La spermatogenèse

1. La spermatogenèse Jean Pierre Siffroi Service d’Histologie, Biologie de la Reproduction et Cytogénétique Hôpital Tenon jean-pierre.siffroi@tnn.aphp.fr

2. 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) Spermatozoïde 5) Cinétique de la spermatogenèse - Cycle de l’épithélium séminal 5) Régulation de la spermatogenèse - Régulation endocrine - Régulation paracrine 6) Eléments de spermiologie

3. Intestin antérieur Intestin postérieur Crêtes génitales Intestin PGCs Crêtes génitales Coeur Cloaque Mésonephros Vésicule vitelline Embryologie Origine 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

4. PUBERTE Reprise de la maturation des cellules germinales Spermatogenèse ou production de gamètes matures continue tout au long de la vie Embryologie Evolution des cellules germinales Dans le sexe mâle, la différenciation de la gonade primitive en testicule aboutit à la formation de tubes séminifères primitifs (PGCs et cellules de Sertoli) dans lesquels les PGCs vont bloquer leur maturation au stade de futures cellules souches de la spermatogenèse

5. L’évènement le plus important dans la différenciation des cellules germinales est la MEÏOSE

6. Succession de 2 divisions cellulaires: M1 réductionnelle + M2 équationnelle M2 M1 + M2 Méïose Généralités Fondamentalement, la méïose est un processus aboutissant à la production des 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

7. Aspect cytologique: les différentes phases de la méïose Aspect chromosomique: appariement et ségrégation des chromosomes Aspect génétique: les recombinaisons et le brassage des gènes La méïose: un phénomène complexe analysable sur 3 aspects différents mais étroitement liés

8. SRY Testicule Blocage des cellules en phase pré-méïotique: pro-spermatogonies PGC Méïose à la puberté Migration Invasion de la gonade primitive Ovaire Début de la méïose au stade foetal Blocage avant la naissance en fin de prophase de M1: follicule primordial Reprise de la méïose à la puberté Méïose Différences entre méïoses mâles et femelles Le déroulement de la méïose est très différent selon le sexe dans le temps

9. Globules polaires Sexe femelle Sexe mâle Méïose Différences entre méïoses mâles et femelles Le déroulement de la méïose est très différent selon le sexe dans la répartition du cytoplasme

10. Méïose Aspects cytologiques Différences mitose-méïose Comme pour toute division cellulaire, les divisions méïotiques comportent une prophase, une métaphase, une anaphase et une télophase mais de nombreuses différences existent! • la durée • Mitose: quelques dizaines de minutes • Méïose: • - plus de 20j pour la prophase de M1 chez l’homme • - plusieurs années chez la femme (prophase bloquée)

11. MEÏOSE MITOSE • l’appariement des chromosomes homologues • et leurs recombinaisons • la non-séparation des chromatides sœurs en M1 = • la ségrégation de chaque homologue dans des cellules • filles différentes

12. 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 • 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)

13. LEZYPADIDI 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

14. Chromosomes dupliqués sous la forme de filaments irréguliers Rapprochement des homologues Duplication et début de migration des centrioles

15. Début de l’appariement des chromosomes homologues ou synapsis Migration des centrioles aux pôles opposés de la cellule

16. Phase la plus longue de la prophase (16j chez l’homme) Synapsis complet: les chromosomes sont sous forme de bivalents Corpuscule XY (Vésicule sexuelle VS) chez le mâle (chromosomes X et Y inactivés)

17. Elément central Eléments latéraux 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 squelette des chromosomes: des protéines de la famille des SMCs (Structural Maintenance of Chromosomes) dont la protéine Rec8 (Cohesin)

18. Rec8

19. De nouvelles combinaisons de gènes sont ainsi « essayées » à chaque génération et soumises à la sélection naturelle L’appariement des chromosomes homologues permet, de plus, la survenue des recombinaisons génétiques et le brassage des allèles parentaux dans les gamètes

20. Les recombinaisons génétiques surviennent au niveau des chiasmas (Crossing over)

21. 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

22. Fin de la prophase de MI Condensation maximale des chromosomes toujours reliés entre eux au niveau des chiasmas « Glissement ou terminalisation des chiasmas » Disparition de l’enveloppe nucléaire

23. Sous l’effet des forces égales exercées par les microtubules du fuseau de division, les chromosomes se disposent sur la plaque équatoriale MAIS

24. Séparase Contrairement à la mitose où le fuseau est bi-polaire et où les chromatides sœurs vont être libérées par une séparase

25. Rec8 La protéine Rec8 passe d’une localisation axiale le long des chromosomes à une localisation centromérique En méïose, le fuseau de division en M1 est uni-polaire (accrochage des microtubules sur un seul côté grâce au complexe Monopolin ou Mam1)

26. ce qui aboutit, en anaphase, à la ségrégation de chaque chromosome homologue à un pôle différent de la cellule et à la non séparation des chromatides soeurs

27. De plus, cette ségrégation concerne des chromosomes « chimères » car ayant réalisé des recombinaisons au stade pachytène

28. 223 combinaisons pour l’ensemble du génome B B B B B B B B B B A A A A A B B B B B A A A A A A A A A A En anaphase 1, la ségrégation des chromosomes non homologues se fait de façon aléatoire = indépendance des caractères héréditaires (gènes) portés par des chromosomes différents

29. L’enveloppe nucléaire se reconstitue autour de deux lots de chromosomes contenant un chromosome de chaque paire sous la forme de deux chromatides sœurs reliées entre elles au niveau du centromère

30. - qui aboutit à la production de gamètes haploïdes (une chromatide de chaque paire chromosomique par cellule et recombinée) La M2 est une division cellulaire plus classique comportant les phases habituelles d’une mitose mais: - qui suit la M1 sans nouvelle phase S de synthèse d’ADN - qui comprend la séparation des chromatides sœurs (disparition de Rec8)

31. Spermatogenèse Processus de multiplication et de différenciation cellulaires qui, après la puberté, aboutit à la production de spermatozoïdes à partir de cellules souches Cellules de Leydig Gaine péritubulaire Cellules de Sertoli Spermatogonies Spermatides Spermatocytes Dure 74j chez l’homme • 3 types de cellules • sont reconnaissables dans la • lignée germinale mâle, • correspondant chacun à une • étape précise: • - les spermatogonies: divisions • mitotiques • les spermatocytes: méïose • - les spermatides: différenciation • terminale ou spermiogenèse

32. cellules de réserve Les spermatogonies sont localisées à la périphérie des tubes séminifères, près de la membrane basale et entre les cellules de Sertoli 3 types en microscopie photonique: - spermatogonies Ad (dark): noyau arrondi avec une chromatine fine et très colorable - spermatogonies Ap (pale): noyau ovalaire - spermatogonies B: noyau arrondi et foncé avec une chromatine en amas (Spermatogonies croutelleuses)

33. Les spermatogonies B donnent directement naissance aux spermatocytes I grandes cellules ovalaires situées à distance de la membrane basale qui rentrent en méïose Le stade le plus visible sur coupes est le stade pachytène qui est le plus long (bivalents bien individualisés)

34. des jonctions serrées situées entre les cellules de Sertoli s’ouvrent, laissent passer les cellules germinales et se reconstituent derrière Compartiment adluminal Jonctions serrées Constitution de la barrière hémato-testiculaire comprenant: - l’endothélium des capillaires - les cellules péritubulaires - la membrane basale des tubes - les jonctions serrées entre Sertoli Compartiment basal Le passage en méïose s’accompagne également d’un passage des cellules germinales du compartiment basal au compartiment adluminal des tubes séminifères au stade leptotène précoce: les cellules germinales post-méïotiques sont isolées du système immunitaire

35. Spermatides et spermiogenèse Les spermatocytes II, qui effectuent la M2, se transforment directement en spermatides cellules 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

36. Les modifications des spermatides portent sur: - la formation de l’acrosome - les remaniements nucléaires - le développement du flagelle - la réorganisation du cytoplasme

37. A fur et à mesure de son développement, la vésicule acrosomale finit par coiffer les 2/3 antérieurs du noyau et constitue l’acrosome dans lequel s’accumulent des enzymes provenant de l’appareil de Golgi Formation de l’acrosome Des vacuoles issues de l’appareil de Golgi et renfermant des granules pro-acrosomiaux fusionnent pour former la vésicule acrosomale qui se développe à un pôle du noyau (futur pôle antérieur)

38. L’élongation est due à l’accrochage de microtubules constituant la manchette à l’enveloppe nucléaire. Ils disparaissent dans les stades tardifs de la spermiogenèse Remaniements nucléaires • Les deux évènements principaux • concernant le noyau sont: • - l’élongation • la condensation du génome • et ont lieu dans la deuxième • moitié de la spermiogenèse La condensation est due au remplacement des histones de type somatique par des protéines nucléaires plus basiques: les protamines

41. Disposition en T caractéristique Le flagelle se développe à partir du centriole distal qui assemble les éléments de l’axonème Photo JL Courtens Développement du flagelle Débute dès les premiers stades de la spermiogenèse par le déplacement des deux centrioles au pôle postérieur du noyau (opposé à la vésicule acrosomiale)

42. Microtubule B (10-11 protofilaments) Microtubule A (13 protofilaments) Bras externe de dynéine Bras interne de dynéine Doublet central Lien de nexine Pont radiaire Gaine fibreuse Tête radiaire

43. Réorganisation du cytoplasme Glissement du cytoplasme vers l’arrière, le long du flagelle en cours de formation Diminution de volume du cytoplasme: formation des corps résiduels qui seront phagocytés par les cellules de Sertoli Disposition des mitochondries autour de la partie initiale du flagelle jusqu’à une zone d’étranglement: l’annulus

45. Spermatozoïde Le spermatozoïde est le gamète mâle mature libéré dans la lumière des tubes séminifères et transporté tout au long du tractus génital C’est une cellule mobile capable d’atteindre le gamète femelle dans les voies génitales féminines Schématiquement, il se résume à: - un noyau contenant le génome haploïde mâle - un appareil propulseur: le flagelle - du carburant: les mitochondries

46. 1,5 à 3µ Acrosome Tête 3 à 4,5µ Noyau 60µ Cape post-acrosomale Mitochondries Espace nucléaire postérieur Colonnes segmentées Col Plaque basale Colonnes segmentées Fibres denses Centriole proximal Mitochondries Pièce intermédiaire Fibres denses Axonème Axonème Annulus Gaine fibreuse Colonne longitudinale Gaine fibreuse Pièce principale Pièce terminale

47. 6 associations préférentielles de cellules germinales entre elles sont observables chez l’homme, définissant les 6 stades de l’épithélium séminal 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 Ces stades sont dus à une entrée en mitose cyclique et régulière des spermatogonies associée à une durée d’existence variable de chaque type cellulaire pendant la spermatogenèse

48. 23j 1j 23j 9j 18j Durée de vie variable de chaque type de cellules germinales Entrée périodique des spermatogonies en division tous les 16 jours

49. 74j Chacun des 6 stades se répète tous les 16j = durée du cycle de l’épithélium séminal Cycle spermatogénétique = 74j ~ 4 cycles et demi de l’épithélium séminal 23j 1j 23j 9j 18j

50. Environnement: lumière, stress, olfaction, ….. Hypothalamus GnRH Gonadotrophin Releasing Hormone - Hypophyse - - Gonadotrophines FSH Inhibine FSH LH Testostérone Activine et LH + + + Sertoli Leydig Leydig Testicule Régulation endocrine de la spermatogenèse Système nerveux central