La spermatogenèse
Jean Pierre SiffroiService d’Histologie, Biologie de la Reproduction
et CytogénétiqueHôpital Tenon
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!
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