Chapitre 3 : La fécondation

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1 Chapitre 3 : La fécondation La fécondation correspond a lʼensemble des événements qui aboutissent a la rencontre puis a lʼunion dʼun gamète male le spz et dʼun gamète femmelle lʼovocyte2 pour aboutir a une cellules appelée le zygote. Dans lʼespèce humaine la fécondation dépend de la période de fécondabilité et du transit des spz dans les voies génitales féminines. I- La période de fécondabilité 1- Définition La période de fécondabilité correspond a la période durant laquelle un rapport sexuel peut etre suivi dʼune grossesse. Cette période dépend de la durée de survie des 2 gamètes, ceci détermine la longueur de la période et de la date de lʼovulation cad de la place de lʼovulation dans le cycle. 2- La durée de survie des gamètes La durée de survie des spz est au moins de 3 à 4 jours au niveau de lʼutérus et de la trompe cad une fois quʼils ont pénétrer la glaire cervicale. En effet dans le vagin les spz ne survivent pas plus que qq dizaine de minutes. La durée de survie de lʼov2 nʼexcède pas 24h. Compte tenu de ces paramètre on en déduit que la période de fécondabilité est dʼenviron 5j sur un cycle de 28j. II- Le transit des spz dans les voies génitales féminines Les spz déposés dans le fond du vagin vont devoir traverser la glaire cervical, ou mucus cervical puis lʼutérus et la trompe avant de rejoindre lʼovocyte. Au cours de leur ascension vers les trompes les spz rencontrent un certain nombre de barrières physiologiques les unes entravant leur progression les autres facilitant cette progression. Ceci permet de réguler le nombre de spz présent dans la trompe utérine. Il faut que sur les plusieurs millions de spz déposés dans le vagin une centaine parviennent au lieu de la fécondation. Dans les voies génitales féminines les spz vont poursuivre leur maturation commencée dans lʼépididyme. La maturation des spz correspond à une série de modifications qui nécessite un séjour de plusieurs h dans le tractus génital féminin. Ces modifications regroupent la capacitation, lʼhypermobilité et la réaction acrosomique des spz. Ces modifications vont rentrent les spz aptes à la fécondation. 1- Au niveau du vagin Les spz déposés dans le fond du vagin sont de qualité inégale. En effet dans un éjacula se trouvent des spz dʼages différents. Ceux qui se trouvent etre dʼage optimal (+les spz qui présentent des anomalies morphologiques et physiologiques) sont en minorité. 2- La traversée de la glaire cervicale La glaire cervicale ou mucus cervical est une sécrétion de la paroi du canal cervical. Cette glaire cervicale obstrue en permanence le canal cervical. Elle correspond à un gel visqueux riche en eau dont le composition, les propriétés et lʼabondance varient en fonction du cycle menstruel. Ainsi cette glaire est sécrétée en faible quantité au début du cycle sous lʼinfluence de lʼoestradiol sa production augmente, pour atteindre un maximum

2 en période péri-ovulatoire. Puis sa production diminue et redevient faible. En période périovulatoire, la glaire cervicale est hydratée au maximum, elle est limpide et fluide, son ph est alcalin. En m e à balayage, il est possible de voir que le réseau de filaments de glyco protéines forme des mailles larges. En dehors de la période péri-ovulatoire, le mucus est opaque, les mailles du réseau glyco protéiques sont resserrées. La traversée du mucus cervical est la première barrière physiologique que doivent franchir les spz déposés au fond du vagin. Ce milieu est particulièrement favorable aux spz pendant la période péri-ovulatoire. Les spz peuvent franchir la glaire cervicale en 30 min. Cette traversée va leur permettre dʼéviter de rester dans le vagin où lʼacidité du milieu les détruits rapidement, de se débarrasser du liquide séminal et de sélectionner les spz mobiles. Lʼélimination du liquide séminal est à préalable indispensable au phénomène de capacitation et de réaction acrosomique. Des spz sont mis en réserve dans les cryptes du canal cervical. Ce stockage de spz permet une fécondation meme plusieurs jours après un rapport sexuel. 3- La traversée de lʼutérus Au cours de la traversée de lʼutérus, il y a encore une perte importante de spz. Les contractions utérines permettent de sélectionner les spz les plus résistants. 4- La traversée de la trompe Les spz arrivent au niveau de la trompe essentiellement grace a leur mobilité. Leur trajet est cepdt influencé par le flux liquidien qui sʼécoule lentement des trompes vers lʼutérus. Les spz sʼorientent à contre courant et seuls les plus vaillants peuvent passer. Lʼécoulement du liquide est favorisé par les battements des cils des cellules ciliées de lʼépithélium tubaire et par les contractions péristaltiques des muscles lisses. Seuls qq dizaine de spz atteignent simultanément le site de la fécondation. La fécondation a lieu dans le tier externe de la trompe au niveau de lʼampoule. À ce niveau les spz entourent rapidement lʼovocyte. 5- La capacitation Au cours du transit dans les voies génitales féminines se déroule la capacitation. Ce phénomène est très important car sans lui la fécondation ne pourrait pas avoir lieu. La capacitation correspond au démasquage du pouvoir fécondant acquis puis masqué durant le transit épididymaire. Deux conditions assurent une bonne capacitation : la capacitation ne peut pas avoir lieu si le liquide séminal nʼest pas éliminé, la capacitation est favorisée par les oestrogènes qui sont maximum au cours de la période péri-ovulatoire. Dans lʼespèce humaine la capacitation dure environ 5h. Elle se manifeste par une modification de nombre et de structure des protéines de la membrane plasmique des spz, une modification de leur lipide membranaire et par la mise en place de molécules qui vont permettre la transmission dʼun signal intra cellulaire. La transmission du signal va aboutir à la déstabilisation de la membrane plasmique de la partie antérieure de la tete et un changement de la mobilité des spz qui se traduit par lʼaugmentation de lʼamplitude du battement flagellaire et une transformation de sa trajectoire. Les spz sont dit hypermobiles ou fléchants. Ils peuvent ainsi remontés les voies génitales féminines et atteindre le lieu de la fécondation. En résumé seuls les spz capacités à acrosomes intacts peuvent réaliser les étapes nécessaires à la fécondation, comme la traversée de la granulosa, et entreprendre la réaction acrosomique qui va leur permettre de perforer la zone pellucide. Les spz non capacités ne peuvent pas faire la réaction acrosomique.

3 III- La rencontre des gamètes Pour pénétrer à lʼintérieur de lʼovocyte, le spz doit franchir successivement les cellules de la granulosa (cumulus oophorus + corona radiata), la zone pellucide et la membrane plasmique de lʼovocyte. Lʼentrée du spz dans lʼovocyte va provoquer des modifications profondes de lʼovocyte et du spz. En effet lʼovocyte libéré au moment de lʼovulation est un ovocyte de deuxième ordre bloqué en métaphase de seconde division de méiose. Lʼovocyte est entouré par la zone pellucide, elle meme recouverte dʼune grande quantité de cellules de la granulosa qui baignent dans un gel dʼacide hyaluronique. Lʼovocyte est métaboliquement inerte et sa survie est courte en lʼabsence de fécondation. Lʼovocyte expulsé du foll mur est recueilli par le pavillon de la trompe et transporté en direction de lʼutérus. Le lieu habituel de la fécondation est le tier externe de la trompe. Le transport de lʼovocyte jusquʼà lʼampoule met en jeu les contractions musculaires de la paroi tubaire, ainsi que les cils de lʼépithélium tubaire. 1- La traversée de la granulosa Les spz qui atteignent la granulosa dispersent les cellules de la granulosa et la traverse grace a une hyaluronidase libérée par le spz. Cette hyaluronidase liquéfie la matrice extra cellulaire du cumulus oophorus et la corona radiata riche en acide hyaluronique ce qui facilite le passage des spz. 2- La traversée de la zone pellucide Dans lʼespèce humaine seuls les spz dont la membrane plasmique est intacte peuvent se lier à la zone pellucide. Cette zone pellucide est formée dʼun réseau de filaments, de trois glyco protéines élaborées par lʼovocyte, et les cellules péri-ovocytaire de la corona radiata. Cette zone pellucide facilite la migration tubaire de lʼovocyte, en évitant une implantation dans les trompes. Cette zone pellucide sert aussi de barrière dʼespèces car elle interdit les fécondations croisées. Elle permet au sein dʼune meme espèce la liaison dʼun spz via ZP3. La partie antérieure de la membrane plasmique des spz cad celle qui recouvre lʼacrosome contient des récepteurs à ZP3. La liaison ZP3- spz est réversible. Et la reconnaissance de ZP3 par le spz déclenche la réaction acrosomique. La réaction acrosomique se traduit par la fusion de la membrane plasmique du spz et de la membrane externe de lʼacrosome en de multiples zones. Aux zones de fusion, les membranes se résorbent, les résidus des membranes sont éliminés sous forme de vésicules membranaires. La résorption des membrane expose la membrane interne de lʼacrosome au contact de la zone pellucide. Le compte tenu de lʼacrosome est éliminé par exocytose. Lʼexocytose sʼaccompagne de mouvements de calcium et de potassium, augmentation du ph, morcellement de la gaine mitochondriale, dégagement de chaleur. A la fin de la réaction acrosomique la membrane interne de lʼacrosome est directement exposée au milieu extérieur, des molécules portées par la membrane interne de lʼacrosome servent alors de ligands à ZP2. La liaison à ZP2 est irréversible. Les enzymes protéolytiques libérées dans lʼacrosome assurent une digestion partielle de la zone pellucide et permettent aux spz de la traverser. 3- La fusion des gamètes Le premier spz qui a traversé la zone pellucide sʼintroduit dans lʼespace péri-vitellin et fusionne immédiatement avec lʼovocyte. La première étape de la fusion des gamète correspond à lʼimmobilisation en position tangentielle du spz au contact de la membrane plasmique de lʼovocyte. Puis par la membrane plasmique de la région équatoriale de sa

4 tete le spz fusionne avec la membrane plasmique de lʼovocyte. La fusion des membranes plasmique se fait grace à la liaison entre des molécules de la membrane plasmique de la tete du spz et des récepteurs de la membrane plasmique ovocytaire. Une fois la fusion des membranes plasmique achevée le spz entre complètement dans le cytoplasme de lʼovocyte. Lʼentrée du spz dans lʼovocyte entraine une augmentation de la concentration du calcium intra cellulaire de lʼovocyte ce qui a deux conséquences majeures : le déclenchement de la réaction corticale et lʼactivation de lʼovocyte. 4- La réaction corticale La mobilisation du calcium intra cellulaire déclenche la réaction corticale. La réaction corticale correspond à la libération par exocytose dans lʼespace péri-vitellin des enzymes lysosomiales contenues dans les granules corticaux de lʼovocyte. Les enzymes restructurent les glyco protéines sulfatées de la zone pellucide. Ainsi ZP3 est modifiée, elle devient inapte à fixer de nouveaux spz, ZP2 est clivée et ZP1 dégradée. Cette restructuration des glyco protéines évite la polyspermie. 5- Lʼactivation du zygote Au moment de la fécondation, lʼovocyte est bloqué en métaphase de seconde division de méiose. Cet arret est sous la dépendance du MPF et du CSF. Le CSF stabilise le MPF. Or le CSF est très sensible au taux de calcium intra ovocytaire. Ainsi lʼélévation du taux de calcium dans le cytoplasme de lʼovocyte qui est une conséquence de lʼentrée du spz dans lʼovocyte se traduit par une inhibition du CSF. Comme le CSF ne stabilise plus le MPF, le MPF est dégradé, et donc la méiose peut reprendre. Lʼachèvement de la méiose 2 aboutit à la formation de deux cellules filles de tailles inégales, une des cellules filles est lʼovule qui conserve la totalité du cytoplasme de lʼovocyte 2 et lʼautre cellule est le second globule polaire qui recoit une petite quantité de cytoplasme. Cpdt lʼovule qui est déjà fécondé a ses 23 chromosomes à une chromatide soeur et ceux du spz. Le second GP a 23 chromosomes. 6- Les transformations du spz Dans le cytoplasme de lʼovocyte pdt que sʼachève la méiose de lʼovocyte, le spz subit des modifications. La tete du spz se détache du corps du spz, la membrane nucléaire du spz se fragmente, cette fragmentation est suivie de la décondensation de la chromatine spermatique. Les protamines sont libérées et remplacées par des histones élaborées par lʼovocyte. La décondensation de la chromatine spermatique est induite par des facteurs cytoplasmique ovocytaire. Une enveloppe nucléaire se reconstitue autour de la chromatine masculine et de la chromatine féminine. Ceci forme les pronoyaux ou pronucléi male et femelle. Chaque pronucleus migre de sa position sous corticale vers le centre du cytoplasme de facon à devenir adjacent à son partenaire. Pendant ce temps chaque lot haploide de chromosomes synthétise son ADN. Les membranes pronucléaires qui entourent les chromosomes dupliqués se fragmentent, le fuseau mitotique se constitue et se met en place a partir du centriole proximal du spz. Les chromosomes dupliqués de chacun des lots paternel et maternel se disposent en plaques équatoriales sur le fuseau. La métaphase de 1ière division de segmentation de lʼoeuf peut se produire. IV- Les anomalies de la fécondation

5 La fécondation est évidement impossible si les gamètes ne peuvent pas se rencontrer, soit parce quʼils sont absents, soit parce quʼil existe un obstacle mécanique dans les voies génitales, soit parce quʼils sont détruits au cours de leur trajet. La fécondation est également impossible ou gravement perturbée si les gamètes présentent des anomalies de leur différenciation ou de leur maturation. Les troubles du déroulement de la fécondation aboutissent soit à un échec soit à un arret plus ou moins précoce de lʼévolution ultérieure du zygote. Après lʼentrée des spz dans la granulosa tous les stades ultérieurs sont susceptibles dʼetre bloquer ou de se dérouler de facon anormale. Les causes de perturbations peuvent etre rapportées soit à lʼovocyte soit au spz. La fécondation ne peut aboutir à son terme en cas de faillites de lʼune des réactions qui précèdent lʼactivation de lʼovocyte. Par exemple la capacitation, la fixation à la zone pellucide, la réaction acrosomique, la fusion des membranes plasmiques des gamètes. La lenteur ou lʼinsuffisance de la réaction corticale peut autoriser que plusieurs spz franchissent en meme temps la zone pellucide et pénètrent dans lʼovocyte. Ceci provoque une polyspermie. Les ovocytes immatures ne sont pas fécondés ou ne terminent pas la fécondation. Dʼune facon générale, les anomalies chromosomiques des gamètes et la polyspermie nʼempechent pas le déroulement de la fécondation mais sont à lʼorigine de perturbations ultérieures. V- Les anomalies par excès de génome Ces anomalies sont rares, elles se produisent au moment de la fécondation, lʼoeuf contient soit 3 génomes on parle de triploïdie ou 4 génomes on parle de tétraploïdie. Les mécanismes de formation des triploïdie sont dues soit au fait que lʼovocyte 2 nʼexpulse pas le deuxième GP, à ce moment la lʼoeuf contient 3 génomes, les divisions cellulaires commencent et la grossesse démarre. Autre mécanisme de formation, soit 2 spz pénètrent dans lʼovocyte 2 parce quʼil nʼy a pas eu de formation de la membrane de fécondation pour empecher la polyspermie. Ou alors le spz qui pénètre dans lʼovocyte est diploïde. Dans la majorité des cas les triploïdie aboutissent à une fausse couche spontanée, elles peuvent arriver à terme, mais lʼenfant est porteur de nombreuses anomalies congénitales et il mort rapidement. Les tétraploidies (le caryotype est à 92 chromosomes) sont observables que dans les produits de fausse couche spontanée. VI- Les conséquences de la fécondation Les conséquences de la fécondation sont la reconstitution du nombre diploide de chromosomes : cʼest lʼamphimixie. La formation dʼun nouveau génome différent de celui du père comme de celui de la mère et modulé par les phénomène épigénétique comme lʼempreinte génomique et lʼinactivation de lʼx. Lʼétablissement du sexe génétique déterminé par la nature du chromosome sexuel Y ou X apporté par le spz. 1- La reconstitution de la diploidie La fécondation permet lʼunion de gamètes haploides, un ovocyte 2 et un spz, ce qui aboutit à la formation du zygote. Cʼest une cellule diploide (génome composé pour moitié par les 23 chromosomes de lʼovocyte on parle de chromosomes dʼorigine maternel et par les 23 chromosomes du spz fécondant on parle de chromosome dʼorigine paternel) totipotente (capable de lancer les mécanismes de morphogenèse qui sont à lʼorigine de lʼélaboration dʼun individu génétiquement unique).

6 2- Lʼempreinte génomique Lʼempreinte génomique ou empreinte parentale correspond à lʼexpression différentielle des génomes paternel et maternel. En effet tout au long du développement pré-natal et après la naissance une partie du matériel génétique réunis par la fécondation conserve la mémoire de son origine maternel ou paternel et sʼexprime dʼune facon sélective. Classiquement les gènes représentent une copie ou allèle maternel et une copie ou allèle paternel et ont une expression équivalente ou bi-allélique. Lʼempreinte parentale module cette expression des gènes, ainsi les gènes soumis à lʼempreinte se caractérisent par lʼexpression dʼun seul allèle, expression mono-allélique (soit lʼallèle dʼorigine paternel soit lʼallèle dʼorigine maternel). Cette empreinte parentale persiste tout au long de la vie, elle est effacée pendant la gamétogenèse, et elle est rétablie au moment de la fécondation. 3- Lʼinactivation de lʼx Chez les individus de sexe féminin, lʼinactivation de lʼun des deux chromosomes X est un mécanisme de régulation coordonnée qui survient au cours de la deuxième semaine du développement et qui assure entre les deux sexes lʼéquivalence quantitative des gènes. La quasi totalité des gènes de lʼun des deux chromosomes X est réprimée. Lʼinactivation de lʼx se transmet de facon clonale. Lʼinactivation de lʼx est initié par le centre dʼinactivation localisé en Xq13. Il contient un gène Xist, cʼest uniquement lʼx inactif qui lʼexprime. Lʼinactivation de lʼx est stable pour une cellule somatique donnée cad que la lignée cellulaire issue dʼune cellule inactive le meme X que la cellule mère. Dans les cellules somatiques quelque soit le nombre de chromosomes X présents, un seul X reste actif. Le ou les chromosomes X inactivés se condensent et sont situés dans le noyau, sous la forme dʼun petit amas dʼhétérochromatine situé contre lʼenveloppe nucléaire quʼon appelle corpuscule de Barr (visibles en m e). Lʼinactivation de lʼx est aléatoire, ainsi dans les cellules embryonnaires lʼinactivation sʼeffectue au hasard, elle touche indifféremment lʼx paternel ou maternel. Dans les cellules extra embryonnaire (placenta) lʼinactivation est soumise à lʼempreinte et touche de facon préférentielle lʼx paternel. La réactivation de lʼx survient dans les cellules germinales au moment de la gamétogenèse.