La spermatogenèse. I) Rappels sur l'appareil génital masculin. Chapitre 2 : la spermatogenèse

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1 La spermatogenèse Comme son nom l'indique, la spermatogenèse est un processus biologique dont le but est de produire les gamètes mâles, les spermatozoïdes. Les spermatozoïdes ne contiennent que 23 chromosomes car ils sont le produit d'une cellule souche sexuelle (la spermatogonie) ayant subi une méiose (voir chapitre 1). I) Rappels sur l'appareil génital masculin 1) Aspect général L'appareil génital masculin comporte de chaque côté : un testicule, coiffé par l'épididyme et logé dans le scrotum, un canal déférent, qui prolonge l'épididyme, un canal éjaculateur qui fait suite au canal déférent. Dans la partie terminale de l'appareil, les organes sont impairs: le canal uro-génital ou urètre, issu de la vessie, la prostate. 2) Le testicule et l'épididyme 1

2 Le testicule est un organe ovoïde. Il est entouré par l'albuginée, capsule conjonctive fibreuse peu extensible, dont un épaississement au pôle supérieur forme le corps de Highmore (contenant le rete testis, voir plus bas). Partant du corps de Highmore et irradiant vers la périphérie du testicule, de fines cloisons conjonctives délimitent des lobules testiculaires, au nombre de 200 à 300 par testicule. Chaque lobule contient un peloton de tubes séminifères (1 à 4 par lobule). Du côté du corps de Highmore, les tubes séminifères de chaque lobule confluent en un tube droit de 1 mm de longueur. Les tubes droits communiquent avec un réseau de canaux parcourant le corps de Highmore, le rete testis. L'épididyme coiffe le testicule et présente à partir du pôle supérieur trois parties d'épaisseur décroissante : la tête, le corps et la queue. Il contient deux types de canaux: les cônes efférents, situés dans la tête de l'épididyme, et étant formés d'un tube spiralé émanant du rete testis; le canal épididymaire, où confluent les cônes efférents, occupe le corps et la queue de l'épididyme, et se prolonge hors de l 'épididyme par le canal déférent. 3) Les tubes séminifères En coupe transversale, un tube séminifère apparaît constitué par : une conjonctive membrane fine membrane externe, propre, cellules myoides séparées de appelée contenant des contractiles et l'épithélium par une membrane basale; un épithélium dit germinal, où deux types de cellules y sont visibles,les cellules de Sertoli et les cellules de la lignée germinale. Les cellules de Sertoli sont des cellules de forme grossièrement pyramidale et de grande taille, occupant toute l'épaisseur de l'épithélium. Elles sont dotées de multiples prolongements et sont reliées entre elles par des jonctions serrées qui se trouvent aux extrémités de leurs prolongements latéraux. Les cellules de la lignée germinale se trouvent dans le compartiment basal, contre la membrane propre, entre les cellules de Sertoli, avec lesquelles elles sont en relation par divers systèmes de jonction. Disposées en assises plus ou moins régulières, elles représentent, de la périphérie vers le centre du tube (compartiment adluminal), les stades successifs de la spermatogenèse: spermatogonies, spermatocytes primaires, spermatocytes secondaires, spermatides, spermatozoides. 2

3 Dans le tissu conjonctif lâche entourant les tubes séminifères, on trouve des îlots de cellules interstitielles, ou cellules de Leydig, disposées en cordons autour de capillaires. Elles sont responsables de la sécrétion d'androgènes. II) Le déroulement de la spermatogenèse La spermatogenèse se déroule dans les tubes séminifères et comporte 3 étapes : 1) La phase de multiplication Elle concerne les spermatogonies, cellules souches diploïdes localisées à la périphérie du tube, contre la membrane propre. Ces cellules subissent une succession de mitoses (maintien du pool de spermatogonies), dont la dernière aboutit à la formation de spermatocytes primaires, également diploïdes (une spermatogonie donne 4 spermatocytes primaires). 2) La phase de maturation Elle correspond à la méiose et concerne les deux générations de spermatocytes (primaires I ou secondaires II). Un spermatocyte I à 2n chromosomes subit la première division de méiose et donne ainsi 2 spermatocytes II à n chromosomes. Chaque spermatocyte II subit la deuxième division de méiose et donne 2 spermatides à n chromosomes. 3

4 Un spermatocyte I a donc donné 4 spermatides à la fin de la méiose. 3) La phase de différenciation Appelée aussi spermiogenèse, cette phase ne comporte pas de division mais une différenciation des spermatides en spermatozoïdes (mise en place de l'acrosome, du flagelle), qui seront libérés dans la lumière du tube séminifère.. III) Émission des spermatozoïdes Les spermatozoïdes sont produits et formés dans les testicules, puis libérés dans l épididyme. Ils passent d abord du rete testis vers la tête de l épididyme, puis dans les cônes efférents qui se poursuivent par le canal de l épididyme. Les gamètes sont modifiés tout au long de leur trajet dans les voies génitales. - Dans l épididyme,sous l action des androgènes (en particulier de la testostérone) sécrétés par les cellules de Leydig, les spermatozoïdes acquièrent leur mobilité (les spermatozoïdes produits au niveau des testicules sont très peu ou pas du tout mobiles). - Dans l épididyme, les protéines responsables de la fixation à l'ovocyte deviennent fonctionnelles : les spermatozoïdes acquièrent leur aptitude à se fixer sur la zone pellucide de l ovocyte, étape nécessaire à la fécondation. - C est également dans l épididyme que les spermatozoïdes sont décapacités, grâce au liquide séminal (également appelé plasma séminal) : les spermatozoïdes perdent alors momentanément leur possibilité de fusion avec les autres membranes. - Les spermatozoïdes peuvent être stockés dans l épididyme et y survivre jusqu à trois semaines environ. - Les spermatozoïdes passent ensuite dans le canal déférent, qui est prolongé par le canal éjaculateur traversant 4

5 la prostate et qui s associe aux canaux urinaires. Ils prennent ensuite le chemin de l urètre. Durant leur trajet, les spermatozoïdes sont mélangés à des liquides produits par les glandes sexuelles (prostate et vésicules séminales); le mélange de ces liquides donne le sperme. - On peut détailler la constitution de la phase liquide du sperme comme suit :5 % de sécrétions épididymaires, 65 % de sécrétions issues des vésicules séminales, 30 % de sécrétions prostatiques Un éjaculat est constitué d environ 2 à 5 ml de sperme et contient environ 60 millions de spermatozoïdes par ml. Durant la phase prééjaculatoire, il y a une première production d un liquide muqueux par des glandes branchées directement sur l urètre : ce sont les glandes bulbo-urétrales, qui permettent la lubrification de l urètre. Au moment de l éjaculation, la première partie de l éjaculat est constituée des sécrétions épididymaires, des sécrétions prostatiques et des spermatozoïdes : le premier jet est donc très fécondant. La deuxième partie de l éjaculat, quant à elle, est constituée des sécrétions des vésicules séminales et est beaucoup plus riche en fructose. IV) Le spermatozoïde 5

6 1) Morphologie Le spermatozoïde est une cellule très allongée composée de 3 parties visibles au microscope optique : la tête,le flagelle, et le col, portion étroite réunissant le flagelle à la tête. C'est au microscope électronique qu'apparaissent les détails de cette cellule très spécialisée. La tête : elle est grossièrement ovoïde, mais légèrement aplatie et un peu effilée vers l'avant montrant de ce fait en coupe sagittale un aspect en flamme de bougie. Elle est constituée d'un noyau et d'un acrosome, enveloppés par une mince couche hyaloplasmique et par la membrane plasmique. Le noyau occupe la majeure partie de la tête, dont il a la forme. Il est caractérisé par un aspect très dense et homogène. Il n'y a pas de nucléoles. Il est entouré par une enveloppe nucléaire de structure classique mais dépourvue de pores. L'acrosome est une vésicule aplatie, recouvrant les 2/3 supérieurs du noyau. On y distingue 2 segments différant par leur épaisseur et aussi par leur contenu enzymatique : un segment principal coiffant le 1/3 supérieur et un segment équatorial entourant le 1/3 moyen. L'extrémité postérieure de ce segment correspond à une légère dépression, l'anneau nucléaire, visible à la surface du spermatozoïde. La texture de l'acrosome est finement granuleuse et uniforme. Il contient de nombreuses enzymes hydrolytiques : glycuronidase, hyaluronidase, phosphatase acide, N-acétylglycosaminidase, protéinases neutres (acrosine) et acides, CpE ou Corona Penetrating Enzyme,etc. Ces enzymes interviendront dans la traversée des enveloppes de l'ovocyte. Le hyaloplasme est représenté par un espace sous-acrosomial et un espace péri-acrosomial. Il ne contient aucun organite, mais en arrière de l'acrosome il est condensé en une plaque circulaire, la cape post-acrosomiale. La membrane plasmique est classique et sans particularité morphologique. Le col est la zone de jonction entre la tête et le flagelle, dans laquelle on distingue deux constituants, un appareil centriolaire et une pièce connective, entourés par une mince couche de hyaloplasme et la membrane plasmique. L'appareil centriolaire est représenté par le seul centriole proximal. Sa structure est classique, avec 9 triplets de microtubules torsadés. La pièce connective comporte une formation en entonnoir dont la base est du côté du noyau et dont la paroi est composée par l'association de 9 colonnes segmentées formées chacune par l'empilement d'une douzaine de disques sombres. Cette structure adhère vers sa base à une plaque basale disposée au-dessus du centriole, et elle se prolonge par les fibres denses du flagelle. Le flagelle : à partir du col, on distingue sur sa longueur 3 parties de diamètres décroissants : la pièce intermédiaire, la pièce principale et la pièce terminale. Elles ont toutes en commun une structure axiale, l'axonème, et elles diffèrent par les structures concentriques. L'axonème a la structure classique rencontrée dans les cils vibratiles, avec 9 doublets de microtubules périphériques et un doublet central : - dans les doublets périphériques, on distingue un microtubule complet appelé microtubule A, montrant en 6

7 coupe l3 sous-unités globulaires de tubuline, et un microtubule incomplet, le microtubule B, avec 9 sous-unités de tubuline ; 2 expansions en forme de bras, constituées d'une protéine, la dynéine, sont associées aux microtubules A de chaque doublet; des ponts de nexine relient entre eux les doublets périphériques; le doublet central est entouré d'une gaine reliée par des fibres radiaires aux microtubules A périphériques. Un plan de symétrie passe entre les microtubules du doublet central. Les structures concentriques diffèrent selon le segment considéré : - en arrière de chaque doublet une série de 9 fibres denses prolongent les colonnes segmentées du col ; elles sont présentes dans la pièce intermédiaire et dans la pièce principale, où leur épaisseur diminue vers l'extrémité distale, et elles sont absentes de la pièce terminale; - le manchon mitochondrial, formé d'une spirale d'une vingtaine de mitochondries mises bout à bout, entoure l'ensemble axonème-fibres denses dans la pièce intermédiaire uniquement ; - une gaine fibreuse, formée par l'association d'anneaux semi-circulaires, entoure l'ensemble axonème-fibres denses dans la pièce principale seulement ; elle présente deux épaississements adhérents aux fibres denses 3 et 9, constituant ainsi des colonnes longitudinales, ce qui accentue encore la symétrie du flagelle. 2) Caractéristiques physiologiques - Mobitité : Les spermatozoïdes sont capables de se déplacer grâce aux mouvements de leur flagelle ; c'est une propriété essentielle, qui conditionne leur pouvoir fécondant. Le mouvement flagellaire est de type ondulatoire, les ondes naissant au niveau du col et se propageant vers l'extrémité selon une fréquence de 10 par seconde. Le déplacement du spermatozoïde se fait selon une sinusoïde de faible amplitude suivant une direction générale plus ou moins rectiligne. La vélocité du spermatozoïde est fonction de son environnement (liquide séminal liquéfié ou non, glaire cervicale,liquide utéro-tubaire), elle est de l'ordre de quelques dizaines de pm par seconde. Dans un sperme, tous les spermatozoïdes ne sont pas de mobilité parfaite. - Fécondance : Ce terme assez imprécis désigne l'ensemble des propriétés du spermatozoïde le rendant apte à toutes les étapes de la fécondation,ce qui implique donc au moins qu'il soit morphologiquement normal et qu'il ait une bonne mobilité progressive. La fécondance dépend aussi de l'équipement enzymatique acrosomial, du degré de condensation chromatique, des caractéristiques membranaires, de la présence de protéines cytoplasmiques et sans doute aussi d'autres paramètres jusqu'à maintenant mal définis. Dans un sperme les spermatozoïdes ne sont pas tous fécondants. - Vitalité : La vitalité, c'est-à-dire l'espérance de vie des spermatozoïdes est limitée. Elle est assez brève dans le liquide séminal éjaculé, puisque dans un sperme maintenu in vitro à 37 C seulement 20% des spermatozoïdes sont 7

8 encore vivants au bout de 24 heures. Elle n'est donc pas la même pour tous les spermatozoïdes. Dans le tractus génital masculin, avant éjaculation, donc dans l'épididyme, elle est de l'ordre d'une dizaine de jours. Dans le tractus génital féminin (à partir du col utérin) leur survie est au moins de 48 heures, tout au moins avec conservation de leur fécondance, mais elle peut être plus longue (cas connus d'une semaine), avec une perte progressive de la fécondance. - Activité métabolique : Elle est quasi nulle : il n'y a pas de synthèse d'arn, comme en témoignent la compaction de la chromatine ainsi que l'absence de nucléoles et de pores nucléaires ; il n'y a pas de synthèse de protéines, comme en atteste l'absence de ribosomes. Seule persiste l'activité respiratoire des mitochondries, le mouvement flagellaire exigeant un apport important d'atp. - Hétérogamétie ou digamétie : Du point de vue de l'équipement chromosomique,il y a 2 sortes de spermatozoïdes. En effet la méiose séparant les 2 éléments de la paire XY elle fournit en nombre égal des spermatozoïdes à 22 autosomes + X et d'autres à 22 autosomes + Y. Ils ne sont pas distinguables morphologiquement les uns des autres, mais il existe des moyens de les séparer in vitro (cytométrie en flux). En conclusion, le spermatozoïde est une cellule très simplifiée et en même temps spécialisée, parfaitement adaptée à sa fonction, car pourvue des seuls constituants indispensables:- un noyau,avec un génome haploïde très compacté, ce qui facilite son transport et assure sa protection contre les génotoxiques;- un acrosome, pourvu d'un équipement enzymatique permettant la traversée des enveloppes de l'ovocyte; - un appareil flagellaire assurant son déplacement vers le gamète féminin, qui est immobile;- un équipement mitochondrial fournissant l'énergie nécessaire aux mouvements flagellaires;- des protéines membranaires et cytoplasmiques permettant la fécondation. Temporairement cependant le spermatozoïde éjaculé est incapable de féconder, car il est décapacité, et pour devenir fécondant il devra ultérieurement être capacité dans le tractus génital féminin. V) Aspects cinétiques 1) Place de la spermatogenèse La production de spermatozoïdes commence à la puberté et elle dure ensuite jusqu'à un âge très avancé, 80 ans ou même 90 ans,avec toutefois un rendement de plus en plus réduit. Les premières spermatogonies apparaissent au cours de la vie fœtale dès la fin du 3ème mois du développement et se multiplient ensuite jusqu'avant la naissance sans phase de maturation. A la puberté, la multiplication reprend et c'est seulement à ce moment-là que sont produits les premiers spermatocytes primaires, qui entameront leurs phases de maturation nucléaire et cytoplasmique. La multiplication des spermatogonies, et partant de là la production de spermatozoïdes, dure ensuite grâce au 8

9 maintien d'un pool de spermatogonies souches. 2) Durée de la spermatogenèse Dans notre espèce la spermatogenèse, c'est-à-dire le passage d'une spermatogonie à un spermatozoïde, dure 74 jours (+4). Comme il faut ajouter la durée du transit dans le tractus génital (2 à l5 jours en fonction de l'activité sexuelle), on peut dire que la production de spermatozoïdes à partir des spermatogonies souches dure environ 3 mois. Cela explique que les facteurs stimulant ou inhibant la spermatogenèse n'ont d'effets visibles qu'au bout de 3 mois. La durée de vie des différentes générations cellulaires a pu être évaluée : les 3 phases,de multiplication, de maturation nucléaire et de différenciation, ont une durée à peu près égale de 25 jours environ. 3) Intensité de la spermatogenèse La production de spermatozoïdes augmente jusqu'à l'âge de 20 ans et diminue ensuite progressivement ; elle est estimée à 250 millions par jour à 20 ans, à 120 millions à 50 ans et à 50 millions à 70 ans. Ce sont là des chiffres moyens, car il y a de très nombreuses variantes inter-individuelles, avec des concentrations en spermatozoïdes allant de 0 à 200 millions par ml (différences liées d'abord au nombre de cellules de Sertoli). Il existe également des variations intra_individuelles, avec des concentrations allant couramment du simple au quintuple, qui sont apparemment anarchiques, car dépendantes d'un grand nombre de paramètres (tout d'abord le rythme des éjaculations). La fréquence des cas de non-production de spermatozoïdes (azoospermie) augmente avec l'âge, de 5% à 30 ans jusqu'à 50% à 80 ans, et on observe en même temps une baisse de la mobilité et du nombre de formes typiques. VI) Contrôle neuro-endocrinien 9

10 De nombreux facteurs physico-chimiques conditionnent la spermatogenèse. A titre d'exemple elle est liée à la température ; elle ne se déroule efficacement que dans le scrotum, dont la température est inférieure de 3 à 5 degrés à la température corporelle,et elle est inexistante dans les testicules intra-abdominaux (cryptorchidie, par anomalie de la descente testiculaire). Mais la spermatogenèse est essentiellement soumise à un contrôle hormonal complexe,à plusieurs étages, lui-même modulé par le système nerveux. 1) Niveau hypothalamique Les neurones des noyaux supra-optique et ventro-médian de l'hypothalamus synthétisent une gonadolibérine la GnRH (Gonadotrophine Releasing Hormone), qui est sécrétée de façon discontinue, par décharges ou «pulses» sur un rythme à peu près circahoraire. 2) Niveau hypophysaire La GnRH a des récepteurs sur des cellules de la préhypophyse et y induit la synthèse de 2 hormones gonadotropes ou gonadotrophines, la FSH (Follicule Stimulating Hormone) et la LH (Luteinizing Hormone), qui sont sécrétées de manière continue et régulière. Elles ont comme cellules cibles des cellules du testicule. 3) Niveau testiculaire Effets des hormones gonadotropes : La LH a des récepteurs sur les cellules de Leydig et y induit la synthèse : - d'hormones stéroides, les androgènes,en particulier la testostérone, - d'ocytocine et de vasopressine. La FSH a des récepteurs sur la cellule de Sertoli et y induit la synthèse: - d'une protéine transporteuse de testostérone, l'abp (Androgen Binding protein), - d'inhibine, qui existe sous 2 formes A et B, - d'un facteur mitogène, le SGF ou Seminiferous Growth Factor, - d'lgf1 ou lnsulin Growth factor, - 1'un des activateurs du plasminogène, - d'amh ou Hormone Anti Mûllerienne (dans le testicule fœtal uniquement). Effets des sécrétions testiculaires : Sur la spermatogenèse : Elles en conditionnent les diverses étapes : - les androgènes maintenus par l 'ABp dans les tubes séminifères ont un effet stimulant sur les phases de muttiplication, de maturation et de différenciation, ainsi que sur la maturation épididymaire; - SGF stimule les mitoses goniales; - IGF 1 stimule la maturation des spermatocytes; 10

11 - l'activateur du plasminogène intervient dans les cellules de Sertoli sur la translocation des spermatocytes et des spermatides ainsi que sur la résorption des corps résiduels; - l'ocytocine et la vasopressine stimulent les contractions des cellules myoïdes des tubes séminifères et les contractions des cellules de Sertoli au cours de la spermiation. Sur les caractères sexuels : - Les androgènes libérés dans la circulation ont des effets sur la différenciation sexuelle, au cours du développement ; celle du tractus génital et des organes génitaux externes (caractères sexuels primaires). - L'AMH a un effet sur la différenciation du tractus génital pendant le développement. - Les androgènes ont aussi des effets sur des tissus ou des organes n'intervenant pas directement dans la reproduction, comme le tissu osseux, les téguments, le larynx, etc. (caractères sexuels secondaires) et également sur le cortex cérébral, influençant la libido et le comportement (caractères sexuels tertiaires). 4) Systèmes de rétro-contrôle A tous les étages les sécrétions endocrines sont contrôlées par leurs propres effets (feed back). Rétro-contrôle gonado-gonadique : l'inhibine a un effet inhibiteur sur les mitoses goniales. Rétro-contrôle gonado-hypophysaire : l'inhibine diminue la sécrétion de FSH et à moindre degré celle de LH; la testostérone diminue la sécrétion de LH et à un moindre degré celle de FSH. Rétro-contrôle gonado-hypothalamique : la testostérone et l'inhibine ont un effet inhibiteur sur la production de GnRH. 11