Fécondation Flashcards
1
Q
Fécondation
A
- la fécondation, ou fertilisation, est le processus selon lequel les gamètes mâle et femelle, spermatozoïde et oeuf, fusionnent pour créer un nouvel individu, le zygote, ayant des potentiels génétiques dérivés des deux parents
- la fécondation combine donc les deux activités de sexe et reproduction
2
Q
Anton van Leewenhoek
A
- le microscopiste hollandais co-découvreur des spermatozoïdes en 1678, les croyait des animaux parasites du sémen, d’où leur nom : animaux du sperme
- on les nommait également animalcules (petits animaux), terme qui ne leur était pas réservé mais qui désignait aussi les microorganismes retrouvés ici et là dans divers milieux, par exemple ce qu’on appelle aujourd’hui des protistes comme les amibes ou les paramécies, mais aussi les cellules sanguines.
- selon van Leeuwenhoek, les spermatozoïdes n’avaient rien à voir avec la reproduction
- les scientifiques appuyèrent majoritairement van Leewenhoek
3
Q
Nicolaas Hartsoeker
A
- co-découvreur des spermatozoïdes, soumit une hypothèse alternative : l’embryon est préformé dans la tête du spermatozoïde, hypothèse qui gagna alors peu de popularité
4
Q
Lazarro Spallanzani
A
- vers la fin du 18e siècle, Lazarro Spallanzani démontra que du sperme filtré, dépourvu de spermatozoïdes, ne fécondait pas l’oeuf de crapaud.
- il en conclut néanmoins que le sémen était l’agent fertilisateur, les spermatozoïdes n’étant que des animaux parasites
5
Q
Jean-Baptiste Dumas et Jean-Louis Prévost
A
- en 1821, à partir de simples observations, déduisirent que les spermatozoïdes sont les agents actifs de la fertilisation à cause de leur existence universelle chez les mâles sexuellement mûrs, de leur absence chez les individus immatures et âgés de même que chez le mulet stérile
- déclaration fut néanmoins ignorée jusque vers 1840
6
Q
Albert von Kolliker
A
- décrivit la formation des spermatozoïdes à partir de cellules testiculaires et conclut qu’ils étaient des cellules grandement modifiées, et non pas des animaux vivant dans le sperme
- il nia toutefois qu’il existe un contact entre le spermatozoïde et l’oeuf; le spermatozoïde ne fait que l’exciter
7
Q
Oscar Hertwig
A
- en 1876, Oscar Hertwig décrivit la pénétration du spermatozoïde dans l’oeuf et la fusion de leurs noyaux chez le ver nématode Ascaris
- il nota qu’un seul spermatozoïde pénètre l’oeuf et que les cellules de l’embryon dérivent toutes de cette fusion du gamète mâle et du gamète femelle qui crée le zygote
- Hertwig a aussi étudié la fécondation chez l’oursin
8
Q
Herman Fol
A
- Herman Fol fournit par la suite plus de détails sur le mécanisme de la pénétration de l’oeuf par le spermatozoïde chez l’oursin
9
Q
Étapes de la fécondation
A
- 1- reconnaissance et contact du spermatozoïde et de l’oeuf, étape du contrôle de la qualité : les deux gamètes doivent appartenir à la même espèce;
- 2- entrée du spermatozoïde dans l’oeuf, étape du contrôle de la quantité: un seul spermatozoïde doit fertiliser l’oeuf, tous les autres devant être éliminés;
- 3- amphimixie : fusion des noyaux des deux gamètes, donc de leur matériel génétique;
- 4- activation du métabolisme de l’oeuf fécondé (zygote) pour entamer le développement
embryonnaire.
10
Q
Reconnaissance et contact du spermatozoïde et de l’oeuf : animaux à fécondation externe
A
- plusieurs animaux aquatiques ne pratiquent pas la fécondation interne mais libèrent leurs gamètes dans l’environnement local
- néanmoins divers mécanismes permettant aux spermatozoïdes de retrouver les œufs de la même espèce, évitant la fécondation interspécifique
- des substances chimiques libérées par la gelée entourant l’oeuf de ces animaux agissent à distance, par chimiotaxie, en augmentant la mobilité des spermatozoïdes de la même espèce et en les attirant vers les oeufs
- des glycoprotéines membranaires de la gelée appelées fertilines ou fertilisines, induisent l’agglutination des spermatozoïdes à la surface de l’oeuf
- les spermatozoïdes s’y attachent grâce à des récepteurs de surface appelés antifertilines (antifertilisines), une réaction plus ou moins spécifique; elle peut se produire entre espèces voisines mais est faible ou nulle entre espèces éloignées
- la gelée glycoprotéique qui entoure les oeufs des animaux aquatiques se dissout progressivement dans l’eau; des oeufs longtemps laissés dans l’eau deviennent non fécondables
- ,ême chez les animaux à fécondation externe, des rapprochements entre mâle et femelle ont lieu
- la maturation sexuelle et l’émission des gamètes peuvent être simultanées et dépendent alors des saisons, des cycles lunaires ou autres
- la ponte par la femelle peut déclencher l’émission des spermatozoïdes par le mâle
- la fécondation externe ne relève donc pas du hasard
11
Q
Reconnaissance et contact du spermatozoïde et de l’oeuf : animaux à fécondation interne
A
- les animaux terrestres et certains animaux aquatiques pratiquent la fécondation interne
- l’ovulation est contemporaine ou proche de l’insémination des spermatozoïdes; cette simultanéité est d’autant plus importante que la durée de vie des gamètes émises est courte : quelques heures à quelques jours (sauf les chauves-souris dont les spermatozoïdes ont une plus longue viabilité
- notons un cas extrême, celui de l’abeille reine, chez qui ils peuvent survivre deux ou trois ans dans la spermathèque)
- les voies génitales femelles jouent un rôle actif; leur milieu acide, normalement défavorable à la survie des spermatozoïdes, devient plus alcalin avant l’ovulation grâce à des sécrétions muqueuses utérines
- des centaines de milliers ou de millions de spermatozoïdes émis, seulement quelques milliers franchissent l’utérus et, ce, juste avant l’ovulation
- leur progression s’effectue grâce au mouvement des flagelles et est favorisée par un genre de péristaltisme de l’oviducte
- quelques centaines de spermatozoïdes
seulement parviendront à l’ovule qui a été relâché dans l’oviducte - la gelée glycoprotéique entourant l’ovule capte les spermatozoïdes
- la chimiotaxie ne semble pas intervenir dans l’attirance des spermatozoïdes vers l’oeuf chez les animaux à fécondation interne.
- le spermatozoïde mammalien est incapable de féconder l’oeuf s’il n’a pas préalablement résidé un certain temps dans les voies femelles, où il subit la capacitation
- il perd la protection glycoprotéique, ou le « pouvoir fécondant », acquise dans l’épididyme, et des molécules d’albumine retrouvées dans les voies femelles enlèvent du cholestérol à sa membrane
- la baisse du taux de cholestérol par rapport aux phosphoglycérolipides (qui forment la bicouche lipidique de toute membrane) la déstabilise
12
Q
Entrée du spermatozoïde dans l’oeuf : animaux à fécondation externe
A
- le contact du spermatozoïde avec la gelée entourant l’oeuf initie un processus appelé réaction acrosomienne, à deux temps : la rupture de l’acrosome et l’émission du prolongement acrosomien.
- un polysaccharide sulfaté de la gelée de l’oeuf affecte la membrane de la tête du spermatozoïde et permet l’entrée d’ions Ca++ et Na+ en même temps que la sortie d’ions K+ et H+
- ces transferts ioniques amènent la membrane cytoplasmique de la tête à fusionner à la membrane de l’acrosome sous-jacent, qui résulte en la rupture des membranes fusionnées
- il s’ensuit une exocytose des enzymes de l’acrosome, qui digèrent la gelée de l’oeuf.
- durant la spermatogenèse, la protéine actine avait été synthétisée en abondance et mise en réserve, sous forme globulaire (actine G), dans le cytoplasme de la tête
- la sortie d’ions H+ de la tête du spermatozoïde induit la polymérisation de ces molécules globulaires d’actine en filaments d’actine (actine F), qui s’organisent en parallèle les uns aux autres et forment le prolongement acrosomien (tubule acrosomien, filament acrosomien), recouvert de membrane (qui était celle du fond de l’acrosome avant qu’il n’exocytose ses enzymes)
- le prolongement acrosomien recouvert de membrane entre en contact avec l’enveloppe vitelline de l’œuf
- des protéines de bindine ancrées dans cette membrane se lient à des récepteurs (antibindines) de l’enveloppe vitelline
- la réaction bindine- antibindine est hautement spécifique
- la liaison bindine-antibindine et, surtout, la contraction du prolongement acrosomien (l’actine étant une protéine contractile) tire sur l’œuf au site de contact et amène un soulèvement de la membrane de l’oeuf, le cône de fertilisation
- la membrane de l’œuf au niveau du cône de fertilisation fusionne à la membrane du spermatozoïde (recouvrant le prolongement acrosomien) et elles se rompent
- le noyau et le centriole proximal du spermatozoïde sont propulsés dans l’oeuf par la contraction du prolongement acrosomien
- ce qui reste du spermatozoïde se détache et dégénère, alors que la membrane de l’oeuf se referme
13
Q
Entrée du spermatozoïde dans l’oeuf : animaux à fécondation interne
A
- chez les animaux à fécondation interne, on ne parle pas de réaction acrosomienne
- chez certains, la déstabilisation membranaire du spermatozoïde, subie lors de la capacitation dans les voies femelles, cause la rupture de l’acrosome et l’exocytose des enzymes à une certaine distance de l’ovule
- les enzymes brisent les jonctions entre les cellules folliculaires de la corona radiata, permettant aux spermatozoïdes d’atteindre l’enveloppe vitelline (ou la zone pellucide chez les mammifères) autour de l’ovocyte
- chez d’autres, les spermatozoïdes arrivent à traverser la corona radiata avant le bris de l’acrosome, qui se produit une fois que les spermatozoïdes sont attachés à l’enveloppe vitelline
- la capacitation du spermatozoïde a démasqué l’enzyme de surface glycosyltransférase, qui reconnaît un carbohydrate N-acétylhexosamine sur la zone pellucide
- la spécificité de l’attachement du spermatozoïde à la zone pellucide n’est pas très élevée, mais les risques de fécondation interspécifique sont faibles chez les animaux à fécondation interne
- l’acrosome contient une enzyme appelée acrosine dont la séquence en acides aminés ressemble à celle de la trypsine (une protéase produite par le pancréas) et, comme celle-ci, elle doit d’abord être activée pour devenir fonctionnelle
- cette activation se fait par une glycoprotéine retrouvée dans les voies femelles
- l’acrosine digère la zone pellucide au point d’attachement du spermatozoïde et il s’ensuit une fusion des membranes cytoplasmiques du spermatozoïde et de l’oeuf
- compte tenu de la polarité de l’œuf et de son hétérogénéité membranaire, il est probable que toute sa surface n’a pas le même pouvoir de liaison avec le spermatozoïde
- chez la grenouille, on constate que le spermatozoïde pénètre l’oeuf préférentiellement à l’équateur; chez la souris, c’est à la région lisse de la membrane de l’oeuf qu’il se lie préférentiellement, soit à l’antipode du point d’émission du premier globule polaire
14
Q
Prévention de la polyspermie
A
- que la fécondation ait été externe ou interne, une fois que le premier spermatozoïde a pénétré dans l’œuf, il faut éviter que d’autres en fassent autant, puisque le zygote obtenu doit être diploïde, et non pas polyploïde
- la prévention de la polyspermie fait partie intégrante de la deuxième grande étape de la fécondation, soit l’entrée du spermatozoïde dans l’œuf
- chez l’oursin, où le phénomène a été particulièrement bien étudié, et chez des amphibiens, deux mécanismes, l’un rapide et l’autre lent, préviennent la polyspermie
15
Q
Réaction rapide
A
- un spermatozoïde ne peut fusionner à la membrane d’un oeuf que lorsqu’elle est à son potentiel de repos, soit -70mV
- dès qu’un spermatozoïde pénètre dans un oeuf, une protéine acrosomienne ouvre les canaux sodiques de la membrane de l’œuf et permet l’entrée de Na+
- l’œuf, qui contenait peu de Na+ comparativement au milieu dans lequel il se trouve, voit son potentiel membranaire s’élever jusqu’à 0 et même à +20mV, ce qui empêche d’autres spermatozoïdes de fusionner à sa membrane
- l’élévation du potentiel est rapide mais de courte durée
- afin de rétablir l’homéostasie, la membrane retourne à son potentiel de repos alors que plusieurs spermatozoïdes y sont encore accolés
- un mécanisme additionnel et plus durable s’avère donc nécessaire pour contrer la polyspermie
16
Q
Réaction lente
A
- ce mécanisme plus lent qui enlève les spermatozoïdes accrochés à l’œuf est la réaction des granules corticaux
- elle ressemble à la réaction acrosomienne : en présence d’ions Ca++ la membrane des granules fusionne à celle de l’oeuf, libérant le contenu des granules dans l’espace entre la membrane plasmique de l’oeuf et l’enveloppe vitelline
- suivant le bris des granules corticaux au point d’entrée du spermatozoïde, une vague d’exocytose des granules corticaux se propage tout autour de l’oeuf
- les enzymes protéolytiques libérées dissolvent les protéines qui lient l’enveloppe vitelline à la membrane cellulaire, créant l’espace périvitellin
- l’enveloppe vitelline ainsi distanciée de la membrane cellulaire subit des changements : des protéases, libérées par les granules corticaux, inactivent ou même lui arrachent les récepteurs de spermatozoïdes, puis une peroxydase la fait durcir
- on l’appelle alors enveloppe de fertilisation, formée graduellement à partir du site d’entrée du spermatozoïde en progressant tout autour de l’oeuf, pendant quelques secondes à plusieurs minutes selon les espèces
- l’enveloppe de fertilisation offre une barrière mécanique empêchant la pénétration d’autres spermatozoïdes
- la plupart des espèces utilisent tant le blocage rapide que le blocage lent pour prévenir la polyspermie
- chez les mammifères, la polyspermie est minimisée par le petit nombre de spermatozoïdes atteignant l’oeuf
- la réaction des granules corticaux ne crée pas d’enveloppe de fertilisation mais l’effet est le même, soit la libération d’enzymes qui modifient les récepteurs spermatiques de la zone pellucide, de sorte qu’ils ne lient plus les spermatozoïdes
- c’est la réaction de la zona pellucida
- chez certains oiseaux, reptiles et amphibiens, plusieurs spermatozoïdes pénètrent dans l’œuf, mais par un mécanisme mal connu, dès qu’un premier noyau de spermatozoïde fusionne au noyau de l’oeuf (étape suivante), les autres spermatozoïdes se désintègrent
17
Q
Amphimixie
A
- on a vu que seuls le noyau (haploïde) et, derrière lui, le centriole proximal du spermatozoïde pénètrent dans l’oeuf
- la chromatine des deux noyaux, celui du spermatozoïde comme celui de l’oeuf, se décondense très rapidement, l’enveloppe nucléaire de chacun se défait
- on utilise les termes de pronoyau mâle et de pronoyau femelle pour les désigner
- le pronoyau et le centriole mâles subissent une rotation de 180°, si bien que le centriole mâle fait face au pronoyau femelle
- le pronoyau femelle complète sa deuxième division méiotique, avec émission du second globule polaire
- le centriole femelle est expulsé du zygote
- le centriole mâle se dédouble et les deux centrioles-fils migrent du centre vers la périphérie du cytoplasme (du cytoplasme actif); à partir d’eux, des microtubules se polymérisent et forment les asters, début de formation du fuseau mitotique
- les deux pronoyaux, mâle et femelle, migrent l’un vers l’autre et se rencontrent; les chromosomes paternels et maternels se mélangent, puis s’organisent le long du fuseau mitotique qui poursuit et termine sa formation
- chez l’oursin, un véritable noyau zygote diploïde est formé (une enveloppe nucléaire se forme autour du noyau zygote), mais le stade zygote est de courte durée, environ 1 heure, et la cellule se prépare déjà à la première division de segmentation (mitotique)
- chez les mammifères, dès la fusion des pronoyaux mâle et femelle, l’ADN se réplique et les chromosomes s’apparient le long du fuseau mitotique pour se préparer à la première division de segmentation
- méanmoins ceci prend beaucoup plus de temps, environ 12 heures chez l’humain
18
Q
Activation du métabolisme de l’oeuf fécondé et début du développement
A
- pour que le zygote poursuive son développement, des changements métaboliques doivent se produire
- c’est l’entrée du spermatozoïde dans l’oeuf qui met en branle ces événements, qui sont considérés comme étant une étape de la fécondation
- le spermatozoïde n’a contribué que son noyau et son centriole proximal au zygote; conséquemment, toutes les mitochondries du zygote proviennent de l’œuf
- les mitochondries de tout embryon sont exclusivement maternelles (sauf rares exceptions)
19
Q
Activation du métabolisme de l’oeuf fécondé et début du développement : réponses précoces
A
- lors du blocage de la polyspermie, l’influx de Na+ et de la sortie de H+ cause une élévation du pH intracellulaire et la libération intracellulaire de Ca++ déclenche une modification de l’activité respiratoire consistant en l’accroissent de l’utilisation d’O2 par le zygote via l’activation de cytochromes oxydases
- l’œuf vierge était quasiment en état d’anoxie
- il advient une activation de NAD-kinase, qui catalyse la synthèse de NADP+ à partir de NAD+ et d’ATP
- le NADP+ est utilisé comme co-enzyme dans la synthèse lipidique, importante pour la construction des membranes en vue de la segmentation prochaine
- la fécondation a pour effet d’activer l’élimination des déchets métaboliques accumulés dans l’oeuf vierge
- ce flux de Ca++ est essentiel à l’activation du métabolisme, qui peut d’ailleurs être activé en l’absence de spermatozoïde, par injection de Ca++ : c’est la parthénogenèse artificielle, mentionnée ci-bas
20
Q
Activation du métabolisme de l’oeuf fécondé et début du développement : réponses tardives
A
- activation de la synthèse d’ADN
- activation de la synthèse de protéines
- réorganisation cytoplasmique du zygote
21
Q
Activation du métabolisme de l’oeuf fécondé et début du développement : réponses tardives : activation de la synthèse d’ADN
A
- en vue de la prochaine division mitotique du zygote
22
Q
Activation du métabolisme de l’oeuf fécondé et début du développement : réponses tardives : activation de la synthèse de protéines
A
- synthèse qui ne dépend pas de la synthèse de nouveaux ARNm mais de ceux mis en réserve dans l’oeuf durant l’ovogenèse
- tous les ARNm accumulés ne sont pas traduits simultanément après la fécondation, plusieurs demeurent en réserve pour les étapes ultérieures du développement
23
Q
Activation du métabolisme de l’oeuf fécondé et début du développement : réponses tardives : réorganisation cytoplasmique du zygote
A
- le cytoplasme cortical de l’oeuf nouvellement fécondé subit une rotation de 30° par rapport au cytoplasme profond, rotation amenée par l’entrée du spermatozoïde qui en dicte le sens
- la position du premier plan de segmentation du zygote n’est donc pas établie au hasard, mais spécifiée par le point d’entrée du spermatozoïde dans l’oeuf, qui définit d’ailleurs la future face ventrale de l’embryon
- les morphogènes accumulés durant l’ovogenèse devront être assignés à des cellules-filles spécifiques durant la segmentation de l’embryon
- pour ce faire, ils sont répartis spatialement et de façon spécifique dans le zygote peu après la fécondation
- de leur organisation spatiale dépendra le développement normal de l’embryon
- la coordination du réarrangement cytoplasmique et du plan de segmentation est médiée par les microtubules astériens du fuseau mitotique, découlant du nucléole du spermatozoïde qui s’est dédoublé
- le zygote est maintenant prêt pour le développement d’un animal multicellulaire
24
Q
Parthogénèse
A
- la parthénogenèse est le mode de reproduction selon lequel une activation spontanée de l’oeuf lui permet de se développer en un nouvel individu sans qu’il y ait fécondation par un spermatozoïde
- elle a été initialement découverte chez le puceron par Charles Bonnet en 1740
- la parthénogenèse naturelle se rencontre chez plusieurs groupes zoologiques mais survient surtout dans des conditions écologiques particulières
- elle peut se produire dans toutes les classes de Vertébrés, sauf les mammifères et très rarement chez les oiseaux
- elle peut être provoquée expérimentalement chez des espèces chez qui la fécondation normale est la règle, tels l’oursin et des amphibiens
- les expériences d’induction
artificielle de la parthénogenèse ont permis de mieux comprendre les mécanismes de la fécondation normale
25
Q
Parthogénèse naturelle
A
- la parthénogenèse naturelle s’accomplit par une variation de la méiose
- par exemple, chez la mouche Drosophila mangabeirai un des globules polaires agit comme spermatozoïde et fertilise l’ovotide après la deuxième division méiotique
- chez la sauterelle Moraba virgo et le lézard Cnemidophorus uniparens l’oeuf double son nombre de chromosomes avant la méiose et les deux divisions méiotiques se trouvent à restaurer la diploïdie
- chez la sauterelle Pycnocelus surinamensis les oeufs se forment par deux divisions mitotiques, plutôt que méiotiques
- tous ces cas résultent en femelles diploïdes
- chez certaines espèces, la parthénogenèse est utilisée comme mécanisme de détermination sexuelle
- par exemple, chez les hyménoptères (abeilles, guêpes, fourmis) les oeufs non fertilisés, haploïdes, se développent en mâles tandis que les oeufs fertilisés, diploïdes, se développent en femelles
- les mâles haploïdes peuvent produire des spermatozoïdes en abandonnant la première division méiotique, formant ainsi deux spermatozoïdes haploïdes
26
Q
Parthogénèse expérimentale
A
- la parthénogenèse expérimentale peut être induite par des agents chimiques
- les substances ionophores liant le calcium peuvent entraîner une activation parthénogénétique (chez l’oursin, les amphibiens et le hamster) en provoquant un afflux de Ca++ dans l’ovocyte, afflux qui a le même effet que l’entrée du spermatozoïde lors de la fécondation normale : achèvement de la méiose, émission des granules corticaux, activation métabolique de l’oeuf
- il est à noter que chez les mammifères, l’embryon parthénote, s’il réussit à s’implanter dans l’utérus, voit son développement arrêté à la mi-gestation
- la parthénogenèse peut aussi être induite par stimulation traumatique, provoquant le globule polaire à stimuler le développement de l’ovocyte
- lors de la fécondation normale, le spermatozoïde joue le rôle de stimulus du développement de l’oeuf, par action analogue à un élément chimique ou à un traumatisme
- bien qu’il ne soit pas indispensable au rétablissement de la diploïdie et à la réalisation de la segmentation subséquente, il joue néanmoins ces rôles dans la fécondation normale
- l’absence de parthénogenèse naturelle chez les mammifères, l’avortement des parthénotes expérimentaux, de même que différentes expériences de transfert nucléaire tendent à indiquer que le génome paternel est nécessaire au développement normal et total de l’embryon mammalien
- la gamétogenèse et la fécondation sont deux étapes de la progenèse qui résultent en la formation du zygote, prérequis de l’embryogenèse proprement dite
