1.1. Définition 1.2. Origine et formation : La gamétogenèse
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CHAPITRE I LES GAMETES 1.1. Définition Chez les espèces diploïdes, les gamètes sont des cellules haploïdes spécialisées dans la fusion sexuée. Elles sont spécifiques d'espèce. De plus, nos animaux domestiques sont qualifiés d'hétérogamétiques (par opposition aux espèces isogamétiques) car les deux sexes produisent des gamètes morphologiquement distincts : - l'un est volumineux, immobile et rare : l'ovule provenant de la femelle. - l'un est petit, mobile et abondant : le spermatozoïde provenant du mâle. Leur formation relève des mêmes mécanismes fondamentaux dont le principal est la réduction chromatique ou méiose par laquelle le nombre de chromosomes est réduit de moitié, passant ainsi de l'état diploïde à l'état haploïde. 1.2. Origine et formation : La gamétogenèse Chez les deux sexes, les gamètes proviennent des cellules germinales primordiales (CGP) diploïdes. On les détecte d'abord à l'extérieur du corps de l'embryon, au sein du mésoderme extraembryonnaire sous-jacent au feuillet endodermique du sac vitellin, tout près de l'origine de l'allantoïde en formation (figure 1.1). L'origine exacte de ces cellules germinales primordiales est inconnue, mais certaines de leurs caractéristiques plaident en faveur d'une origine ectodermique. Elles dériveraient ainsi de l'ectoderme embryonnaire et migreraient jusqu'au mésoderme vitellin où elles initient leur activité phosphatase alcaline rendant possible leur détection. Par la suite, elles poursuivent leur migration jusqu'aux ébauches des gonades : les crêtes génitales. Chez les oiseaux, cette migration se fait par voie sanguine. Les cellules germinales primordiales migrent dans le système vasculaire et, arrivées dans les capillaires des crêtes génitales, elles passent activement au travers de l'endothélium vasculaire pour coloniser la gonade en formation (figure 1.2). Chez les mammifères, les cellules germinales primordiales migrent par mouvements amoeboïdes en passant dans l'épaisseur de l'intestin primitif (archentéron) pour remonter par le mésentère dorsal et gagner les crêtes génitales situées à la face médiale des corps de Wolff (figure 1.1). Dès leur entrée dans les crêtes génitales, elles prennent le nom de gonies. Là, elles exercent sur les tissus gonadiques une action inductive qui oriente la différenciation de l'organe en testicule ou en ovaire selon le sexe génétique. A ce stade, elles prennent le nom de spermatogonies ou d'oogonies (ou ovogonies). Chez les deux sexes, la gamétogenèse passe par trois phases : - Phase de multiplication Les oogonies et les spermatogonies se multiplient par mitoses successives, conservant donc leur caractère diploïde. Cette phase de multiplication, initiée durant la migration, se poursuit activement pendant une période plus ou moins étendue suivant l'espèce (tableau 1.1). Elle se termine par l'entrée en méiose des oogonies chez la femelle et, simultanément, par le ralentissement voire l'arrêt complet des mitoses des spermatogonies chez le mâle (phénomène de quiescence observé chez les rongeurs). 1 - Phase d'accroissement - prophase méiotique Les gonies de dernière génération cessent de se diviser et augmentent de volume, se transformant en "cytes" de premier ordre ou "cytes I". L'augmentation de volume est très faible dans le cas du spermatocyte I mais considérable chez l'ovocyte I car elle correspond à l'accumulation des réserves cytoplasmiques nécessaires aux premières divisions de l'embryon. A ce stade, les cytes I sont encore des cellules diploïdes. Leur ADN est constitué de deux compléments, un paternel et un maternel, eux-mêmes constitués d'une série identique de n chromosomes (n étant un nombre caractéristique de l'espèce, voir tableau 1.2). Chaque chromosome est constitué d'un filament d'ADN. Une cellule diploïde possède donc 2n chromosomes répartis en (n-1) paires de chromosomes homologues ou autosomes et une paire de chromosomes hétérologues ou sexuels. Les cytes I de dernière génération répliquent d'abord leur ADN durant la phase S de leur cycle. Ils deviennent donc tétraploïdes. On suppose que chaque chromosome reste accolé au chromosome néo-synthétisé correspondant formant une anse chromosomiale. Le cyte I possède donc 4n chromosomes répartis en 2n anses chromosomiales. Les cytes I s'engagent ensuite dans la première phase de la méiose : la prophase I (figure 1.3). Chaque anse chromosomiale. s'individualise (stades pré-leptotène et leptotène) et s'apparie avec l'anse homologue dérivée de l'autre complément au niveau de son centromère mais également en de nombreux autres points d'ancrage pour former les complexes synaptonémaux (stade zygotène). Le nucléole disparaît. Les anses se condensent, s'épaississent (stade pachytène) et individualisent leurs deux chromatides-soeurs. Chaque couple de chromatides-soeurs correspond à un chromosome et à sa copie néo-synthétisée. A ce stade, la cellule possède 4n chromosomes répartis en n tétrades (figure 1.4). Les couples de chromatides-sœurs se séparent de leur homologue (stade diplotène) mais restent accolées par les points d'ancrage (ou sites de recombinaison) où s'opèrent des échanges de gènes paternels et maternels (chiasmatypie ou crossing-over). - Phase de maturation Au cours de cette phase, les cellules germinales subissent successivement deux divisions de maturation (voir figures 1.3). En fin de maturation, chaque cellule contient n chromosomes et est donc authentiquement haploïde. La réduction chromatique est achevée. Première division de maturation (DM1) : le cyte I se divise en 2 cytes de deuxième ordre (cyte II). La membrane nucléaire disparaît et le premier fuseau achromatique se met en place. Les tétrades se positionnent à l'équateur (stade métaphase I). Les couples de chromatides-sœurs se séparent de leurs homologues pour se répartir équitablement et au hasard entre les deux cellules-filles (stade anaphase I). Le cytoplasme du cyte I se divise (cytodiérèse) pour individualiser les deux cellules filles (stade télophase I). Chaque cyte II hérite donc de 2n chromosomes répartis en n couples de chromatides-sœurs (ou dyades). Ces cytes II sont donc diploïdes. Interphase : c'est la période séparant les deux divisions de maturation. Elle est très courte. L'ADN se décondense partiellement et le centromère de chaque dyade se dédouble. Deuxième division de maturation (DM2) : le cyte II se divise en deux "ides". Cette division succède à l'interphase (figure 1.3). Les dyades se recondensent (stade prophase II), le second fuseau achromatique se met en place et les dyades migrent à l'équateur (stade métaphase II). Les chromatides-sœurs se séparent et se distribuent équitablement entre les deux cellules filles (stade anaphase II). Le cytoplasme du cyte II se divise (cytodiérèse) pour individualiser les deux ides (stade télophase II). 2 Des erreurs, d'autant plus nombreuses que les cellules germinales sont plus vieilles, peuvent se produire au cours de la distribution des chromosomes entre les cellules filles, entraînant des aberrations chromosomiques (trisomies, monosomies,.....). Ces aberrations, sources de malformations fœtales graves, sont le plus souvent létales. Si les mécanismes fondamentaux de la gamétogenèse sont identiques dans les deux sexes, il existe de profondes différences chronologiques et morphologiques entre l'oogenèse et la spermatogenèse. 1.2.1 L'oogenèse 1.2.1.1. Chez la femelle de nos animaux domestiques L'oogenèse est le processus de la formation, de la croissance et de la maturation du gamète femelle. Ce processus débute pendant la vie embryonnaire, continue après la naissance avec une accélération au moment de la puberté et atteint son apogée au moment de l'ovulation. Il ne peut être distingué de l'évolution du follicule ovarien au sein duquel il se déroule en grande partie. L'évolution du follicule, à son tour, est indissociable de l'activité cyclique de l'ovaire (ou cycle ovarien) à laquelle elle contribue par sa participation à un contrôle endocrinien particulièrement perfectionné. La phase de multiplication : elle est limitée dans le temps. Elle débute durant la vie embryonnaire (phase de migration des CGP) et se termine avant ou peu après la naissance (voir tableau 1.1). La transformation des oogonies en oocytes I suit immédiatement la phase de multiplication et a également une durée déterminée (voir tableau 1.1). La première division méiotique (DM1) se déroule jusqu'au stade diplotène auquel succède une longue phase caractérisée par une modification du noyau (les tétrades se décondensent, s'entremêlent, un ou plusieurs nucléoles apparaissent, une membrane nucléaire se reforme : c'est le stade dictyé). Le noyau prend le nom de vésicule germinative. La première prophase ne se poursuivra qu'après plusieurs mois ou plusieurs années, au cours d'un cycle ovarien, après la puberté. La phase d'accroissement : elle se déroule au sein du follicule. L'oocyte I, au stade dictyé, s'entoure d'une assise de cellules folliculeuses qui dérivent du mésonéphros. Ces cellules constituent bientôt une enveloppe épithéliale aplatie, ébauche de la granulosa. Elle est séparée du stroma ovarien par une membrane basale : la membrane de Slavianski. L'ensemble constitue le follicule primordial (figure 1.5). Les cellules folliculeuses prolifèrent pour former d'abord un épithélium cubique monostrastifié puis une structure pluristratifiée : la granulosa. L'assise cellulaire la plus interne conserve sa morphologie épithéliale cubique et prend le nom de corona radiata. Pendant ce temps, l'ovocyte I entre en accroissement. Dans l'interstice qui le sépare de sa corona radiata se dépose une couche mucoprotéique formée conjointement par l'ovocyte et les cellules de la corona radiata : la zone pellucide. A ce stade, le follicule est qualifié de follicule primaire (voir figure 1.6). Pendant son accroissement, l'ovocyte I conserve d'étroites relations avec les cellules de la corona radiata (figure 1.6). Celles-ci envoient au travers de la zone pellucide de fins prolongements cytoplasmiques dont les extrémités renflées établissent avec l'ovocyte des relations jonctionnelles (desmosomes et gap junctions). 3 Ces jonctions permettraient aux cellules de la corona radiata de céder à l'ovocyte divers types de matériaux nutritifs nécessaires aux premières divisions de l'embryon (accumulation de ribosomes, d'ARNm, d'ARNt et des précurseurs nécessaires à la synthèse des macromolécules). Autour de la granulosa pluristratifiée, les cellules du stroma ovarien se condensent en une couche préthécale. Au terme de l'évolution du follicule primaire, l'ovocyte I a presque atteint son diamètre maximum. Les follicules primordiaux et primaires constituent le groupe des follicules préantraux (ou précavitaires). La phase de maturation: La prolifération des cellules de la granulosa se poursuit activement, augmentant le diamètre du follicule. L'ovocyte I atteint son diamètre maximum de 80 µm (souris), 120 µm (Femme), 150 µm (vache). A son côté, au sein de la granulosa apparaît une cavité ou antrum formée par la coalescence d'inclusions expulsées par les cellules folliculeuses. Le follicule prend le nom de follicule secondaire ou antral. La condensation des cellules du stroma ovarien autour du follicule se différencie en deux couches distinctes: la thèque interne de nature épithélioïde entourant la membrane de Slavianski et la thèque externe de nature conjonctivo-musculaire (figure 1.5). Des vaisseaux sanguins colonisent les deux thèques, mais ne traversent pas la membrane de Slavianski, laissant la granulosa momentanément avascularisée. Pendant ce temps, l'antrum se dilate par accumulation d'un liquide (liquor folliculi) d'origine complexe (sécrétions de la granulosa, des deux thèques et exsudation plasmatique). La granulosa tend à s'aplatir et l'ovocyte est refoulé à un pôle de l'antrum, entouré de sa zone pellucide et de quelques assises de cellules folliculeuses. L'ensemble, qui fait saillie dans l'antrum, prend le nom de cumulus oophorus (figure 1.5). L'étape finale de la croissance folliculaire est le follicule mûr ou préovulatoire dénommé follicule de de Graaf. Son diamètre varie suivant l'espèce : - 15-20 mm pour les grandes espèces (Femme, jument, vache). - 5-8 mm pour les espèces moyennes (brebis, chèvre, truie). - 2-3 mm chez les carnivores - 0,1-1 mm chez la lapine et les rongeurs (rat, souris, hamster) Les follicules occupent la corticale de l'ovaire, la médullaire étant formée d'un stroma conjonctif richement vascularisé et de cordons épithéliaux (rete ovarii). Les follicules primordiaux se localisent immédiatement sous l'enveloppe conjonctive de l'ovaire (ou albuginée). A mesure qu'ils grandissent, ils s'enfoncent plus profondément dans le cortex. Du fait de sa croissance, le follicule de de Graaf refait saillie à la surface de l'ovaire. C'est à cet endroit qu'il se rompra pour libérer l'ovocyte au moment de l'ovulation (figure n° 1.5). La croissance folliculaire est un processus continu. Elle débute durant la vie fœtale, voire peu après la naissance (lapine) mais dépasse rarement le stade de follicule primaire. En effet, tous les follicules qui ont entamé leur croissance avant la puberté sont voués à l'atrésie (dégénérescence par apoptose) avant d'atteindre la stade antral. Il y a donc une perte très importante de cellules germinales qui réduit considérablement le stock non renouvelable de cellules germinales disponibles au début de la puberté pour assurer la reproduction de l'espèce (figure n° 1.7). 4 A la puberté, sous l'influence des gonadotropines hypophysaires (Follicle Stimulating Hormone ou FSH et Luteinizing Hormone ou LH) s'installe le cycle ovarien ou œstral, qui ne s'interrompra que durant la gestation (ou à la ménopause chez la Femme). Ce cycle a une durée variable suivant les espèces (voir tableau 1.3) et se décompose en deux phases, folliculaire et lutéale, séparées par l'ovulation. En phase folliculaire, un grand nombre de follicules s'accroissent - processus dont on a vu qu'il est continu - mais la plupart sont voués à l'atrésie. Un seul d'entre eux chez les espèces monotoques (un foetus) ou quelques-uns chez les espèces polytoques (plusieurs fœtus) iront jusqu'au terme de leur maturation et ovuleront. L'ovulation (ou ponte ovulaire) est déclenchée par une décharge de LH. Durant les heures qui précèdent l'ovulation, l'ovocyte I achève sa première division méiotique ou de maturation (DM1). Au niveau cytoplasmique, se produit une redistribution des organites cellulaires ainsi qu'une augmentation du nombre de granules corticaux qui migrent en périphérie. Enfin les prolongements cytoplasmiques des cellules de la corona radiata se rétractent progressivement et les contacts avec l'ovocyte sont rompus. L'ovocyte est désormais isolé au sein de sa zone pellucide. Au niveau nucléaire, la vésicule germinative se rompt (Germinal Vesicle BreakDown ou GVBD) et les tétrades migrent sur le premier fuseau achromatique. La télophase I aboutit à une division très asymétrique de l'ovocyte I et se termine par la séparation d'un ovocyte II de même taille que l'ovocyte I et l'expulsion d'un premier globule polaire logé dans l'espace périvitellin, sous la zone pellucide (figure 1.8). La seconde division méiotique (DM2) s'amorce immédiatement pour se bloquer, chez la plupart des espèces, au stade de métaphase II. Elle ne s'achèvera qu'en cas de fécondation (ou d'activation spontanée), aboutissant à la séparation d'un ootide de même taille que l'ovocyte II et d'un second globule polaire. L'asymétrie de ces deux cytodiérèses a pour but de produire une seule ootide à partir de chaque ovocyte I afin de ne pas disperser les réserves cytoplasmiques accumulées durant la maturation. Notons que chez le chien et le renard, ces deux divisions ont lieu après la fécondation (figure 1.8) 1.2.1.2. Chez la volaille Les cellules germinales primordiales peuvent être histologiquement identifiées dans le croissant germinal situé au niveau du pôle antérieur du blastodisque, en avant de la ligne primitive, vers 18 heures d'incubation (stade 4 de Hamburger et Hamilton, voir figure 1.2). Elles s'y multiplient par mitose et pénètrent activement dans les capillaires sanguins par mouvements amoeboïdes (stades 4-8, 18-30 h). Arrivées au voisinage des ébauches gonadiques, elles quittent activement les capillaires pour les coloniser (stades 20-24, 70-80 h). Chez la femelle, les PGC de la crête génitale droite migrent vers la crête génitale gauche (stade 24, 95-100 h). Au sein de la crête génitale gauche, les oogonies continuent de se multiplier. Vers le 8ème jour d'incubation (stade 34) la crête génitale se différencie en ovaire et les oogonies entrent en méiose pour se transformer en ovocytes I. Ces derniers seront précisément arrivés au stade pachytène lors de l'éclosion du poussin. Ils évoluent ensuite vers le stade diplotène (fin de prophase I) pour y rester bloqués pendant des mois ou des années (stade dictyé). Durant cette période embryonnaire et post-éclosion, tous les ovocytes I subiront un accroissement lent pour atteindre un diamètre de 100-200 µm à l'éclosion et 1 mm vers 4-5 mois, au moment de la puberté. La première division de maturation (DM1) reprendra quelques heures avant l'ovulation, menant à la séparation de l'ovocyte II et du premier globule polaire. 5 La femelle des oiseaux (et de la grande majorité des reptiles, amphibiens et poissons) étant hétérogamétique (ZW), le sexe du futur embryon est donc déterminé dès ce stade et non lors de la fécondation par le spermatozoïde du mâle (ZZ) comme observé chez les mammifères. La seconde division de maturation (DM2) menant à l'ootide et à l'expulsion du second globule polaire intervient dans l'infundibulum après l'ovulation et la fécondation. Comme chez les mammifères, cette ovulation est induite par une décharge de LH et la pénétration du spermatozoïde (15 minutes après l'ovulation) est probablement nécessaire à l'achèvement de cette seconde division de maturation. Chez les oiseaux, l'oogenèse est également indissociable de la folliculogenèse. La structure générale du follicule ressemble à celle de celui des mammifères (figure 1.9). Le follicule est composé d'un ovocyte I entouré d'une assise de cellules de la granulosa (correspondant de la corona radiata des mammifères), elle même entourée d'une membrane basale (correspondant de la membrane de Slavianski). Il n'existe pas d'équivalent de la granulosa pluristratifiée des mammifères. Les cellules de la granulosa sécrètent une couche périvitelline (la lamina perivitellina, équivalent de la zone pellucide) et émettent des projections cytoplasmiques qui s'interdigitent avec les replis de la membrane vitelline (ou membrane plasmique de l'ovocyte). Cette zone d'interdigitations est qualifiée de zona radiata. Ces cellules ont pour rôle de transporter le vitellus dans l'ovocyte (figure 1.10). Sous l'influence de la FSH, plusieurs follicules du pool indifférencié sont recrutés et leur taille passe de 1 à 4 mm grâce à l'accumulation de vitellus "blanc". Ce vitellus se localise autour du noyau de l'ovocyte I. C'est la phase d'accroissement intermédiaire. Durant les 8 à 10 jours qui précèdent l'ovulation, la taille de l'ovocyte s'accroît très rapidement par l'accumulation de couches successives de vitellus jaune. C'est la phase de grand accroissement. Ces couches successives présentent parfois une alternance de couleur, correspondant vraisemblablement à l'alternance jour-nuit. L'entièreté du vitellus est synthétisé par le foie et est transporté par voie sanguine jusqu'aux cellules de la granulosa qui le cèdent à l'ovocyte. Au début du grand accroissement, le noyau de l'ovocyte quitte sa position centrale pour migrer vers la périphérie en laissant derrière lui une trace de vitellus blanc : le latèbre. Chez la poule, 8 à 10 follicules subissent simultanément le grand accroissement mais avec un décalage initial de 24 heures. Les cellules de la granulosa sont entourées par les deux thèques, interne et externe, richement vascularisées. La thèque externe, entourée par la séreuse (équivalent du péritoine), présente une zone avasculaire, plus fine, où se produira la déhiscence folliculaire : le stigma (figure n° 1.12). Cette disposition limite l'hémorragie à la petite tache de sang parfois observée en surface du jaune. Etant donné la taille énorme du follicule mûr, l'ovaire de l'oiseau se présente comme une grappe où chaque follicule mûr est relié au reste de l'ovaire par un pédicule au sein duquel passent les vaisseaux sanguins (figures 1.9 et 1.11). 6 1.2.2. La spermatogenèse 1.2.2.1. Chez le mâle de nos espèces domestiques Comme pour l'ovogenèse, la spermatogenèse comprend les trois phases de multiplication, d'accroissement et de maturation. Elle se déroule à l'intérieur des tubes séminifères du testicule (figure 1.13). La phase de multiplication : c'est un processus continu qui débute pendant la vie embryonnaire (période de migration de CGP) et ne s'arrête, avant la mort de l'individu, qu'avec le vieillissement ou l'atrophie du testicule. Après avoir colonisé les crêtes génitales et s'être installées au sein des cordons séminifères (futurs tubes séminifères), les spermatogonies continuent de se multiplier activement par mitose au sein du testicule en formation. Chez la plupart des espèces, le rythme de multiplication des spermatogonies se ralentit par la suite, au moment où les ovogonies entrent en méiose chez le fœtus femelle. Elles ne reprendront un rythme de division mitotique soutenu qu'un peu avant la puberté. Chez les rongeurs, par contre, on observe un arrêt complet des divisions des spermatogonies qui entrent en quiescence jusqu'au moment de la puberté. Les spermatogonies fœtales sont aussi dénommées spermatogonies-souches (As). Elles constituent la population de spermatogonies indifférenciées ou encore spermatogonies A0 du testicule adulte. Un dispositif permet de maintenir la population des spermatogonies A0, source permanente de gamètes chez le mâle : lorsqu'une spermatogonie A0 se divise, elle donne naissance à une spermatogonie A0 et une première spermatogonie différenciée A1. Au total, 6 générations de spermatogonies différenciées dénommées A1, A2, A3, A4, intermédiaire (In) et B se succèdent. Leur distinction est basée sur des détails de structure cytologique et sur leur position au sein du tubule séminifère. Les spermatogonies B constituent la dernière génération de spermatogonies diploïdes. Elles se divisent en spermatocytes I qui entrent en méiose. Des ponts cytoplasmiques relient les cellules issues d'une même spermatogonie A1. La cytodiérèse n'est donc pas complète, d'où la constitution de clones syncytiaux dont les éléments évoluent en synchronisme (figure n° 1.13). La production de ces spermatogonies différenciées débute avant la puberté, mais la spermatogenèse ne dépasse pas le stade du spermatocyte I. La phase d'accroissement : à la puberté, sous l'influence des hormones hypophysaires (FSH et LH), les spermatocytes I poursuivent leur méiose qui aboutira à la production de spermatozoïdes. Contrairement à ce qui est observé chez la femelle, cette production de gamètes est continue et ininterrompue. L'accroissement du spermatocyte I est modéré. Les deux divisions de la méiose se réalisent coup sur coup. Chaque spermatocyte I donne naissance à deux spermatocytes II de taille comparable qui fournissent chacun deux spermatides identiques. La cytodiérèse est donc symétrique, bien qu'incomplète. Les spermatides entament immédiatement leur différenciation en spermatozoïde. Cette étape de différenciation porte le nom de spermiogenèse. Cette spermiogenèse est caractérisée par (figures 1.15 et 1.16) : - la condensation du noyau et la déshydratation de la chromatine. - la formation de l'acrosome au départ d'une vésicule golgienne. - le développement de l'appareil flagellaire à partir du centriole distal. 7 - le glissement du cytoplasme le long de l'axe flagellaire et la différenciation de diverses structures fibreuses qui se condensent autour de celui-ci. - le repositionnement des mitochondries en une rangée hélicoïdale autour de la partie initiale du flagelle (pars intermedia). - l'élimination de la plus grande partie du cytoplasme (corps résiduel). La spermatogenèse dure environ 50 à 70 jours. L'évolution de la spermatogonie souche jusqu'au stade de spermatozoïde se déroule au contact intime des cellules nourricières du tubule séminifère : les cellules de Sertoli. Celles-ci entourent les cellules germinales par leurs prolongements cytoplasmiques. Lorsque le spermatozoïde se libère dans la lumière du tubule, son corps résiduel reste inclus dans les replis de la cellule de Sertoli au contact de laquelle il s'est formé. Ce corps résiduel sera phagocyté par la suite. Au niveau du spermatozoïde, l'amputation du corps résiduel laisse en place une gouttelette cytoplasmique qui, au cours du transit épididymaire, glissera le long du flagelle en diminuant de volume pour finir par disparaître. La position et la taille de cette gouttelette cytoplasmique permettent d'apprécier le degré de maturité du spermatozoïde. La phase de maturation : lorsqu'il se libère de la cellule de Sertoli, le spermatozoïde n'est pas encore fécondant. Il est immature. Pour acquérir son pouvoir fécondant, il doit subir une maturation qui s'effectue durant son transfert épididymaire. Cette maturation consiste en l'achèvement de l'acrosome (modification de certaines protéines de surface) et l'acquisition de la motilité normale (maturation des structures contractiles du flagelle). Pendant leur séjour dans les voies génitales mâles, les spermatozoïdes restent immobiles. Leur métabolisme est inhibé par la relative anaérobiose, l'absence de substrats énergétiques exogènes et la concentration élevée en ions potassium (K+) du milieu qui les véhicule. Leur transit se fait passivement, par la contractilité de l'épididyme et du canal déférent. Leur métabolisme est activé et leur motilité est déclenchée au moment de l'éjaculation, lorsqu'il est mis en présence des sécrétions des glandes annexes (vésicule séminale, prostate). Ces sécrétions, qui constituent l'essentiel du volume de l'éjaculat, leur apportent les substrats énergétiques et l'oxygène indispensables à leur activité motrice. Leur inertie métabolique permet aux spermatozoïdes de survivre assez longtemps dans le tractus génital mâle. En l'absence d'éjaculation, ils perdent progressivement leur pouvoir fécondant et leur motilité pour être finalement éliminés par phagocytose. L'examen des spermatozoïdes éjaculés permet de repérer plusieurs types d'anomalies: - anomalie de concentration (hypospermie, azoospermie) - degré de maturité insuffisant (position de la gouttelette cytoplasmique). - anomalies morphologiques : spermatozoïdes géants, nains, flagelle trop court, cassé ou double, spermatozoïde à deux têtes.... - anomalie de motilité : spermatozoïdes peu ou non mobiles. 8 De plus, des aberrations chromosomiques peuvent se produire durant la méiose (polyploïdie, aneuploïdie....). Comme dans le cas de l'ovocyte, ces aberrations entraînent de graves troubles du développement embryonnaire et sont la plupart du temps létaux. 1.2.2.2. Chez la volaille La spermatogenèse chez les oiseaux est similaire à celle des mammifères. Elle comprend les trois phases de multiplication, d'accroissement et de maturation. La phase de multiplication se déroule durant la vie fœtale. Sa durée exacte est inconnue. Les spermatogonies-souches colonisent les tubules séminifères et mettent en place la population de spermatogonies A0 au sein des cellules de Sertoli. La différenciation des spermatogonies A0 en spermatocyte I est moins bien connue. Ces derniers subissent la méiose et donnent naissance aux spermatides via le stade de spermatocyte II. La durée de la spermatogenèse est plus courte (20 jours au lieu de 50-70 jours). Les spermatozoïdes des oiseaux présentent quelques différences morphologiques avec leurs correspondants mammaliens (perforatorium, tête plus longue, acrosome plus petit, moins de mitochondries, cf. figure 1.18). Comme chez les mammifères, les spermatozoïdes testiculaires sont immatures. Chez les oiseaux, le canal déférent a la double fonction de stocker les spermatozoïdes produits entre deux éjaculations et de sécréter le plasma séminal car les oiseaux ne possèdent pas de glandes annexes. Au cours de leur transit dans le canal déférent, les spermatozoïdes acquièrent leur pouvoir fécondant mais pas leur mobilité. Celle-ci ne leur est conférée qu'au moment de l'éjaculation, au sein des voies génitales femelles, par un mécanisme encore inconnu. 1.3. Morphologie des gamètes 1.3.1. Le gamète mâle 1.3.1.1. Chez les mammifères Le gamète mâle ou spermatozoïde est une cellule monoflagellée de 50 à 70 µm de longueur et comportant plusieurs segments (figure 1.16): 1) La tête : elle est de forme et de taille variable suivant l'espèce (figure 1.17). Elliptique chez l'étalon et les carnivores, en forme de raquette chez les ruminants et le porc. Elle mesure 8 à 9 µm de longueur et 4 à 5 µm de large. Son volume est presque entièrement occupé par le noyau contenant le complément paternel et elle est coiffée par l'acrosome, une vésicule de type lysosomial. Cet acrosome (ou cape acrosomiale) est limité par une membrane acrosomiale interne accolée au noyau et une membrane acrosomiale externe accolée à la membrane plasmique. Dans son tiers inférieur, au niveau de l'équateur de la tête, l'acrosome est plus mince et plus dense (col de l'acrosome). Dans sa partie postérieure, en dessous de l'acrosome, le noyau est séparé de la membrane plasmique par une fine couche de cytoplasme contenant un matériel fibrillaire (cape post-acrosomiale). C'est au niveau de cette cape post-acrosomiale que le spermatozoïde s'attache à l'ovule. 2) Le col ou le collet : c'est la partie rétrécie qui fait suite à la tête. Il est fragile et contient deux centrioles : un proximal dont l'axe est perpendiculaire à l'axe du spermatozoïde et un distal dont l'axe se confond avec celui du spermatozoïde. On y observe également un 9 appareil de connexion formé d'une plaque basale appliquée contre le pôle inférieur du noyau et une colonne striée entourant les deux centrioles. 3) La queue : elle est parcourue sur toute sa longueur par les filaments caractéristiques des structures flagellaires (2 microtubules centraux entourés de 9 paires de microtubules périphériques). Ces 9 paires périphériques sont insérées sur le centriole distal qui joue le rôle de blépharoplaste. La queue se divise en trois parties : - la pièce intermédiaire : les filaments axiaux sont entourés par 9 grosses fibres qui prolongent la colonne striée, elles mêmes entourées d'un manchon de mitochondries disposées de façon hélicoïdale. Elles ne se rencontrent qu'à ce niveau et sont chargées de fournir l'énergie nécessaire à la propulsion de la cellule. - la pièce principale : elle fait suite à la pièce intermédiaire et contient le matériel microtubulaire renforcé par deux des grosses fibres longitudinales de la pièce intermédiaire. - la pièce terminale : les microtubules perdent leur disposition symétrique et sont entourés par la seule membrane plasmique. 1.3.1.2. Chez les oiseaux La structure générale du spermatozoïde est similaire à celle des mammifères. Ces principales caractéristiques sont les suivantes (figure 1.18) : - le noyau est souvent filiforme (0,5 x 12,5 µm) et légèrement hélicoïdal. - l'acrosome est plus réduit et situé au sommet du noyau. - il possède un perforatorium. C'est une structure située au sommet du noyau, à la base de l'acrosome. De nature inconnue, il est électron-dense et dérive de la membrane nucléaire. - une organisation simplifiée de la pièce intermédiaire et du flagelle. Une gaine de matériel amorphe remplace les colonnes striées et les grosses fibres associées aux 9 doublets de microtubules. Le nombre de mitochondries est plus réduit. - la longueur totale est plus grande (90 µm). 1.3.2. Le gamète femelle Les gamètes femelles ou ovules (ou œufs) sont classés suivant leur taille. Celle-ci est en rapport avec la quantité du vitellus et sa distribution lors des premières divisions. Le tableau n° 1.4 résume les différentes catégories. Les exemples mentionnés ne sont repris que pour signifier la situation la plus fréquemment observée dans ces embranchements et classes d'animaux. Il existe de nombreuses exceptions (par exemple les prothériens, mammifères dont les ovules sont macrolécithes). Un ovule (ou œuf) est qualifié d'holoblastique lorsque l'entièreté de son cytoplasme est clivé lors des premières divisions de l'embryon. Il peut contenir très peu de réserves (oligolécithe) ou peu de réserves (mésolécithe). Si le clivage engendre des blastomères de 10 taille identique, la distribution du vitellus sera uniforme (isolécithe). Par contre, si les blastomères sont de taille variable, on parlera de micromères (petits blastomères) et de macromères (grands blastomères). La distribution du vitellus est donc inégale (hétérolécithe). La symétrie de clivage peut également varier (radiale, spirale, bilatérale et rotationnelle). Un ovule est qualifié de méroblastique si le clivage n'intéresse qu'une partie du vitellus. Ce sont des ovules très riches en vitellus (macrolécithes) où l'embryon se développe sous la forme d'un disque (clivage discoïde) à la surface de l'oeuf (télolécithe). Retenons que nos mammifères domestiques produisent des ovules holoblastiques, oligolécithes, isolécithes dont le clivage est rotationnel et que les oiseaux produisent des ovules méroblastiques, macrolécithes, télolécithes dont le clivage est discoïde. 1.3.2.1. Chez les mammifères Dans les heures qui suivent l'ovulation, on trouve dans l'une des deux ampoules tubaires (espèces unipares) et dans les deux ampoules tubaires (espèces polytoques) un ou plusieurs complexes ovulaires dont la structure est schématisée dans la figure n° 1.19. Il s'agit chez la plupart des mammifères, sauf la chienne et la renarde, d'un ovocyte de second ordre (oocyte II) bloqué en métaphase de seconde division méiotique. Il possède un diamètre de 120 à 180 µm et est entouré de sa zone pellucide. Un mince espace périvitellin contenant le premier globule polaire sépare incomplètement la membrane plasmique de l'ovocyte de la zone pellucide. Cette dernière est entourée par un ensemble de cellules arrondies (le cumulus) dont les plus périphériques tendent à se disperser et dont les plus internes constituent une couronne plus dense (la corona radiata). Ces cellules sont solidarisées par une substance riche en acide hyaluronique. L'ensemble de ces cellules de la granulosa disparaît peu après l'ovulation. Suivant l'espèce, les spermatozoïdes auront ou non à franchir cet obstacle pour atteindre la zone pellucide. Chez la lapine, la portion initiale de l'oviducte synthétise une enveloppe supplémentaire faite de mucoprotéines : la muqueuse. Cette muqueuse aurait pour fonction de protéger l'embryon des puissantes contractions de l'oviducte et de l'utérus (figure 1.20). Elle est digérée par les sécrétions utérines peu avant l'éclosion du blastocyste. Chez la jument, cette muqueuse est synthétisée par le follicule de de Graaf et tend à disparaître assez rapidement. Au microscope électronique, l'ovule présente un cytoplasme riche en organites (mitochondries, RER, REL, ribosomes, microtubules, lysosomes, vésicules lipidiques, grains de glycogène, ...). De très nombreux granules corticaux contenant des glycoprotéines sont alignés sous les nombreuses microvillosités de la membrane plasmique. L'examen de la plaque métaphasique permet de dénombrer un nombre haploïde de dyades dédoublées en leurs chromatides-sœurs (ou de tétrades chez la chienne et la renarde). 1.3.2.2. Chez les oiseaux 11 L'œuf de l'oiseau est macro- et télolécithe. L'ovulation est assurée par l'ouverture du follicule au niveau de sa zone avasculaire : le stigma. Le "jaune" est libéré et capté par l'infundibulum (ou pavillon) de l'oviducte gauche (figure 1.21). Il ne possède aucune zone pellucide ni de corona radiata. Il est fécondé (ou non) à ce moment. L'œuf complet est expulsé 24 à 26 heures plus tard au niveau du cloaque : c’est l’ovoposition. Entre ces deux instants, l'œuf transite par les parties successives du tractus génital de la poule selon une chronologie précise (figure 1.22). Les différentes étapes sont les suivantes: - dépôt de la couche externe de la membrane vitelline dans l'infundibulum 20 minutes). (15 - - sécrétion des protéines de l'albumen ("blanc") dans le magnum (3 heures). - sécrétion et dépôt des membranes coquillières (1 heure 15 minutes). - hydratation de l'albumen et transfert d'ions (mise sous tension des coquillières) et sécrétion de la coquille dans l'utérus (21 heures). membranes - transit du vagin (quelques minutes) - ovoposition (ponte), le petit bout en avant. Tableau 1.5. Les dimensions moyennes de l'œuf de poule : Poids Grand axe Petit axe Grande circ. Petite circ. Volume Surface 60 g 5,8 cm 4,2 cm 16 cm 13 cm 55 cm2 70 cm2 Dans le commerce, les œufs de poule sont répartis en catégories de poids (et par conséquent de taille) : Catégorie Poids À+ À B C D > 70 grammes 65 - 70 grammes 60 - 65 grammes 55 -60 grammes < 55 grammes Seules les trois catégories supérieures sont généralement proposées au consommateur. Les deux dernières sont utilisées par l'industrie alimentaire (biscuiteries, plats préparés, ...). Les principales parties de l'œuf sont dans l'ordre de leur dépôt (de l'intérieur vers l'extérieur) : le vitellus (ou "jaune"), l'albumen (ou "blanc"), les membranes coquillières et la coquille (figure 1.23). Les parts pondérales relatives de ces constituants de l'œuf de poule sont : coquille 9,5%, albumen 61,5%, vitellus 29%. Le vitellus ou "jaune "est constitué d'environ 50% d'eau et 50% de solide dont 99% sont des protéines et des lipides. Les 3/5 de ces protéines sont des lipo- et phosphoprotéines. 12 Le vitellus est également très riche en cholestérol. Rappelons que ces protéines sont d'origine hépatique et constituent la principale source nutritive de l'embryon. Son origine hépatique explique l'importance de l'alimentation tant pour la qualité et la quantité que pour la couleur du vitellus. Le vitellus est limité par la membrane plasmique de l'ovocyte, lui-même contenu à l'intérieur d'une très fine membrane acellulaire transparente appelée membrane vitelline. Elle est très résistante et perméable à l'eau et aux sels. Elle est composée de 4 couches successives dont les deux plus internes sont d'origine ovarienne (la zona radiata et la couche périvitelline) et les deux plus externes synthétisées par l'infundibulum. A la surface du vitellus est visible un petit disque blanc : le blastodisque; lieu de division des cellules embryonnaires. Lorsque l'œuf est fécondé le blastodisque porte le nom de blastoderme. Le reste de la surface du jaune présente normalement une couleur jaune - orange sans tache visible. Au centre se trouve la petite masse sphérique du vitellus blanc (centre de la latébra) réunie par une mince colonne (col de la latébra) à un disque conique (disque de la latébra) situé sous le blastodisque. C'est la trace de la migration du noyau de l'ovocyte (voir figure 1.23). L'albumen ou "blanc" n'est pas un milieu homogène, mais résulte de la juxtaposition de quatre zones distinctes physiquement (voir figure 1.23) : - l'albumen liquide externe (23%) qui se trouve au contact de la membrane coquillière interne. C'est la portion qui s'étale rapidement lorsque l'œuf est cassé. - l'albumen épais ou dense (57%) attaché aux deux extrémités de l'œuf et se présentant sous la forme d'un gel. Cet albumen épais a tendance à perdre sa structure au cours du temps. Un œuf frais pondu (quelques jours) s'étalera moins lorsqu'il est cassé qu'un œuf pondu quelques semaines auparavant. - l'albumen liquide interne (17%) enfermé entre le blanc épais et le vitellus. - les chalazes (3%), sortes de filaments spiralés rattachant le vitellus aux deux extrémités de l'œuf. Ils assurent la suspension du vitellus au centre de la coquille. Leur aspect torsadé provient de la progression en spirale de l'œuf dans le tractus génital de la poule. Leur rupture conduit à des adhérences du vitellus à la membrane coquillière interne qui peuvent gêner, voire interrompre le développement embryonnaire. C'est pour cette raison, que la poule retourne régulièrement ses œufs durant l'incubation (une opération également réalisée par les couveuses automatiques). Les deux membranes coquillières ont une épaisseur totale de 70 µm (20 µm pour la membrane interne et 50 µm pour la membrane externe). Chacune est formée d'une superposition de couches de fibres protéiques entrecroisées synthétisées par l'isthme. Elles sont fortement adhérentes l'une à l'autre sauf au niveau de la chambre à air qui n'existe pas au moment de la ponte mais qui apparaît par la suite lorsque le refroidissement de l'œuf après la ponte entraîne une légère contraction de ses constituants. La coquille a une épaisseur comprise entre 300 et 400 µm. Elle est composée d'une trame protéique sur la laquelle se déposent des cristaux de carbonate de calcium (CaCO3). Cette trame protéique est synthétisée par l'utérus et comprend deux zones (figure 1.24) : 13 a) la couche mamillaire : c'est une juxtaposition de protubérances coniques (mamelons) dont la pointe est constituée de fibres très entremêlées avec celles de la membrane coquillière externe. Ceci permet d'assurer l'adhérence de la coquille à la membrane coquillière externe. Au centre de chaque mamelon se trouve un nodule protéique bien individualisé, le noyau mamillaire, sur lequel débute la calcification. b) la couche spongieuse : c'est un réseau de fibres protéiques disposées parallèlement à la surface de l'œuf. La partie minérale de la coquille peut être divisée de la même façon : a) le capuchon basal des cristaux : c'est la partie minérale qui entoure le noyau mamillaire. Elle y est accrochée par une association de type "bouton pression" et est la première à se déposer. b) la couche des cônes cristallins. C'est la partie qui poursuit le capuchon basal vers l'extérieur. Elle se dépose sur les fibres de la couche mamillaire. c) la couche palissadique : la calcification se poursuit vers l'extérieur. Cette couche présente un développement linéaire parallèle à la surface de l'œuf et se dépose sur les fibres de la couche spongieuse. d) la couche amorphe : c'est une fine couche minérale qui se dépose à l'extérieur de la couche palissadique. Elle ne possède aucune trame protéique et est formée en partie de phosphate tricalcique. La distribution des noyaux mamillaires engendre des défauts linéaires de calcification : les pores. Ils sont plus particulièrement nombreux au gros pôle de l'œuf où se forme la chambre à air. Ils assurent la respiration de l'embryon durant son développement. Le calcium nécessaire à la constitution de la coquille provient des ions Ca++ du sang. La calcémie augmente en période de ponte (de ± 100 à 250 mg/litre) sous l'effet des œstrogènes. Ces ions Ca++ proviennent de la mobilisation du calcium lié aux protéines sanguines et du calcium osseux mais surtout du calcium alimentaire dont l'efficacité de l'absorption intestinale est augmentée. La coquille renferme 1,6% d'eau et 3,3% de protéines. La partie minérale (95,1%) est essentiellement composée de carbonate de calcium (CaCO3). La pigmentation de la coquille : elle est assurée par des pigments dérivés de l'hémoglobine : les ooporphyrines. Ce sont les cellules de l'utérus qui les élaborent et les déposent sur la coquille (minoritairement au sein de la couche palissadique et plus abondamment au niveau de la couche amorphe et de la cuticule). Le contrôle de la couleur et de la distribution de ces pigments est génétique et est souvent une caractéristique d'espèce (voire individuelle). Contrairement à la croyance populaire, la valeur nutritive d'un œuf de poule coloré est, à poids égal, identique à celle d'un œuf blanc. La cuticule : toute la surface de l'œuf est recouverte d'une cuticule organique sécrétée par l'utérus. Elle possède une épaisseur de moins de 10 µm. Elle limite les pertes d'eau de l'œuf. 14
