Matière : UE2 Embryologie Professeur : Pr J. Selva Titre du Cours : Spermatogenèse normale et altérée Pages :14 Rédacteur : Rita Bellamine Table des matières I -Introduction 2 II -L'appareil génital masculin 3 1 -Aspect général 2 -Testicule et épididyme 3 -Parenchyme testiculaire 4 -Parenchyme testiculaire : rôle des cellules de Sertoli III -Le déroulement de la spermatogenèse 5 1 -Phase de multiplication 2 -Phase de maturation nucléaire 3 -La spermiogenèse (= la différenciation) IV -Le spermatozoïde 7 V -Le contrôle neuro endocrinien et la régulation 7 VI -Les caractéristiques spermatiques et l'aptitude du spermatozoïde à féconder 8 1 -Les fonctions attendues du spermatozoïde et les méthodes d exploration 2 -Démarche diagnostique VII -Les anomalies chromosomiques constitutionnelles 10 1 -Les différents types d'anomalies chromosomiques 2 -Infertilités et anomalies chromosomiques 3 -Anomalies des chromosomes sexuels chez l homme 4 -Les patients Klinefelter 5 -L'asynapsie VIII -Les anomalies méiotiques 11 IX -Les anomalies géniques 12 1 -Chromosome Y et fertilité 2 -Gène CFTR (sur chromosome 7) 3 -La macrocéphalie spermatique : une cause génétique? Remarques : Cours avec pas mal de vocabulaire et quelques chiffres à bien connaitre. Les schémas et coupes sont importants, il faut savoir les légender.
Spermatogenèse normale et altérée I - Introduction Au cours de l embryogenèse : Transformation de la gonade primitive jusqu'à la gonade définitive. Migration des testicules en position extra-abdominale entraînant une migration de tissu et formation des bourses. La spermatogenèse est la prolifération de cellules germinales (gonies) et leur transformation en spermatozoïdes. C'est un phénomène continu de la puberté à la mort : il n'y a pas d'équivalent andropause =(pas de stock initial) au sens strict mais diminution avec l'âge, pas de cycles. La durée de production est fixe : 74 jours tout au long de la vie. Une altération du rendement peut arriver en fonction de différents facteurs : importance de la température (pas à 37 mais environ 33-34 ), de la vascularisation, du contrôle hormonal. Cryptorchidie : Testicules ne descendent pas => position abdominale donc 37. Diminution spermatogénèse : dépistage précoce possible. Varicocèle : Problème de varices sur les testicules, problème vasculaire => modification de la température. S'il y a échauffement pendant une certaine période, la récupération de la fonction est possible mais 74 jours après retrait du facteur délétère. Attention au stress, aux caractéristiques de certains métiers, aux PC, téléphone portable L'infertilité : Diminution du nombre de spermatozoïdes : Pathologies excrétoires => problème sur les voies excrétrices (ex :inflammation de l épididyme). Pathologies sécrétrices => problème lors de la formation des spermatozoïdes. Azoospermie : absence de spermatozoïde dans le sperme. Oligospermie : diminution du nombre de spermatozoïde dans le sperme. Obstruction : dans le sperme, on retrouve les produits des glandes en aval de l'obstruction. Elle peut se faire par inflammation ou par malformation. support sans autorisation est strictement interdite. Page : 2 / 14
II - L'appareil génital masculin 1 - Aspect général Urètre : rencontre des voies excrétrices. Testicules : glandes exocrines et endocrines => amphicrines. Epididyme : voie excrétrice + modification des spermatozoïdes. Coiffe le testicule. Canal déférent : voie excrétrice, lieu malformation => agénésie des déférents = pas de déférents, cause assez fréquente d'azoospermie. Glandes annexes (produisent l essentiel du volume de l'éjaculat) : Vésicule séminale : au niveau de l'ampoule du déférent (avec comme marqueur le fructose) ; Prostate : au niveau du carrefour uro-génital( avec comme marqueur le citrate/acide citrique) de 2 - Testicule et épididyme Albuginée : enveloppe de tissu conjonctif entourant le testicule. L albuginée envoie des travées (septa), formant 200 à 300 lobules par testicules, avec 1 à 4 tubes séminifères par lobule. Les tubes sont séparés les uns des autres par du tissu interstitiel. Sinus veineux très important pour amortir les chocs thermiques et protection de la spermatogénèse. Tubes séminifères : 70 cm de long, diam 1/3 de mm, se pelotonnent et forment une anse en U. Où sont sécrétés les spermatozoïdes. Les tubes séminifères se jettent dans les tubes droits. Rete testis : réseau de tubes séminifères. Le corps de Highmore est l ensemble formé par le rete testis et le conjonctif qui entoure le rete testis. Les canaux efférents se jettent dans le canal épididymaire, lieu de transit et de maturation de la mobilité, du noyau et de la membrane du spermatozoïde ainsi que de stockage. support sans autorisation est strictement interdite. Page : 3 / 14
3 - Parenchyme testiculaire Le tube contient un ensemble de cellules serrées : l'épithélium séminal. La lumière du tube est au centre où a lieu la spermiation ( c'est à dire l'excrétion des spermatozoïdes). En dehors de la membrane basale, on trouve 2 ou 3 couches de fibres de conjonctif (collagène) et leurs cellules sécrétrices, l'ensemble formant la membrane propre. l'orientation cellules de Sertoli. Cellules myoïdes formant la membrane propre des tubes : contrôle des échanges avec le sang et détermine Tissu interstitiel : tissu conjonctif bien vascularisé. Séparé par la barrière hémato-testiculaire. Le développement des spermatozoïdes se fait depuis la périphérie : tête vers l'extérieur, flagelle à l'intérieur. Comment différencier des cellules germinales et des cellules de Sertoli? La cellule germinale a différents stades, alors que la cellule de Sertoli a un type unique, elle est mise en place avant la puberté, ne se divise plus après puberté. Les cellules de Sertoli sont moins nombreuses. Leurs bases reposent sur la membrane propre. Elles se rejoignent entre elles par des dispositifs de type jonction serrée (tight junction), permettant ainsi une occlusion complète entre les cellules voisines. Et séparant les compartiments adluminal et central. Le noyau a un aspect radiaire, l'équipement cellulaire est classique. Ces cellules sont les cibles de facteurs environnementaux. 4 - Parenchyme testiculaire : rôle des cellules de Sertoli Maintien de la structure des tubes séminifères => formation de matrice extra cellulaire. Compartimentalisation de l épithélium séminifère => jonctions, barrière hémato testiculaire. Contrôle le passage entre le sang et liquide testiculaire. Protection, immunologie (Ac anti spermatozoïde). Passage des cellules germinales du compartiment externe au compartiment interne. Translocation des cellules germinales : la gonie souche est dans le compartiment basal, à partir du stade spermatocyte et spermatide on est dans le compartiment adluminal. Phagocytose des cellules en apoptose. Déséquilibre apoptose/ croissance en pathologie. Libération des spermatozoïdes (spermiation = libération de spermatozoïdes matures.): tête vers cellules de Sertoli et phagocytose des corps résiduels. Sécrétion du fluide des tubes séminifères => composition spécifique : apport de substrat énergétique. Sécrétion de l'amh (=Homone Anti Mulérienne) et Inibine : production de facteurs régulateurs de la spermatogenèse. => Chef d'orchestre de la spermatogenèse et cible des perturbateurs endocriniens. support sans autorisation est strictement interdite. Page : 4 / 14
III - Le déroulement de la spermatogenèse 1 - Phase de multiplication Les spermatogonies : cellules arrondies, périphériques, ressemblent à des cellules de Sertoli. Nuance d'aspect nucléaire des gonies : Ad = dark, Ap = pale. Ad (cellule souche) a un large contact avec la membrane propre. 1 Ad donne 1 Ad et 1 Ap. 1 Ap donne 2 cellules B. Il y a maintien d un pool de cellules souches et alimentation de la lignée germinale. 2 - Phase de maturation nucléaire La méiose : Spermatocyte I Spermatocyte II La méiose : une division particulière : 2 divisions et une seule réplication de l ADN A partir d une cellule avec 46 chromosomes à 2 chromatides => appariement des chromosomes homologues (pachytène). 1 ère division: réductionnelle => obtention 2 cellules avec 23 chromosomes à 2 chromatides 2 ème division: équationnelle => obtention de 4 cellules avec 23 chromosomes à 1 chromatide donc séparation des chromatides sœurs Lors de la prophase méiotique, il y a appariement des chromosomes homologues. Ce stade pachytène est très important pour le bon déroulement de la spermatogenèse. Lors du stade leptotène a lieu le franchissement de la membrane. Les cellules de Sertoli entourent et contrôlent l'évolution des cellules germinales. La spermatogénèse va jusqu'à la fin de la méiose. 3 - La spermiogenèse (= la différenciation) C est une différenciation morphologique (il n y a pas de division) : c est la transformation des spermatides rondes en spermatides allongées puis en spermatozoïdes. Evolution de la gonie ronde, transformations nucléaires (condensation du noyau) et cytoplasmiques : disparition du cytoplasme allongement de la cellule apparition du flagelle. support sans autorisation est strictement interdite. Page : 5 / 14
Le noyau est à chromatine dispersée : Méthylation=ADN pas d'expression. Modification des protéines : les histones remplacées par les protamines (protéines extrêmement rigides). Ceci est un mécanisme épigénétique : cela n affecte pas la séquence de l ADN mais réduit l expression et la synthèse d ARN (condensation de l ADN). Le noyau du spermatozoïde est donc peu actif. Appareil de Golgi : formation de l'acrosome. Apparition d'une grande vésicule qui se rapproche du noyau et le coiffe, la vésicule proacrosomale. Son contenu enzymatique est indispensable à la pénétration dans l'ovule. Evolution des centrioles : Le centriole distal donne le flagelle. Le centriole proximal reste dans une dépression du noyau. Le centriole et le golgi sont en position opposée, l'acrosome regarde vers la membrane propre et le flagelle vers la lumière. Le cytoplasme est progressivement éliminé, phagocyté par les cellules de Sertoli, il se déplace vers l'arrière de la cellule. Anomalie : restes cytoplasmiques. Les mitochondries se rassemblent en un manchon mitochondrial (alignées et formant une spirale) au départ du flagelle. Il y a donc très peu de mitochondries dans le spermatozoïde. Les mitochondries entrent dans l'ovule mais la majorité des mitochondries de l'embryon sont d'origine maternelle. Des modifications membranaires très fines et indispensables aux interactions entre gamètes sont effectuées. Certaines synthèses protéiques spécifiques du spermatozoïde sont très importantes pour le début du développement embryonnaire, comme les facteurs de l'activation ovocytaire. Un spermatozoïde mature a fait l ensemble de sa méiose (= 23 chromosomes simples) contrairement à l ovocyte qui reste bloqué en métaphase II. Ensuite vient la spermiation : c est la libération des spermatozoïdes dans la lumière du tube séminifères. support sans autorisation est strictement interdite. Page : 6 / 14
IV - Le spermatozoïde Le spermatozoïde mature est une cellule qui fait 60 μm de longueur mais sa tête est petite : elle fait 5 μm et les 55 μm restant c est le flagelle. La tête est allongée. Le noyau : très condensé, riche en protamines, pas ou peu de vacuoles. Peu de cyto-hyaloplasme. Acrosome : situé aux 2/3 antérieurs du noyau. Plaque basale : colonnes segmentées. Épaississement et sorte d'invagination de la membrane nucléaire, provenant du centriole proximal. Pièce connective : structure très dense. Point d'ancrage du flagelle. Pièce intermédiaire: de dedans à dehors axonème, fibres denses, manchon mitochondrial, citernes RE et mb plasmique. La pièce principale est entourée d une gaine fibreuse. Absence de mitochondries, remplacées par la gaine fibreuse. Pièce terminale : zone du flagelle où on n'a plus que l'axonème. Il reste peu de cytoplasme (=hyaloplasme), de mitochondries. Au centre de l'axonème, on observe une architecture de protéines indispensables à la mobilité => dyskinésie flagellaire. Structure classique du cil vibratile : 9 doublets périphériques et 1 doublet central. V - Le contrôle neuro endocrinien et la régulation C est l hypothalamus qui contrôle tout cela avec la GnRH (Gonadotrophine Releasing hormone) qui est sécrété de façon discontinue. Il y a deux hormones qui dépendent de la GnRH : la FSH (Follicule stimulating Hormone) la LH (luteinizing hormone). Ces deux hormones parlent de l appareil reproducteur féminin mais elles existent aussi chez l homme. La cible de la FSH est la cellule de Sertoli. Elle induit tout un tas de synthèse. Marqueur important : quand il y a une altération de la spermatogenèse, il y a une augmentation de la FSH. Si lors d un examen : support sans autorisation est strictement interdite. Page : 7 / 14
FSH élevée : favorable à une pathologie sécrétoire FSH normale : favorable à une pathologie excrétoire La cellule de Sertoli a un produit de sécrétion : l inhibine qui agit en retour sur le complexe hypothalamohypophysaire avec un contrôle négatif. Quand inhibine très basse, cela montre une spermatogenèse altérée. Avec des cellules de Sertoli fonctionnelles, l inhibine doit être assez élevée. La LH agit sur les cellules de Leydig (cellules endocrines dans le tissu interstitiel autour des tubes séminifère) : elle a des récepteurs sur ces cellules. La testostérone secrétée par les cellules de Leydig est importante dans ce contrôle. VI - Les caractéristiques spermatiques et l'aptitude du spermatozoïde à féconder Les 3 paramètres de base qui sont évalués en médecine sont : 1. La numération : elle peut s évaluer de deux façons : Par la concentration : la concentration minimale est de 20 millions par ml Par le nombre total de spermatozoïdes car le produit de sécrétion des différentes glandes annexes peut être variable d un individu à l autre mais pour la fertilité c est moins important. Nombre total = concentration x volume. C est le nombre de spermatozoïde qu on dispose pour avoir une fécondation. Le seuil normal est de 40 millions de spermatozoïdes minimum. C est la numération totale qui est importante car la concentration est floue parce que tout dépend du volume de l éjaculat donc tout dépend du volume de sécrétion des glandes annexes. En dessous de 20 millions par ml ou de 40 millions de spermatozoïdes au total, on parle d oligospermie. Quand il n y a pas du tout de spermatozoïdes, on parle d azoospermie (zéros spermatozoïdes dans l éjaculat). Ces deux pathologies peuvent être sécrétoire ou excrétoire. 2. La mobilité : c est le % de spermatozoïdes mobile et on regarde les spermatozoïdes progressifs (spermatozoïdes mobiles qui avancent). Le mouvement du flagelle est essentiel à la fécondation. Selon les normes de l OMS, à partir de 40% de spermatozoïdes mobiles progressifs, un sperme est normal. Donc la limite des spermatozoïdes normaux progressifs est de 40% (ou 50%). En dessous c est de l asthénospermie. 3. La forme : Il y a beaucoup d anomalie de la morphologie des spermatozoïdes. Mais en gros les formes normales correspondent à 15-20% des spermatozoïdes. Le pourcentage de forme normale varie selon les classifications : il peut aller de 15-20% (classification moderne) à 50% selon la classification de George David. En dessous de 15% : fertilité altérée. Les anomalies de forme se nomment la tératospermie. support sans autorisation est strictement interdite. Page : 8 / 14
La vitalité des spermatozoïdes est aussi une chose importante : il faut que les spermatozoïdes soient vivants. Mais c est un paramètre plus flou mais en gros c est 60% de spermatozoïdes vivants. La glaire cervicale est un lieu favorable à la survie des spermatozoïdes. Un sperme normal a : plus de 40 millions de spermatozoïdes au total dans un éjaculat, plus de 40% de spermatozoïdes mobiles progressifs et si on utilise les classifications les plus sévères, plus de 15% de spermatozoïdes de forme normale. 2 examens pour voir si un homme est fertile : Le spermocytogramme : regarder la morphologie des spermatozoïdes au microscope optique Le spermogramme : évaluer le nombre de spermatozoïde et leur mobilité. Ces deux examens évalue les 3 paramètres : nombre, forme et mobilité. Mais il y a des compléments : On peut faire en plus des examens en microscopie électronique qui permettent de détecter les dysgénésies flagellaires : modification de la structure protéique du flagelle (ceci est fait rarement). On regarde aussi le spermatozoïde vivant à très fort grossissement (6000) qui vont permettre de voir des détails jusqu alors inconnus. Globozoospermie (à droite): C'est un exemple de tératospermie : noyau rond, acrosome absent. 1 - Les fonctions attendues du spermatozoïde et les méthodes d exploration Aptitude migratoire : test de pénétration dans la glaire. Aptitude fécondante (aptitudes membranaires, nucléaires...). Aptitude à générer un zygote viable. Méthodes d'observation : Marquages spécifiques (technique d'évaluation du taux de fragmentation de l'adn). Flagelle, acrosome, noyau. Hybridation in situ : aneuploïdie. Fragmentation nucléaire apoptose : technique du tunnel (on détecte les cellules en apoptose) support sans autorisation est strictement interdite. Page : 9 / 14
2 - Démarche diagnostique L intérêt d'observer des spermatozoïde, c'est d'orienter la thérapeutique : Assistance médicale à la procréation mais aussi chirurgie, traitement anti-infectieux, suppression de toxiques, etc. Evalue le risque éventuel pour la descendance (causes génétiques d infertilité). VII - Les anomalies chromosomiques constitutionnelles 1 - Les différents types d'anomalies chromosomiques Il y a deux types d anomalies chromosomiques : 1. Les aneuploïdies : anomalie du nombre de chromosomes Trisomie 21 Syndrome de Klinefelter : 47 chromosomes, chromosomes sexuels de type XXY, un homme infertile souvent azoosperme Syndrome de Turner : femme infertile avec 45 chromosomes, un seul X 2. Les anomalies de structure : on a au total, une quantité normale de matériel génétique mais c est l organisation qui est altérée : Translocation : échange entre chromosome Inversion : segment retourné sur un chromosome Délétion : segment qui manque sur un chromosome. Ça ne modifie pas le nombre de chromosome mais on retire du matériel sur le chromosome et on peut avoir l inverse : la duplication. 2 - Infertilités et anomalies chromosomiques 15% patients portent une anomalie du caryotype Anomalie équilibrée plus fréquente en cas d oligospermie. Anomalie de nombre plus fréquente en cas d azoospermie. Explique l altération de la spermatogenèse et prévoit l augmentation du risque de déséquilibre dans les spermatozoïdes. 3 - Anomalies des chromosomes sexuels chez l homme Les translocations gonosomes (X et Y)- autosomes (les autres chromosomes) =>Fréquemment azoospermes. Le syndrome de Klinefelter : 47, XXY (plus de 10% des cas) => Azoospermie le plus souvent, mais parfois compatible avec une ICSI des spermatozoïdes. Les délétions du chromosome Y => Altération fonction du type et de la taille de la délétion. support sans autorisation est strictement interdite. Page : 10 / 14
4 - Les patients Klinefelter Environ 30 à 40 % ont des spermatozoïdes à la biopsie testiculaire Au niveau des spermatozoïdes (le plus souvent testiculaires) : Issus de cellules/gonies 46,XY Augmentation des aneuploïdes Les aneuploïdie ne concernent pas que les gonosomes mais aussi les autosomes donc ce n est pas un contenu chromosomique anormale dans les gonies qui explique les anomalies de Klinefelter mais c est, semble-t-il, l environnement testiculaire et le contexte hormonal de la méiose qui est mauvais et qui induit des anomalies de la méiose. Diagnostic impossible sur le spermatozoïde injecté 5 - L'asynapsie Stade pachytène : les chromosomes homologues s apparient. L'Asynapsie = problème d appariement donc diminution du rendement car altère la spermatogenèse. Elle provoque l'inactivation génétique. La ségrégation est soit : Alterne (équilibrée) Déséquilibrée : adjacente ou 3:1 Appariement avec la vésicule sexuelle (paire XY) entraine une perturbation de la vésicule sexuelle, par des régions pseudo-autosomiques qui se comportent comme des autosomes et autres zones non appariées. VIII - Les anomalies méiotiques Intérêt d une évaluation en FISH des spermatozoïdes Quel est le taux de déséquilibre dans le sperme? Ces déséquilibres sont-ils viables ou non? Conséquences cliniques importantes Déséquilibre non viable = Echec d implantation Déséquilibre viable à terme = Enfant avec caryotype déséquilibre, retard mental et polymalformé Cas intermédiaire = Fausse couche spontanée Aide au conseil aux patients Discuter le type de prise en charge Diagnostic pré implantatoire? (DPI) Diagnostic pré natal? (DPN) IX - Les anomalies géniques support sans autorisation est strictement interdite. Page : 11 / 14
1 - Chromosome Y et fertilité Zone sur la partie proximale du bras long (facteur AZF) du chromosome Y est très importante pour la spermatogenèse. Quand cette zone AZF (=facteur d azoospermie) disparaît, ça va entrainer une azoospermie. Lorsqu on a une anomalie de structure à ce niveau : infertilité. Des fois avec la même délétion, quantité en spermatozoïdes très différente entre 2 personnes Þ Corrélation génotype/phénotype pas claire. Les délétions interviennent avec d autres facteurs. Dans la région AZF, on distingue des sousrégions. Selon la région, on va retrouver dans plusieurs situations : Sous région a : SCO : personne qui n ont que des cellules de Sertoli, on n a pas de cellule germinal donc azoospermie. Sous région b : blocage en méiose et le résultat est le même : pas de spermatozoïde donc azoosperme. Sous région c : oligospermie variable donc en c on peut avoir des spermatozoïdes mais on peut être aussi azoosperme, ça dépend du patient. Si on a une délétion de la région a ou b (ou les deux), ce n est pas la peine de faire une biopsie au patient car pas de spermatozoïdes : s il veut des enfants, c est le don de gamètes. 2 - Gène CFTR (sur chromosome 7) Le bilan génétique est important dans certains cas. Ex sur une pathologie excrétoire : agénésie bilatérale des canaux déférents. Ceci est due à une modification du gène CFTR (aussi responsable de la mucoviscidose). Important pour prévenir la mucoviscidose dans la descendance de ces patients. 3 - La macrocéphalie spermatique : une cause génétique? Les spermatozoïdes ont d énorme tête : ils n ont pas support sans autorisation est strictement interdite. Page : 12 / 14
fait leur méiose (donc méiose bloquée) mais leur spermiogenèse est conservée. Certaines mutations donnent ce type d'anomalie. support sans autorisation est strictement interdite. Page : 13 / 14
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