Nécessaire à la capacitation car présence d'inhibiteurs de la capacitation dans le plasma. - Elimination des spermatozoïdes peu mobiles ou ayant une mobilité non linéaire : - Seuls les spermatozoïdes ayant une mobilité progressive linéaire vont progresser. #### **Passage du col** - Par 2 à 3 millions de spermatozoïdes. #### **Premier lieu de stockage des spermatozoïdes** - Survie des spermatozoïdes dans les cryptes cervicales: - 3 à 4 jours. - Pas de survie des spermatozoïdes dans le vagin: - Acidité vaginale délétère pour les spermatozoïdes. ### **Remontée des voies génitales** #### **Passage des sphincters utéro-tubaires** - Deuxième barrière physiologique présente entre l'utérus et la trompe utérine. #### **Remontée des trompes** - Principal lieu où se fera la capacitation des spermatozoïdes - Soit du bon côté avec la trompe présentant le complexe Cumulus-Ovocyte-Corona: - Comprenant l'ovocyte mature bloqué en métaphase II qui sera fécondable durant les 24h après l'ovulation. - Soit du mauvais côté avec la trompe sans complexe. - Chimiotactisme: les spermatozoïdes ont tendance à être attirés vers la bonne trompe. #### **Région de l'isthme tubaire** - Zone de ralentissement et de stockage: - Présence d'environ 10 000 spermatozoïdes #### **Ampoule tubaire** - Tiers externe de la trompe - Lieu de la fécondation - Présence de quelques dizaines de spermatozoïdes. ## **Étapes préalables à l'interaction** ### **Capacitation** #### **Définition** - Ensemble de changements que doivent subir les spermatozoïdes pour être capables de féconder l'ovocyte. - Une fois les changements acquis, le spermatozoïde est dit apte à féconder un ovocyte. - Etat éphémère et réversible. - S'accompagne d'un changement de mobilité: mobilité linéaire → mobilité dite « hyperactive ». #### **Rôle des canaux calciques Catsper** - Localisés au niveau de la pièce principale du flagelle. - Permettent l'entrée de calcium dans le spermatozoïde. #### **Lieu** - Lors de la remontée des voies génitales féminines - Majoritairement dans les trompes #### **In vivo** - Changements possibles lorsque les spermatozoïdes ne sont plus au contact du plasma séminal. - Élimination du plasma séminal lors du passage du col de l'utérus. #### **In vitro** - Changement reproduits afin d'obtenir des embryons par AMP (assistance médicale à la procréation). ### **Capacitation: Aspects moléculaires** - L'albumine, - Le bicarbonate, - Le calcium, - L'héparine, - Le glucose, - Les espèces réactives de l'oxygène (ROS). - Augmentation du calcium, - Production d'AMPc, - Augmentation du pH1 dans la cellule. - Phosphorylation de protéines par les PKA. #### **Cascade de signalisation** - Un schéma décrivant la capacitation et ses étapes: - L'albumine, le bicarbonate, le calcium, l'héparine et le glucose agissent sur la membrane plasmique du spermatozoïde. - Ces molécules provoquent l'activation de l'adénylate cyclase (AC), ce qui conduit à la production d'AMPc. - La PKA active les canaux calciques, ce qui provoque une augmentation de la concentration de calcium dans le spermatozoïde. - Le calcium active les protéines kinases (PK), qui phosphorylent d'autres protéines et provoquent des changements dans la mobilité du spermatozoïde. - Le spermatozoïde devient alors capable de féconder l'ovocyte. ### **Capacitation: Changements membranaires** - Départ de protéines de surface fixées sur le spermatozoïde. - Protéines inhibitrices de la capacitation. - Démasquage de récepteurs spermatiques. - Modification des résidus sucrés protéiques par des enzymes: - Démasquage de récepteurs spermatiques. - Cholestérol normalement intercalé entre les phospholipides avec un effet stabilisant de la membrane. - Membrane devient donc instable ou fusiogène. - Gràce à des accepteurs de cholestérol (albumine, LDL ou HDL) qui attirent le cholestérol présent dans les sécrétions utérines et tubaires. - Provoque l'ouverture des canaux calciques Catsper: - Entrée de calcium dans le spermatozoïde. ### **Capacitation: Changements du type de mobilité** #### **Visualisation de la trajectoire** - Non visible à l'oeil nu: visualisation subjective. - Utilisation d'une caméra scannant la trajectoire des spermatozoïdes et d'un ordinateur pour la caractériser: visualisation objective. - Vitesse curvilinéaire VCL: vitesse obtenue avec la distance parcourue suivant le cheminement du spermatozoïde. - vitesse linéaire VSL: vitesse obtenue avec la distance entre le point de départ et le point d'arrivée sans détour. - ALH: battement latéral de la tête du spermatozoïde. #### **Mesure de différentes vitesses** - Un schéma montrant la trajectoire d'un spermatozoïde et les différentes vitesses mesurées. #### **Mobilité hyperactivée pour le spermatozoïde capacité** - Diminution de la vitesse linéaire (VSL). - Augmentation de la vitesse curvilinéaire (VCL). - Augmentation du battement latéral de la tête (ALH). ## **Étapes préalables à l'interaction** ### **Réaction acrosomique (RA)** #### **Déclenchement de la réaction acrosomique dans les voies génitales féminines** - Majorité des spermatozoïdes ont subi leur réaction acrosomique avant d'entrer en contact avec le complexe Cumulus-Ovocyte-Corona : - Liaison du spermatozoïde avec la Zone pellucide (ZP) non suffisante pour induire la réaction acrosomique; - Déclenchement précis encore inconnu. #### **Acrosome** - Constitué par la membrane acrosomique externe et la membrane acrosomique interne. - Entre les deux se trouve le contenu acrosomique avec des enzymes comme la hyaluronidase, l'acrosine... #### **Mécanismes de la réaction acrosomique** - Entrée massive de calcium dans le spermatozoïde. - Fusion entre la membrane plasmique et la membrane acrosomique externe : - Formation de petites vésicules mixtes formées à partir de la membrane plasmique et de la membrane acrosomique externe. - Contenu acrosomique libéré dans le voisinage du spermatozoïde. - Membrane acrosomique interne se retrouve alors exposée à l'extérieur. #### **Modification des régions de l'acrosome** - Un schéma montrant l'acrosome et ses différentes régions. #### **Changements membranaires concomitants à la réaction acrosomique** - Au niveau de la région équatoriale et de la région post-acrosomique. - Prépare le spermatozoïde à la fusion avec la membrane plasmique de l'ovocyte. #### **Débat sur le lieu de la réaction acrosomique (RA)** - Cette réaction pourrait se produire lors de la migration tubaire. - Les spermatozoïdes ayant fait leur RA traversent les cellules du cumulus avant de se lier à la zone pellucide. - Un spermatozoïde ayant fait ou non sa RA est capable de se lier à la zone pellucide. ### **Traversée du Cumulus** #### **Complexe Cumulus-Ovocyte-Corona** - 3 000 et 6 000 cellules du cumulus. - Maintenu en place par une matrice riche en acide hyaluronique. - Un schéma montrant le complexe Cumulus-Ovocyte-Corona. #### **Mécanismes facilitant le passage des spermatozoïdes** - Mouvement hyperactif et battement latéral de la tête du spermatozoïde. - Spermatozoïdes ayant fait ou non leur réaction acrosomique. ## **Interaction avec la zone pellucide** ### **Constitution de la zone pellucide** - Glycoprotéine = chaîne polypeptidique sur laquelle sont fixés des résidus de sucre. - Différentes protéines en fonction des espèces animales: - 3 glycoprotéines chez la souris: ZP1, ZP2 et ZP3. - Formation de filaments hétérodimériques de ZP2 et ZP3 disposés en alternance. - Reliés par des ponts ZP1. - 4 glycoprotéines chez l'espèce humaine: ZP1, ZP2, ZP3 et ZP4. - Rôle ZP4 non connu. - Organisation de la zone pellucide chez la souris: - Un schéma montrant l'organisation de la zone pellucide chez la souris. #### **Zone pellucide spécifique d'espèce** - Spermatozoïde humain incapable de féconder un ovocyte de cochon d'inde. - Barrière à la fécondation inter-espèce. ### **Interaction avec la zone pellucide** #### **Fixation primaire et traversée de la zone pellucide** - Met en jeu une reconnaissance ligand/récepteur : - Partie N-terminale de ZP2 sur l'ovocyte chez la femme et la souris: hypothèse actuelle. - Récepteurs multiples de la membrane plasmique du spermatozoïde. - Un schéma montrant la fixation du spermatozoïde à la zone pellucide. #### **Traversée de la zone pellucide** - Mécanisme chimique? - Digestion de la zone pellucide grâce à deux enzymes: - Acrosine cible ZP1. - N acétylglucosaminidase cible ZP2 et ZP3. - Mécanisme physique? - Hyperactivité du spermatozoïde. ## **Entrée dans le cytoplasme ovocytaire** - Interaction avec la membrane plasmique de l'ovocyte. - Un schéma montrant l'entrée du spermatozoïde dans le cytoplasme ovocytaire. #### **Fusion entre 2 membranes plasmiques** - Membrane plasmique de la région équatoriale et post-acrosomique ou cape post-acrosomique du spermatozoïde. - Fusion débutant au niveau de la région équatoriale puis se propageant à l'ensemble de la membrane plasmique. - Membrane plasmique de l'ovocyte. #### **Molécules impliquées dans cette étape de fusion** - Sur le spermatozoïde - IZUMO1 (Ig like). - SPACA6(Ig like). - Sur l'ovocyte - JUNO: récepteur de IZUMO1. - CD9 (tétraspanines). - CD81 (tétraspanines). #### **Incorporation de l'intégralité du spermatozoïde dans le cytoplasme ovocytaire** - Il n'y a pas que la tête qui est incorporée. ## **Activation de l'ovocyte** ### **Oscillations calciques** - Contenue dans le cytoplasme du spermatozoïde. - Provoque l'activation de seconds messagers à l'intérieur de l'ovocyte, notamment le PIP2: - Libération d'IP3. - Action sur des canaux calciques - Stocké dans le réticulum endoplasmique ovocytaire. - = Oscillations calciques - Un schéma montrant les oscillations calciques dans l'ovocyte. ### **Formation des pronoyaux** #### **Achèvement de la 2ème division méiotique** - Environ 2h après la fusion du spermatozoïde et de l'ovocyte. - Explusion du 2ème Globule Polaire, contenant les chromatides sœurs, dans l'espace périvitellin. - Organisation du reste des chromosomes au centre d'une membrane nucléaire pour former un pronoyau (PN) femelle haploïde : - Mesurant environ 22 microns de diamètre pour l'espèce humaine. #### **Formation du pronucléus mâle** - Rupture de la membrane nucléaire. - Réduction des ponts disulfures (SS) en groupements thiols (SH) via le glutathion GSH contenu dans l'ovocyte - Remplacement des protamines au niveau de l'ADN par des histones issues de l'ovocyte - Reformation de la membrane nucléaire. - Chromosomes paternels rassemblés dans une structure mesurant 24 microns de diamètre. #### **Ovocyte fécondé** - Obtention d'un ovocyte fécondé ou zygote qui effectue sa première division cellulaire première division de segmentation. - Ovocyte fécondé = 2 pronoyaux + 2 globules polaires. ## **Activation de l'ovocyte** ### **Blocage de la polyspermie** #### **Polyspermie** - Fécondation de l'ovocyte par plusieurs spermatozoïdes. - Fusion des granules corticaux avec la membrane plasmique ovocytaire: - Petits sacs d'enzymes situés sous la membrane plasmique ovocytaire depuis le pic de LH - Provoque la libération de leur contenu dans l'espace périvitellin. #### **Réaction corticale** - Un schéma montrant la réaction corticale. #### **Blocages immédiats** - Libération de zinc: - Quelques minutes après la fécondation - Modification de la densité de la zone pellucide. - Inhibition de la fixation à la zone pellucide. - Inhibition de la mobilité des spermatozoïdes. - Libération de JUNO dans l'espace péri-vitellin: - 40 minutes après la fécondation - Leurre empêchant la fixation des spermatozoïdes sur la membrane ovocytaire. #### **Blocages différés** - Libération de l'ovastacine : - 4 heures après la fécondation. - Clivage de la région N-terminale de ZP2 empêchant la fixation sur la zone pellucide. ## **Activation de l'ovocyte** ### **Elimination des mitochondries paternelles** - Entrée intégrale du spermatozoïde - Œuf contient uniquement des mitochondries maternelles - Spermatozoïde entré dans l'ovocyte avec sa pièce intermédiaire contenant les mitochondries. - Mitochondries paternelles détruites dans l'œuf. ## **Maladies trophoblastiques issues d'anomalies de la fécondation** #### **Caractéristiques de ces maladies** - Présence d'un lot surnuméraire de chromosomes paternels: - Non équivalence des génomes paternel et maternel. - Prolifération exagérée du trophoblaste au dépend des tissus embryonnaires: - Absence de la masse cellulaire interne. #### **Fréquence** - 0,1 à 0,5% des grossesses totales #### **Diagnostic** - Taux très élevé de βhCG. - Echographie: structure tissulaire sans embryon ni cavité amniotique. #### **Evolution** - Interruption spontanée. - Développement après le 1er trimestre => môle hydatiforme. ## **Maladies trophoblastiques issues d'anomalies de la fécondation** ### **Môle hydatiforme complète** - Caryotype normal diploïde mais tous les chromosomes sont issus du père. #### **Zygote androgénote** - Fécondation par 2 spermatozoïdes puis élimination du noyau femelle - Fécondation par 1 spermatozoïde, élimination du noyau femelle puis duplication du noyau mâle. - Un schéma montrant les deux possibilités de formation d'une môle hydatiforme complète. #### **Correspond à du trophoblaste uniquement** - Possibilité de transformation en tumeurs malignes: choriocarcinome. #### **Fréquence accrue** - Ages extrêmes de la vie: très jeunes femmes ou femmes proches de la ménopause. - Ethnies africaines et asiatiques.