Processus de fécondation humaine

La Fécondation (ME 11)

La fécondation est un processus hautement synchronisé où deux cellules germinales, spécialisées et haploïdes, fusionnent pour donner une cellule unique diploïde : le zygote.

Les 5 Étapes Clés de la Fécondation

1. Capacitation : Maturation fonctionnelle du spermatozoïde.
2. Réaction acrosomique : Reconnaissance et fusion des deux gamètes suite aux modifications de la membrane.
3. Fusion : Fusion des gamètes et réaction corticale, bloquant la polyspermie.
4. Amphimixie : Mise en commun du matériel génétique.
5. Activation métabolique de l'œuf.

La fenêtre de fécondabilité est la période durant laquelle un rapport sexuel peut être fécondant (environ 10 minutes maximum). Elle dépend de la survie des gamètes (jusqu'à 5 jours dans la glaire cervicale pour un cycle de 28 jours) et de la date d'ovulation (12-14ème jours du cycle).

Trajet du Spermatozoïde dans les Voies Génitales Féminines

Le spermatozoïde subit une maturation dans les voies génitales féminines, incluant la capacitation, l'hypermobilité et la réaction acrosomique.

1. Traversée du Vagin

• Environ 200 à 500 millions de spermatozoïdes.
• pH acide qui réduit leur nombre.
• Liquéfaction de l'éjaculat pendant la remontée du tractus génital.

2. Traversée du Canal Cervical

La glaire cervicale joue un rôle crucial en période pré-ovulatoire :

• Filtre hydraté, limpide, fluide au pH alcalin.
• Réseau de filaments de glycoprotéines à mailles larges, permettant la traversée en 30 minutes.
• Sa quantité est faible en début et fin de cycle, maximale en période péri-ovulatoire grâce à l'œstradiol.
• Son objectif est de protéger les spermatozoïdes de l'acidité vaginale et de détruire le liquide séminal, indispensable à la capacitation et à la réaction acrosomique.
• Les spermatozoïdes peuvent être stockés dans les cryptes du canal cervical.

3. Traversée de l'Utérus

Les contractions utérines éliminent les spermatozoïdes les moins résistants.

4. Traversée de la Trompe

• Seuls les spermatozoïdes mobiles y parviennent.
• Ils circulent à contre-courant.
• Seules quelques dizaines atteignent l'ampoule de la trompe.

5. Capacitation du Spermatozoïde

La capacitation est l'ensemble des modifications structurelles et fonctionnelles qui permettent au spermatozoïde d'acquérir sa capacité fécondante, caractérisée par une hyperactivité et la capacité d'effectuer la réaction acrosomique.

La liquéfaction de l'éjaculat est indispensable car elle élimine les facteurs décapacitants (inhibiteurs) présents dans le plasma séminal ou fixés sur les spermatozoïdes, favorisant ainsi la fécondation. Ce processus est facilité par les œstrogènes (++ pendant la période péri-ovulatoire).

Il y a 3 étapes principales de la capacitation :

1. Modifications du nombre et de la structure des protéines de la membrane des spermatozoïdes.
2. Modifications de la composition lipidique de la membrane.
3. Activation des molécules de transmission de signaux.

1) Retrait des protéines superficielles : Ces protéines stabilisent la membrane et sont sous le contrôle des glycosaminoglycanes (héparine et sulfate de chondroïtine). Les protéines du tractus féminin fixent les protéines masculines.

2) Membrane asymétrique du spermatozoïde :

• Feuillet externe : phosphatidylcholine, sphingomyéline.
• Feuillet interne : phosphatidyléthanolamine, phosphatidylsérine.

Différentes enzymes agissent :

• FLIPASE : déplace PE et PS de l'EXThibition vers l'INTerne.
• FLOPPASE : déplace PC et SL de l'INTerne vers l'EXThibition (consomme de l'énergie).
• SCRAMBLASE : réalise des mouvements bidirectionnels et symétriques (activée par le calcium).

Pendant la capacitation, il y a une perte de l'asymétrie vers une symétrie membranaire, due à l'inhibition de la flippase et à l'activation de la scramblase. Il y a aussi un efflux de cholestérol vers le pôle apical de la tête du spermatozoïde, ce qui augmente la fluidité membranaire.

3) Entrée de Ca²⁺ et bicarbonate : Ces ions activent la PKA qui phosphoryle les protéines des dynéines du flagelle, entraînant une hyperactivité du spermatozoïde. Une autre voie implique la calmoduline kinase qui, en présence de Ca²⁺, phosphoryle la dynéine, menant à un mouvement méandriforme/curvilinéaire et à l'hyperactivation du spermatozoïde.

L'action seule du HCO₃⁻ conduit à une augmentation du pH intracellulaire et à l'activation des canaux potassiques, ce qui entraîne une hyperpolarisation du spermatozoïde et le démasquage des récepteurs spermatiques.

Conséquences :

• Perte de l'asymétrie membranaire et efflux de K⁺, augmentant la fluidité membranaire.
• Apparition de points de fusion entre la membrane du spermatozoïde et la membrane de l'acrosome, permettant l'externalisation de récepteurs pour la fixation à la zone pellucide.

Phénomènes et Étapes de la Fécondation

Pour pénétrer l'ovocyte, le spermatozoïde doit traverser plusieurs couches :

• Le cumulus oophorus et la corona radiata.
• La zone pellucide.
• La membrane plasmique ovocytaire.

1. Traversée de la Granulosa et du Cumulus Oophorus

Les spermatozoïdes qui atteignent la granulosa dispersent ses cellules et libèrent de l'hyaluronidase (PH20) qui dégrade la MEC du cumulus oophorus et de la corona radiata (toutes deux riches en acide hyaluronique), facilitant ainsi leur passage.

2. Fixation à la Zone Pellucide (ZP)

La ZP est un réseau filamenteux entourant l'ovocyte, composé d'une matrice glycoprotéique. Elle est élaborée par l'ovocyte et les cellules péri-ovocytaires de la corona radiata. Ses fonctions incluent :

• Faciliter la migration de l'ovocyte et éviter l'implantation ectopique.
• Servir de barrière d'espèce.
• Permettre la liaison du spermatozoïde et déclencher la réaction acrosomique.

Seuls les spermatozoïdes avec une membrane intacte peuvent se lier à la ZP.

	HOMME	SOURIS
Glycoprotéines présentes dans la ZP	ZP1, ZP2, ZP3, ZP4	ZP1, ZP2, ZP3
Glycoprotéines reconnues	ZP3, ZP4	ZP3
Récepteurs au niveau du spermatozoïde	Fucosyltransférase-5 (au niveau de la membrane de la région acrosomique)	β1,4galactosyltransférase-1 (GalT), SEO-1, Zonadhésine, Spermadhésine

La traversée de la ZP se déroule en 4 étapes :

1) Liaison primaire : Liaison réversible des spermatozoïdes avec ZP3 et ZP4 (non spécifique d'espèce), ce qui déclenche la réaction acrosomique par une entrée de Ca²⁺.

2) Réaction acrosomique : L'acrosome est un granule sécrétoire dérivé de l'appareil de Golgi. Elle implique un rapprochement puis fusion de la membrane acrosomique externe et la membrane plasmique du spermatozoïde grâce à l'adénylcyclase et la synaptotagmine (sensible au Ca²⁺).

Cette réaction entraîne :

1. Vésicularisation.
2. Libération du contenu acrosomique par exocytose :
   • Proacrosine (convertie en acrosine active).
   • Sérine protéase.
   • Hyaluronidase.
   • Métalloprotéases.
   • Enzymes du protéasome.

L'activation de voies de signalisation (PLC, PLA2, adénylate cyclase) permet :

• Augmentation du pH intracellulaire du spermatozoïde.
• Augmentation du Ca²⁺ intracellulaire du spermatozoïde.
• Production de lipides fusogènes, permettant la réaction acrosomique.

3) Liaison secondaire : Après la réaction acrosomique, la membrane acrosomique interne est exposée au milieu externe et contient des protéines telles que SP56, zonadhésine, proacrosine (ligand pour ZP2). Cette liaison est IRRÉVERSIBLE.

4) Traversée de la ZP : Les enzymes protéolytiques de l'acrosome hydrolysent ZP1, libérant les chaînes ZP2, ZP3, ZP4, ce qui réduit la résistance de la ZP. Le spermatozoïde, hyperactif après la capacitation et la réaction acrosomique, utilise ses mouvements pour pénétrer la ZP. L'hyaluronidase acrosomique dégrade l'acide hyaluronique et la β-N-Acétylglucosaminidase rompt les liens entre le spermatozoïde et les protéines de la ZP. Le spermatozoïde s'immobilise finalement en position tangentielle dans l'espace péri-ovocytaire.

3. Fusion des Gamètes

Le premier spermatozoïde qui traverse la ZP s'introduit dans l'espace péri-ovocytaire et fusionne rapidement avec l'ovocyte. Ce processus est très spécifique au niveau moléculaire et de l'espace :

1. Immobilisation du spermatozoïde dans l'espace péri-ovocytaire.
2. Contact entre les microvillosités de l'ovocyte et la région équatoriale du spermatozoïde.
3. Intégration progressive de la tête entière du spermatozoïde.

Plusieurs ligands sont impliqués dans la fusion des gamètes :

• IZUMO1 (spécifique du spermatozoïde, exposé après la RA) : Protéine transmembranaire de type 1 de la superfamille des immunoglobulines. Sa seule fonction est la fixation à la membrane plasmique de l'ovocyte.
• JUNO (spécifique de l'ovocyte) : Récepteur liant d'IZUMO, membre de la famille des récepteurs aux folates (ne fixe pas l'acide folique). Disparaît de la membrane après la réaction corticale, jouant un rôle dans le blocage de la polyspermie.
• Les protéines de la famille ADAM (A Disintegrin And Metalloprotease) : Protéines transmembranaires hétérodimères. Le domaine désintégrine du spermatozoïde interagit avec l'intégrine de l'ovocyte. Exemples : Fertiline α et β, cyritestine (ADAM3) chez la souris ; Fertiline β (ADAM2) chez l'homme.
• Les Intégrines (sur l'ovocyte) : Hétérodimères composés de sous-unités α et β. L'intégrine $\alpha6\beta1$ se lie à ADAM.
• Le CD9 (sur l'ovocyte) est abondant et exprimé sur la totalité de la membrane.

D'autres molécules sont impliquées : côté féminin (P-sélectine, CD51, CD80) et côté masculin (CD46, ITG-A4, GusP1 et 2).

6. Activation Ovocytaire (dépendante du calcium)

L'intégration du spermatozoïde fécondant active la PLCγ, hydrolysant le PIP2 en IP3 et DAG. L'IP3 active les canaux IP3 du RE, entraînant une sortie de Ca²⁺. La réintégration du Ca²⁺ (par pompes ATPases) modifie l'activité des protéines Ca²⁺ dépendantes et de la calmoduline, activant ainsi l'ovocyte.

Réaction Corticale

Elle consiste en la libération par exocytose, dans l'espace péri-ovocytaire, des enzymes lysosomales des granules corticaux de l'ovocyte. Ces enzymes modifient les glycoprotéines sulfatées de la ZP :

• ZP3 et ZP4 sont dé-glycosylées (inaptes à lier d'autres spermatozoïdes).
• ZP2 est clivée par des protéases.
• ZP1 est dégradée par la β-hexosaminidase.

Cette compaction de la ZP (appelée blocage secondaire de la polyspermie) rend la ZP incapable de lier de nouveaux spermatozoïdes, évitant ainsi la polyspermie. Le blocage primaire de la polyspermie est également évité par la disparition de JUNO de la membrane ovocytaire.

Achèvement de la Méiose II

L'ovocyte est bloqué en métaphase II par le MPF (Maturation Promoting Factor), stabilisé par le CSF (Cytostatic Factor). Le MPF est composé d'une cycline B et de la protéine p34/CDC2. L'augmentation du Ca²⁺ dans l'ovocyte rend le CSF sensible au calcium, entraînant son inhibition par une protéase. La dégradation du MPF (par destruction des cyclines et inactivation de p34) permet la reprise de la méiose et l'expulsion du second globule polaire.

7. Formation des Pronoyaux

Dans le cytoplasme de l'ovocyte :

• Réarrangement du cytosquelette et recrutement d'ARN maternel.
• Reconstitution de l'enveloppe nucléaire autour du matériel génétique du spermatozoïde et de l'ovocyte, formant les deux pronoyaux.
• Réplication de l'ADN de chaque pronoyau (n, 2c).
• Rapprochement des deux pronoyaux vers le centre du cytoplasme pour devenir adjacents.

Le spermatozoïde, une fois intégré dans le cytoplasme de l'ovocyte, subit des transformations :

• La tête se détache du corps.
• La membrane nucléaire se fragmente.
• Décondensation de la chromatine spermatique grâce au remplacement des protamines par des histones de l'ovocyte.
• L'enveloppe nucléaire se reforme autour de la chromatine : c'est le pronoyau mâle.
• Dégradation des mitochondries et du flagelle.
• Le centriole proximal du spermatozoïde contrôle le fuseau mitotique de l'embryon.

8. Amphimixie et Début du Développement

L'amphimixie est la mise en commun du matériel génétique maternel et paternel (ce n'est pas une fusion des pronoyaux). Elle aboutit à :

• Disparition des microtubules du fuseau, puis des chromosomes.
• Achèvement du clivage de l'ovocyte.
• Les microtubules du pronoyau (à partir du centriole proximal maternel et paternel) se placent sur la plaque équatoriale de l'embryon (22 à 26h après la fécondation).

Conséquences de la Fécondation

• Restauration de la diploïdie (amphimixie).
• Formation d'un génome unique (phénomènes épigénétiques).
• Brassage des caractères héréditaires.
• Détermination du sexe génétique (mâle hétérogamétique vs femelle homogamétique).
• Déclenchement du développement embryonnaire.

L'empreinte génomique ou parentale est l'expression différentielle des génomes maternel et paternel. Certains gènes ne sont pas soumis à l'empreinte et expriment les produits des deux allèles, tandis que d'autres sont soumis à l'empreinte et n'expriment que l'allèle d'un seul parent (effacée pendant la gamétogenèse et rétablie après la fécondation).

Anomalies de la Fécondation

Les anomalies chromosomiques des gamètes et la polyspermie n'empêchent pas la fécondation mais entraînent des perturbations ultérieures :

• Triploïdie (69 chromosomes) : L'œuf possède 3 lots de chromosomes.
  • Ovocyte inexpulsé du second globule polaire (3 génomes) : disgynie (anomalie maternelle).
  • Deux spermatozoïdes passent ou un spermatozoïde diploïde : diandrie.
  • Conduit souvent à une fausse couche spontanée.
• Tétraploïdie (92 chromosomes) : L'œuf possède 4 lots de chromosomes. Syndrome malformatif non viable, conduisant à une fausse couche spontanée.