Gamète

Définition du gamète

Les gamètes sont des cellules reproductrices haploïdes d’organismes à reproduction sexuée qui fusionnent entre elles lors de la fécondation. La fécondation produit une cellule diploïde qui subit des cycles répétés de division cellulaire pour produire un nouvel individu. Les gamètes sont les porteurs physiques de l’information génétique d’une génération à l’autre. Ils portent des chromosomes recombinants produits à la fin de la méiose.

Souvent, les espèces qui se reproduisent sexuellement ont deux types d’individus morphologiquement distincts qui produisent des gamètes différents. Le plus grand gamète produit par la femelle est généralement appelé l’œuf ou ovule. Le plus petit est le spermatozoïde. Des distinctions similaires existent également dans le monde végétal, le gamète femelle étant appelé ovule et le gamète mâle portant le nom de pollen.

Types de gamètes

Dans de nombreuses espèces, il existe deux types de gamètes dont la forme et la fonction sont distinctes l’une de l’autre. Chez l’homme et les autres mammifères, par exemple, l’ovule est beaucoup plus gros que le spermatozoïde. Le spermatozoïde a également une apparence caractéristique de têtard, avec des adaptations spéciales pour sa fonction principale, qui est de se déplacer dans l’appareil reproducteur féminin et de fertiliser l’ovule. De la même manière, l’ovule présente un certain nombre d’adaptations structurelles qui facilitent le processus de fécondation précise et l’implantation ultérieure. On dit des espèces qui présentent des différences évidentes dans l’apparence des gamètes qu’elles font preuve d’anisogamie.

En outre, la plupart des espèces sont également hétérogames – contenant un ensemble différent de chromosomes dans chaque type de gamète. Chez les mammifères, le gamète femelle contient un seul chromosome X en plus de 22 chromosomes somatiques. En revanche, le gamète mâle, le spermatozoïde, peut porter un chromosome X ou Y comme 23e chromosome. En fonction du chromosome présent dans le spermatozoïde, le zygote diploïde qui en résulte peut être soit une femelle (XX), soit un mâle (XY). Chez les oiseaux, cette forme d’hétérogamie est inversée. Les femelles produisent des gamètes qui pourraient contenir soit le chromosome W soit le chromosome Z et les mâles produisent un seul type de gamète.

Exemples de gamètes

Les deux gamètes les plus courants sont les spermatozoïdes et les ovules. Ces deux cellules haploïdes peuvent subir une fécondation interne ou externe et peuvent différer l’une de l’autre par leur taille, leur forme et leur fonction. Certaines espèces produisent à la fois des spermatozoïdes et des ovules dans le même organisme. Elles sont appelées hermaphrodites. Cependant, la majorité des organismes à reproduction sexuée ont des sexes distincts, chacun produisant un seul type de gamète.

Structure et fonction du sperme

Les spermatozoïdes humains sont des cellules hautement spécialisées qui ont subi une longue période de différenciation.

Spermatozoïdes

Comme le montre l’image, les spermatozoïdes contiennent quatre régions morphologiques – la tête, le cou, le milieu et la queue. Ces termes génériques font en fait référence à différents organites subcellulaires qui ont été adaptés pour aider le spermatozoïde dans sa fonction.

La  » tête « , par exemple, contient le matériel génétique. L’ADN d’un spermatozoïde mature est très compacté, son activité transcriptionnelle est presque inexistante et tous les chromosomes sont étroitement condensés. Ils sont même dotés de protéines spéciales appelées protamines pour tasser l’ADN plus étroitement que les histones. La tête est également entourée d’une structure en forme de capuchon contenant des enzymes hydrolytiques appelées acrosomes. Les enzymes acrosomiques agissent sur les membranes externes de l’ovule, permettant à l’ADN du spermatozoïde d’accéder à la membrane plasmique de l’ovule.

Le cou du spermatozoïde est constitué d’une paire de centrioles. Le centriole proximal pénètre dans l’ovocyte lors de la fécondation et se duplique même au sein du zygote. Le centriole distal donne naissance à des structures filamenteuses qui forment la queue fouettée du spermatozoïde.

La queue est constituée de flagelles qui permettent à cette cellule de se déplacer le long de l’appareil reproducteur féminin – du col de l’utérus, en passant par l’utérus vers les trompes de Fallope où la fécondation peut avoir lieu. Cette motilité est même nécessaire pour les espèces qui subissent une fécondation externe. Les flagelles des spermatozoïdes contiennent un filament axonémal cytosquelettique central qui est entouré de deux gaines fibreuses. L’axonème possède une paire de microtubules étendus qui assurent la médiation du mouvement grâce à des protéines motrices appelées dynéine.

L’énergie nécessaire au mouvement flagellaire est fournie par des mitochondries disposées en spirale dans la pièce médiane tubulaire. Une partie de l’énergie provient également de la glycolyse qui se produit dans les gaines fibreuses du flagelle. Les glucides nécessaires à la glycolyse, à la respiration aérobie et à la phosphorylation oxydative sont transportés dans les spermatozoïdes soit à partir du sperme, soit à partir des muqueuses des voies génitales féminines.

Les spermatozoïdes ne possèdent pas de nombreux organites que l’on observe couramment dans la plupart des cellules. Par exemple, les spermatozoïdes n’ont pas de réticulum endoplasmique ou de ribosomes puisque la plupart des synthèses de protéines et de lipides sont achevées pendant la spermatogenèse. Cependant, même après une longue période de différenciation, les spermatozoïdes doivent subir un autre processus appelé capacitation après l’éjaculation, avant de devenir pleinement fonctionnels. Cela implique généralement des modifications de la membrane, l’activation (et la désactivation) de certaines enzymes et des modifications des protéines.

Spermatogenèse

Une différence majeure entre les gamètes mâles et femelles, en particulier chez l’homme, est leur manière d’être produite dans le corps. La spermatogenèse commence après la puberté dans les testicules et peut se poursuivre pendant toute la durée de vie de l’individu, en l’absence de toute maladie ou trouble. Les « cellules mères » du sperme, également appelées spermatogonies, peuvent se diviser continuellement par mitose et générer des cellules qui se différencient en spermatozoïdes matures après méiose. Chaque spermatocyte diploïde peut donner naissance à 2 cellules haploïdes porteuses d’un chromosome X et à 2 cellules haploïdes porteuses d’un chromosome Y. Ces 4 noyaux restent reliés entre eux par des ponts cytoplasmiques afin que même les spermatides qui possèdent un chromosome Y puissent bénéficier des protéines produites par l’expression des gènes du chromosome X.

Ovule

L’ovule (ovum, pluriel : ova) est le gamète féminin. Il s’agit généralement d’une cellule non mobile. Chez les oiseaux, les reptiles, les amphibiens et les invertébrés, soit l’ovule est fécondé à l’extérieur, soit l’œuf est pondu avant l’émergence d’un nouvel organisme. Chez les mammifères, la fécondation et le développement embryonnaire se déroulent tous deux à l’intérieur de la femelle.

L’ovule est produit à partir d’oogonies ou de  » cellules mères  » d’ovules par un processus appelé oogenèse dans l’ovaire. L’ovule est non seulement parmi les plus grandes cellules du corps, mais il est également spécialisé pour assurer une fécondation précise par exactement un spermatozoïde. L’ovule contient également des nutriments qui assurent la croissance initiale d’un zygote. Chez de nombreux organismes, ces nutriments sont représentés par un jaune d’œuf gras et une albumine riche en protéines. Chez les mammifères, cependant, l’ovule est implanté dans l’utérus et tire directement ses nutriments du corps de la mère après les premiers cycles de réplication mitotique.

Membranes protectrices de l’ovule

L’ovule chez l’homme contient deux couches protectrices majeures – la corona radiata contenant les cellules folliculaires, et la zona pellucida. La corona radiata peut être constituée de 2 ou 3 couches de cellules tandis que la zona pellucida est une membrane épaisse et claire constituée de glycoprotéines. La corona radiata doit être franchie par voie enzymatique par les spermatozoïdes avant d’atteindre la zone pellucide. La liaison des spermatozoïdes à cette membrane glycoprotéique interne induit la libération d’enzymes hydrolytiques par l’acrosome. Cela permet la fusion de la membrane du spermatozoïde avec la membrane plasmique de l’ovule, facilitant ainsi la fécondation des deux noyaux haploïdes. La libération d’enzymes digestives et les étapes suivantes sont appelées réaction acrosomique et suscitent également une réponse des membranes de l’ovule. L’ovule forme une membrane vitelline qui empêche l’entrée de tout autre spermatozoïde. Les membranes de l’œuf joueraient également un rôle dans le maintien de la spécificité de l’espèce lors de la fécondation, en empêchant l’accès aux membranes de l’œuf par des spermatozoïdes d’une autre espèce.

Détermination du sexe chez les oiseaux

Chez les oiseaux (ainsi que chez certains poissons), la femelle produit deux types d’œufs différents, puisqu’il s’agit du sexe hétérogame. Cela signifie qu’une cellule somatique diploïde chez les oiseaux femelles adultes possède deux types différents de chromosomes sexuels. Ces deux chromosomes sont appelés les chromosomes Z et W pour les distinguer du système de détermination du sexe XY. Les mâles possèdent deux chromosomes Z et produisent donc des spermatozoïdes qui ne contiennent tous qu’un chromosome Z. En substance, c’est la composition génétique de l’ovule qui détermine le sexe de la progéniture, en contraste direct avec la génétique des humains et de nombreux autres animaux.

Aneuploïdie

Chaque gamète haploïde devrait avoir exactement la moitié du nombre de chromosomes d’une cellule somatique, diploïde. Cependant, des erreurs au cours de la méiose peuvent donner lieu à des gamètes qui ont un nombre inférieur ou supérieur de chromosomes. Lorsque de tels gamètes participent à la fécondation, le zygote qui en résulte est aneuploïde. De nombreux zygotes aneuploïdes sont non viables. C’est-à-dire qu’ils ne terminent pas leur développement embryonnaire et entraînent des avortements spontanés. Cependant, l’aneuploïdie peut parfois entraîner des troubles qui ne deviennent apparents qu’après la naissance. La trisomie 21, également connue sous le nom de syndrome de Down, est la plus courante. Elle survient lorsqu’un gamète haploïde porte 2 copies du chromosome 21 – soit la molécule d’ADN entière, soit de grandes portions de celle-ci.

Lorsque l’aneuploïdie des chromosomes sexuels se produit, elle peut faire en sorte que l’individu ait plus de 2 chromosomes sexuels. Parfois, elle peut aussi aboutir à ce qu’une personne n’ait qu’un seul chromosome X dans toutes ses cellules. Ces individus sont généralement stériles, et leurs caractéristiques sexuelles externes sont souvent en désaccord avec leur composition génétique interne.

  • Axiome – Brin central de filaments cytoplasmiques observés dans les organites tels que les cils ou les flagelles, généralement formés de microtubules.
  • Cellules folliculaires – Également connues sous le nom de cellules de la granulosa, ces cellules entourent l’ovocyte en croissance à l’intérieur de l’ovaire et sont pourtant destinées à aider l’ovocyte à répondre aux signaux hormonaux de l’organisme.
  • Spermatides – Cellules haploïdes qui se forment à partir des spermatocytes par méiose. Les spermatides subissent une différenciation supplémentaire avant de devenir des spermatozoïdes matures.
  • Zygote – Cellule eucaryote diploïde formée par la fusion de deux gamètes haploïdes.

Quiz

1. Lequel de ces éléments est une membrane protectrice autour d’un ovule ?
A. L’acrosome
B. La membrane vitelline
C. Corona radiata
D. Toutes ces réponses

Réponse à la question n°1
B est correct. Plus d’une couche protectrice entoure l’ovule. Alors que la corona radiata et la zona pellucida sont impliquées dans les processus menant à la fécondation, la membrane vitelline est nécessaire pour empêcher la polyspermie – l’entrée de plus d’un spermatozoïde dans l’ovule. Cependant, la corona radiata n’est pas vraiment une membrane. Elle est formée de 2 à 3 couches de cellules folliculaires. L’acrosome est une partie du sperme qui contient des enzymes hydrolytiques.

2. Pourquoi les spermatozoïdes ont-ils besoin de mitochondries mais pas de ribosomes ?
A. Ils peuvent absorber les protéines du milieu extérieur mais pas l’ATP
B. Les mitochondries sont des organites plus grands qui peuvent fournir un support mécanique aux spermatozoïdes.
C. Les spermatozoïdes ne synthétisent pas de protéines, mais ils génèrent de l’ATP pour alimenter le mouvement des flagelles
D. Toutes ces réponses

Réponse à la question n°2
C est correct. Une grande partie de la synthèse des protéines du spermatozoïde est terminée pendant le développement et la maturation. Il n’y a plus besoin de ribosomes. Cependant, les spermatozoïdes entreprennent un voyage à forte intensité énergétique vers l’ovule et ont donc besoin de générer de l’ATP par le biais des mitochondries. Une certaine quantité de glycolyse se produit également dans les spermatozoïdes. Les spermatozoïdes possèdent des transporteurs de glucose sur leurs membranes pour absorber les glucides du sperme ainsi que des tissus internes de l’appareil reproducteur féminin. Les mitochondries ne fournissent pas de support mécanique.

3. Pourquoi les personnes ayant des troubles aneuploïdes sont-elles fréquemment stériles ?
A. Elles ne peuvent pas produire d’hormones sexuelles
B. Il est difficile, et très peu probable, qu’une cellule aneuploïde puisse subir la méiose avec succès et produire des gamètes viables pouvant subir une fécondation
C. La présence d’une membrane vitelline empêche les spermatozoïdes aneuploïdes d’accéder au cytoplasme de l’ovule
D. Toutes ces réponses

Réponse à la question n°3
B est correct. Lorsqu’une personne a des cellules aneuploïdes dans tout son corps, cela inclut les spermatogonies et les ovogonies. Ce sont les progéniteurs de tous les gamètes produits dans le corps. Cependant, pour produire des gamètes, ces cellules doivent subir une méiose, qui comprend deux cycles de division cellulaire. À chaque étape, les chromosomes doivent être alignés, puis séparés de manière égale vers les pôles opposés de la cellule. Dans les cellules aneuploïdes, cette ségrégation est semée d’embûches.