La fécondation

La fécondation est davantage une chaîne d’événements qu’un phénomène unique et isolé. En effet, l’interruption d’une étape de la chaîne entraînera presque certainement l’échec de la fécondation. La chaîne commence par un groupe de changements affectant les spermatozoïdes, qui les préparent à la tâche qui les attend.

Pour que la fécondation réussisse, il faut non seulement qu’un spermatozoïde et un ovule fusionnent, mais aussi que pas plus d’un spermatozoïde ne fusionne avec l’ovule. La fécondation par plus d’un spermatozoïde – la polyspermie – entraîne presque inévitablement une mort embryonnaire précoce. Au bout de la chaîne se trouvent des maillons qui ont évolué pour empêcher efficacement la polyspermie.

En résumé, la fécondation peut être décrite comme les étapes suivantes :

Capacitation des spermatozoïdes

Les spermatozoïdes fraîchement éjaculés sont incapables ou peu capables de féconder. Au contraire, ils doivent d’abord subir une série de changements connus collectivement sous le nom de capacitation. La capacitation est associée à l’élimination des protéines adhérentes du plasma séminal, à la réorganisation des lipides et des protéines de la membrane plasmique. Elle semble également impliquer un influx de calcium extracellulaire, une augmentation de l’AMP cyclique et une diminution du pH intracellulaire. Les détails moléculaires de la capacitation semblent varier quelque peu d’une espèce à l’autre.

La capacitation se produit lorsque les spermatozoïdes résident dans l’appareil reproducteur féminin pendant un certain temps, comme ils le font normalement pendant le transport des gamètes. La durée de ce temps varie selon les espèces, mais nécessite généralement plusieurs heures. Les spermatozoïdes de nombreux mammifères, dont l’homme, peuvent également être capacités par incubation dans certains milieux de fécondation.

Les spermatozoïdes qui ont subi une capacitation sont dits hyperactivés, et présentent entre autres une motilité hyperactivée. Mais surtout, la capacitation semble déstabiliser la membrane du spermatozoïde pour le préparer à la réaction acrosomique, comme décrit ci-dessous.

La liaison spermatozoïde-Zona Pellucida

La liaison des spermatozoïdes à la zone pellucide est une interaction récepteur-ligand avec un haut degré de spécificité d’espèce. Les groupes glucidiques sur les glycoprotéines de la zone pellucide fonctionnent comme des récepteurs de sperme. La molécule de sperme qui se lie à ce récepteur n’est pas connue avec certitude et, en effet, il peut y avoir plusieurs protéines qui peuvent remplir cette fonction.

La réaction de l’acrosome

La liaison du sperme à la zone pellucide est la partie facile de la fécondation. Le spermatozoïde est alors confronté à la tâche redoutable de pénétrer la zone pellucide pour atteindre l’ovocyte. La réponse de l’évolution à ce défi est l’acrosome – un énorme lysosome modifié qui est rempli d’enzymes de digestion de la zone et situé autour de la partie antérieure de la tête du spermatozoïde – juste là où il est nécessaire.

La réaction de l’acrosome fournit au spermatozoïde une foreuse enzymatique pour traverser la zone pellucide. La même protéine de la zone pellucide qui sert de récepteur aux spermatozoïdes stimule également une série d’événements qui conduisent à de nombreuses zones de fusion entre la membrane plasmique et la membrane acrosomique externe. La fusion membranaire (en fait une exocytose) et la vésiculation exposent le contenu acrosomal, ce qui entraîne une fuite des enzymes acrosomales de la tête du spermatozoïde.

A mesure que la réaction acrosomique progresse et que le spermatozoïde traverse la zone pellucide, de plus en plus de membrane plasmique et de contenu acrosomal sont perdus. Au moment où le spermatozoïde traverse la zone pellucide, toute la surface antérieure de sa tête, jusqu’à la membrane acrosomique interne, est dénudée.L’animation à droite représente la réaction acrosomique, avec les enzymes acrosomiques colorées en rouge.

Les spermatozoïdes qui perdent leurs acrosomes avant de rencontrer l’ovocyte sont incapables de se lier à la zone pellucide et donc incapables de féconder. L’évaluation de l’intégrité acrosomique des spermatozoïdes éjaculés est couramment utilisée dans l’analyse du sperme.

Pénétration de la zone pellucide

La force propulsive constante de la queue flagellée du spermatozoïde, combinée aux enzymes acrosomiques, permet aux spermatozoïdes de créer un tractus à travers la zone pellucide. Ces deux facteurs – motilité et enzymes digérant la zone – permettent aux spermatozoïdes de traverser la zone pellucide. Certains chercheurs pensent que la motilité des spermatozoïdes est d’une importance primordiale pour la pénétration de la zone, permettant au sperme de mammifère en forme de couteau de se frayer essentiellement un chemin à travers la zone pellucide.

La liaison spermatozoïde-ovocyte

Une fois qu’un spermatozoïde pénètre la zone pellucide, il se lie et fusionne avec la membrane plasmique de l’ovocyte. La liaison se produit dans la région postérieure (post-acrosomique) de la tête du spermatozoïde.

La nature moléculaire de la liaison spermatozoïde-ovocyte n’est pas complètement résolue. Un candidat principal chez certaines espèces est une glycoprotéine spermatique dimérique appelée fertiline, qui se lie à une protéine de la membrane plasmique de l’ovocyte et peut également induire la fusion. De manière intéressante, les humains et les singes présentent des mutations inactivatrices dans le gène codant pour l’une des sous-unités de la fertiline, ce qui suggère qu’ils utilisent une molécule différente pour se lier aux ovocytes.

Activation de l’œuf et réaction corticale

Avant la fécondation, l’œuf est dans un état quiescent, arrêté en métaphase de la deuxième division méiotique. Lors de la fixation d’un spermatozoïde, l’ovule subit rapidement un certain nombre de changements métaboliques et physiques qui sont collectivement appelés activation de l’ovule. Les effets marquants comprennent une augmentation de la concentration intracellulaire de calcium, l’achèvement de la deuxième division méiotique et la réaction dite corticale.

La réaction corticale fait référence à une exocytose massive de granules corticaux observée peu après la fusion spermatozoïde-ovocyte. Les granules corticaux contiennent un mélange d’enzymes, dont plusieurs protéases, qui diffusent dans la zone pellucide après l’exocytose de l’ovule. Ces protéases modifient la structure de la zone pellucide, induisant ce que l’on appelle la réaction de la zone. Les composants des granules corticaux peuvent également interagir avec la membrane plasmique de l’ovocyte.

La réaction zona

La réaction zona fait référence à une altération de la structure de la zone pellucide catalysée par les protéases des granules corticaux. L’importance critique de la réaction zona est qu’elle représente le principal blocage à la polyspermie chez la plupart des mammifères. Cet effet est le résultat de deux changements mesurables induits dans la zone pellucide :

  1. La zone pellucide durcit. De manière grossière, ce phénomène est analogue à la prise du béton. Les spermatozoïdes retardataires qui n’ont pas fini de traverser la zone pellucide au moment où le durcissement se produit sont arrêtés dans leur course.
  2. Les récepteurs des spermatozoïdes dans la zone pellucide sont détruits. Par conséquent, tout spermatozoïde qui ne s’est pas encore lié à la zone pellucide ne pourra plus se lier, et encore moins féconder l’ovule.

La perte des récepteurs des spermatozoïdes peut être démontrée en mélangeant des spermatozoïdes à la fois avec des ovocytes non fécondés (qui n’ont pas encore subi la réaction de la zone) et des embryons à deux cellules (qui ont préalablement subi les réactions corticale et de la zone). Dans cette expérience, les spermatozoïdes se fixent avidement à la zone pellucide des ovocytes, mais ne parviennent pas à se lier aux embryons à deux cellules.

Événements post-fertilisation

Après la fusion du spermatozoïde fécondant avec l’ovocyte, la tête du spermatozoïde est incorporée dans le cytoplasme de l’ovocyte. L’enveloppe nucléaire du spermatozoïde se disperse, et la chromatine se détache rapidement de son état serré dans un processus appelé décondensation. Chez les vertébrés, les autres composants du sperme, y compris les mitochondries, sont dégradés plutôt qu’incorporés dans l’embryon.

La chromatine du sperme et de l’ovule est bientôt encapsulée dans une membrane nucléaire, formant les pronucléus. L’image de droite montre un embryon de lapin à une cellule peu après la fécondation – cet embryon a été fécondé par deux spermatozoïdes, ce qui a conduit à la formation de trois pronuclei, et mourrait probablement en quelques jours. Passez le curseur de votre souris sur l’image pour identifier les pronucléus.

Chaque pronucléus contient un génome haploïde. Ils migrent ensemble, leurs membranes se rompent, et les deux génomes se condensent en chromosomes, reconstituant ainsi un organisme diploïde.

Les pronucléus ne sont plus qu’une partie de l’organisme.