La spermatogenèse

Jean Pierre SiffroiService d’Histologie, Biologie de la Reproduction

et CytogénétiqueHôpital Tenon

jean-pierre.siffroi@tnn.aphp.fr

1) Données embryologiques- Origine des cellules germinales- Evolution des cellules germinales

2) Méïose- Généralités et différences entre méïoses mâle et femelle- Phases de la méïose: aspects cytologiques, chromosomiques et génétiques

3) Spermatogenèse- Spermatogonies- Spermatocytes- Spermiogenèse

4) Spermatozoïde5) Cinétique de la spermatogenèse

- Cycle de l’épithélium séminal

5) Régulation de la spermatogenèse- Régulation endocrine- Régulation paracrine

6) Eléments de spermiologie

Vésicule vitelline

PGCs

Intestin postérieurIntestin antérieur

Coeur

CloaqueMésonephros

Crêtesgénitales

Crêtesgénitales

Intestin

EmbryologieOrigine des cellules germinales

Dans les deux sexes, les cellules germinales primordiales (Primordial Germ Cells: PGCs)apparaissent dans la paroi postérieure de la vésicule vitelline et MIGRENT vers la région

du mésonephros (rein intermédiaire) pour former les crêtes génitales:future gonade primitive indifférenciée

Dans le sexe mâle, la différenciationde la gonade primitive en testicule

aboutit à la formation detubes séminifères primitifs

(PGCs et cellules de Sertoli)dans lesquels les PGCs vont bloquerleur maturation au stade de futures

cellules souches de laspermatogenèse

Spermatogenèse ou production de gamètes matures continue toutau long de la vie

PUBERTEReprise de la maturation des cellules

germinales

EmbryologieEvolution des cellules germinales

L’évènement le plus important dans la différenciationdes cellules germinales est la

MEÏOSE

Fondamentalement, la méïose est un processus aboutissant à la productiondes gamètes ou cellules haploïdes ne contenant que

la moitié (n) du stock diploïde (2n) de chromosomes,c’est-à-dire un chromosome de chaque paire

Succession de 2 divisions cellulaires:M1 réductionnelle

M1

M2 équationnelleM2

M2

+

+

MéïoseGénéralités

La méïose:un phénomène complexe analysable sur 3 aspects

différents mais étroitement liés

Aspect cytologique:les différentes phases

de la méïose

Aspect chromosomique:appariement etségrégation deschromosomes

Aspect génétique:les recombinaisons etle brassage des gènes

MéïoseDifférences entre méïoses mâles et femelles

Le déroulement de la méïose est très différentselon le sexe

PGC

MigrationInvasion de la gonade primitive

SRY

TesticuleBlocage des cellules

en phase pré-méïotique:pro-spermatogonies

Méïose à lapuberté

OvaireDébut de la méïose

au stade foetal

Blocage avant la naissanceen fin de prophase de M1:

follicule primordial

Reprise de laméïose à la

puberté

dans le temps

Le déroulement de la méïose est très différentselon le sexe dans la répartition du cytoplasme

Sexe mâle

MéïoseDifférences entre méïoses mâles et femelles

Sexe femelle

Globules polaires

MéïoseAspects cytologiques

Différences mitose-méïose

Comme pour toute division cellulaire, les divisions méïotiquescomportent une prophase, une métaphase, une anaphase et une télophase

mais de nombreuses différences existent!

-la duréeMitose: quelques dizaines de minutes

Méïose: - plus de 20j pour la prophase de M1 chez l’homme

- plusieurs années chez la femme (prophase bloquée)

-l’appariement des chromosomes homologueset leurs recombinaisons

MEÏOSEMITOSE

-la non-séparation des chromatides sœurs en M1 =la ségrégation de chaque homologue dans des cellules

filles différentes

-l’activité génique - les gènes ne sont pas transcrits pendant la mitose

- il existe une transcription intense au stade pachytène (sauf X-Y chez l’homme)

-l’absence de nouvelle synthèse d’ADN entre la M1 et la M2- normalement une phase S précède toute mitose

- la M2 suit la M1 sans nouvelle phase S

Les phases clefs de la méïose sont:- la prophase de M1 avec ses 5 stades

. leptotène

. zygotène . pachytène. diplotène. diacinèse

- et l’anaphase de M1

LEZYPADIDI

Chromosomes dupliquéssous la forme de

filaments irréguliersRapprochement des

homologuesDuplication et début

de migration des centrioles

Début de l’appariement des chromosomes homologues

ou synapsis

Migration des centriolesaux pôles opposés

de la cellule

Phase la plus longue de la prophase

(16j chez l’homme)Synapsis complet: les

chromosomessont sous forme de bivalents

Corpuscule XY(Vésicule sexuelle VS)

chez le mâle (chromosomes X et Y

inactivés)

Eléments latérauxElément central

Filaments transverses

L’appariement des chromosomes est réalisé grâce à une structure en fermeture éclair:le complexe synaptonémal

dont les éléments latéraux intègrent des structures pré-existantes du squelettedes chromosomes: des protéines de la famille des SMCs (Structural Maintenance

of Chromosomes) dont la protéine Rec8 (Cohesin)

Rec8

L’appariement des chromosomes homologuespermet, de plus, la survenue des recombinaisons génétiques

et le brassage des allèles parentaux dans les gamètes

De nouvelles combinaisons de gènes sont ainsi « essayées »à chaque génération et soumises à la sélection naturelle

Les recombinaisons génétiquessurviennent au niveau

des chiasmas (Crossing over)

Condensation accrue des chromosomes

Les bivalents ont tendance à se dissocier

sauf aux endroits des recombinaisons: chiasmas

(nombre, position)

Disparition des éléments du CS

Disparition du corpuscule XY

Interruption de la MI féminine à ce stade

Fin de la prophase de MICondensation maximale

des chromosomestoujours reliés entre eux au

niveau des chiasmas« Glissement ou

terminalisation des chiasmas »

Disparition de l’enveloppe nucléaire

Sous l’effet des forces égalesexercées par les microtubules

du fuseau de division, leschromosomes se disposent

sur la plaque équatorialeMAIS

Séparase

Contrairement à la mitose où le fuseau est bi-polaireet où les chromatides sœurs vont être libérées par une séparase

En méïose, le fuseau de division en M1 est uni-polaire(accrochage des microtubules sur un seul côté grâce au complexe

Monopolin ou Mam1)

Rec8

La protéine Rec8 passe d’une localisation axiale le long des chromosomesà une localisation centromérique

ce qui aboutit, en anaphase, à la ségrégation de chaque chromosome homologueà un pôle différent de la cellule

et à la non séparation des chromatides soeurs

De plus, cette ségrégationconcerne des chromosomes

« chimères »car ayant réalisé desrecombinaisons au

stade pachytène

En anaphase 1, la ségrégation des chromosomes non homologuesse fait de façon aléatoire =

indépendance des caractères héréditaires (gènes)portés par des chromosomes différents

A A AB B B

A

A A

A A

BBA A A B B

B B B

B B AB B A BA A

223 combinaisons pour l’ensemble du génome

L’enveloppe nucléaire se reconstitue autour de deux lotsde chromosomes contenant un

chromosome de chaque paire sous la forme de deux

chromatides sœurs reliées entre elles au niveau du centromère

La M2 est une division cellulaire plus classique comportantles phases habituelles d’une mitose mais:

- qui suit la M1 sans nouvelle phase S de synthèse d’ADN

- qui aboutit à la production de gamètes haploïdes(une chromatide de chaque paire chromosomique par cellule et recombinée)

- qui comprend la séparation des chromatides sœurs (disparition de Rec8)

SpermatogenèseProcessus de multiplication et de différenciation cellulaires qui, après la puberté,

aboutit à la production de spermatozoïdes à partir de cellules souches

Cellules de Sertoli

Spermatides

Spermatocytes

Spermatogonies

Cellules de Leydig

Gaine péritubulaire

3 types de cellulessont reconnaissables dans la

lignée germinale mâle,correspondant chacun à une

étape précise:

- les spermatogonies: divisionsmitotiques

-les spermatocytes: méïose

- les spermatides: différenciationterminale ou spermiogenèse

Dure 74j chez l’homme

Les spermatogonies sont localisées à lapériphérie des tubes séminifères, près de la

membrane basale et entre les cellules de Sertoli3 types en microscopie photonique:

- spermatogonies Ad (dark): noyau arrondiavec une chromatine fine et très colorable

- spermatogonies Ap (pale): noyau ovalaire- spermatogonies B: noyau arrondi et foncé

avec une chromatine en amas(Spermatogonies croutelleuses)

cellules de réserve

Les spermatogonies Bdonnent directement naissance aux

spermatocytes Igrandes cellules ovalaires situéesà distance de la membrane basale

qui rentrent en méïose

Le stade le plus visible sur coupesest le stade pachytène

qui est le plus long(bivalents bien individualisés)

Le passage en méïose s’accompagneégalement d’un passage des cellulesgerminales du compartiment basal

au compartiment adluminal des tubesséminifères au stade leptotène précoce:

Compartimentadluminal

Compartimentbasal

Jonctionsserrées

des jonctions serrées situées entre lescellules de Sertoli s’ouvrent, laissentpasser les cellules germinales et se

reconstituent derrière

Constitution de labarrière hémato-testiculaire

comprenant:- l’endothélium des capillaires

- les cellules péritubulaires- la membrane basale des tubes

- les jonctions serrées entre Sertoli

les cellules germinales post-méïotiques sont isolées du système immunitaire

Spermatides et spermiogenèse

Les spermatocytes II, qui effectuentla M2, se transforment directement

en spermatidescellules haploïdes qui vont subir

une différenciation radicale,la spermiogenèse,

(il n’y a plus de division cellulaire)pour se transformer en

spermatozoïdes

3 familles de spermatides:

- spermatides jeunes ou rondes- spermatides intermédiaires ou

en cours d’élongation-spermatides matures ou allongées

divisées en 8 stades chez l’homme

Les modifications des spermatides portent sur:

- la formation de l’acrosome

- les remaniements nucléaires

- le développement du flagelle

- la réorganisation du cytoplasme

Formation de l’acrosome

Des vacuoles issues de l’appareilde Golgi et renfermant desgranules pro-acrosomiauxfusionnent pour former la

vésicule acrosomalequi se développe à un pôle du noyau

(futur pôle antérieur)

A fur et à mesure de son développement, la vésicule

acrosomale finitpar coiffer les 2/3 antérieurs du noyau et constitue l’acrosomedans lequel s’accumulent des

enzymes provenant de l’appareil de Golgi

Remaniements nucléaires

Les deux évènements principauxconcernant le noyau sont:

- l’élongation-la condensation du génomeet ont lieu dans la deuxièmemoitié de la spermiogenèse

L’élongation est due à l’accrochagede microtubules constituant

la manchetteà l’enveloppe nucléaire.

Ils disparaissent dans les stadestardifs de la spermiogenèse

La condensation est due auremplacement des histones de type

somatique par des protéines nucléairesplus basiques:les protamines

Développement du flagelle

Débute dès les premiers stadesde la spermiogenèse par le

déplacement des deux centriolesau pôle postérieur du noyau

(opposé à la vésicule acrosomiale)

Photo JL Courtens

Disposition en T caractéristiqueLe flagelle se développe à partir

du centriole distal qui assemble leséléments de l’axonème

Microtubule B (10-11 protofilaments)

Microtubule A (13 protofilaments)

Doubletcentral

Bras externede dynéine

Bras internede dynéine

Lien denexine

Pont radiaire

Tête radiaire

Gaine fibreuse

Réorganisation du cytoplasme

Glissement du cytoplasme versl’arrière, le long du flagelle en

cours de formation

Diminution de volume ducytoplasme: formation des

corps résiduelsqui seront phagocytés par

les cellules de Sertoli

Disposition des mitochondriesautour de la partie initiale

du flagelle jusqu’à une zoned’étranglement: l’annulus

Spermatozoïde

Le spermatozoïde est le gamète mâle maturelibéré dans la lumière des tubes séminifèreset transporté tout au long du tractus génital

C’est une cellule mobile capable d’atteindre le gamète femelledans les voies génitales fémininesSchématiquement, il se résume à:

- un noyau contenant le génome haploïde mâle- un appareil propulseur: le flagelle- du carburant: les mitochondries

Acrosome

Pièceintermédiaire

Annulus

Pièceprincipale

Pièce terminale

NoyauCape post-acrosomale

Espace nucléaire postérieurPlaque basale

Colonnes segmentéesColonnes segmentées

Centriole proximalMitochondries

Mitochondries

Fibres denses

Fibres denses

Gaine fibreuse

Gaine fibreuse

Axonème

Colonne longitudinale

Tête

Col

Axonème

60µ

3 à4,5µ

1,5 à 3µ

Cinétique de la spermatogenèse

L’observation, en coupe transversale,des tubes séminifères montre qu’ils n’ont

pas tous le même aspect =pas la même composition en cellules

germinales de différents types

6 associations préférentielles de cellulesgerminales entre elles sont observables

chez l’homme, définissant les6 stades de l’épithélium séminal

Ces stades sont dus à une entrée en mitose cyclique et régulière des spermatogonies

associée à une durée d’existencevariable de chaque type cellulaire

pendant la spermatogenèse

Entrée périodique des spermatogonies en division tous les 16 jours

18j9j

23j

1j

23j

Durée de vie variable de chaque type de cellules germinales

18j9j

23j

1j

23j

Chacun des 6 stades se répète tous les 16j = durée du cycle de l’épithélium séminal

74j

Cycle spermatogénétique = 74j ~ 4 cycles et demi de l’épithélium séminal

Régulation endocrine de la spermatogenèse

Système nerveux central

Hypophyse

GnRHGonadotrophin

Releasing Hormone

Hypothalamus

Environnement:lumière, stress,olfaction, …..

+

-

InhibineActivine Testostérone

-

LeydigTesticule

Sertoli

FSH

+

GonadotrophinesFSH

-

Leydig

LH

+

et LH

Système nerveux central

Hypothalamus

Hypophyse

Testicule

Sertoli

Leydig

FSHLH

±±

Leydig

GonadotrophinesFSH et/ou LH

basses

+

-

Inhibine

Activine Testostérone

-

-

Hypogonadisme hypogonadotrope

Anomalie de l’axehypothalamo-hypohysaire

Système nerveux central

Hypothalamus

Hypophyse

Axe hypothalamo-hypohysaire normal

FSH

++

LH

++

Testostérone

-

GonadotrophinesFSH ou LH

élevées +

-

InhibineActivine

-

Hypogonadisme hypergonadotrope

Leydig LeydigExemple: mutation du

récepteur à la LHTesticule

Sertoli

Spermatogenèse déficiente: causes toxiques, environnementales, chromosomiques ou idiopathiques

Régulation paracrine de la spermatogenèse

Cellules de Leydig

Cellules de Sertoli

Capillaires

Membrane basaleSpermatogonies

Spermatozoïdes

Spermatides allongées

Spermatidesintermédiaires

Spermatides rondes

Spermatocytes

Testostérone

IGF1 +TGFβ -

InteractionsLeydig - Sertoli

Cellules péritubulaires

Interactionscellules

péritubulaires –Sertoli

ABP

P-Mod-S

Protein Modulating Sertoli

Régulation paracrine de la spermatogenèse

Cellules de Leydig

Cellules de Sertoli

Capillaires

Membrane basaleSpermatogonies

Spermatozoïdes

Spermatides allongées

Spermatidesintermédiaires

Spermatides rondes

Spermatocytes

Cellules péritubulaires

Interactionscellules

germinales –Sertoli

IL1, IL6EGFNGF

Eléments de spermiologie

15% des couples consultent pour des difficultés à procréer!

Dans 1/3 des cas, l’homme est seul responsable- Infertilité obstructive: production de spz

normale mais tractus bouché (malformations, infections)

- Infertilité non obstructive: atteinte de laspermatogenèse

Spermogramme- Azoospermie: pas de spz (≠ d’aspermie: pas d’éjaculat)- Oligozoospermie: diminution du nombre de spz (< 20 millions/ml)- Asthénozoospermie: diminution de la mobilité

Spermocytogrammetératozoospermie: augmentation des

formes anormales

- Têtes

- Flagelles

Même chez les hommes normospermiques,il existe une grande variabilité des chiffres

du spermogramme selon les moments:nécessité de répéter les examens

Toujours rechercher une cause scientifique(et donc pouvoir éventuellement proposer un traitement)

à une infertilité de couple!