Gamétogénèse, aspects généraux

La Reproduction est un processus fondamental qui permet à une espèce de se perpétuer en donnant naissance à de nouveaux organismes. Au cours de la Reproduction dite sexuée, le nouvel individu est obtenu à partir de cellules reproductrices. Le processus de gamétogénèse va permettre la production de cellules reproductrices haploïdes et fonctionnelles (contenant un seul exemplaire de chaque chromosome, soit n chromosome). Ces cellules sont appelées gamètes (des noms gamétês et gamétis, désignant respectivement en grec ancien l’époux et l’épouse) et la réduction chromosomique est possible grâce à une division cellulaire particulière : la méiose. La méiose permet une diversification génétique par la production de cellules haploïdes qui devront, en général, fusionner au cours de la fécondation avec les cellules haploïdes d’un autre individu de sexe différent pour former un zygote diploïde (contenant deux exemplaires de chaque chromosome soit 2n chromosomes). Le développement de ce zygote donnera naissance à un nouvel organisme. Des recombinaisons génétiques au cours de la méiose permettent la production de cellules haploïdes légèrement différentes les unes des autres chez un même individu, mais issues d’un même précurseur et favorisent ainsi la diversification de l’espèce (Figure 1).

Chez l’Homme, les gamètes sont produits dans les gonades, organes sexuellement différenciés en fonction du sexe chromosomique : ovaire chez l’individu XX ou testicule chez l’individu XY. Les gonades permettent la fonction de reproduction par la synthèse d’hormones sexuelles (fonction endocrine) et la fabrication de gamètes (fonction exocrine). Les gonades se forment en début de vie fœtale et sont alors sexuellement indifférenciées. Elles sont dites bipotentielles, capables de se différencier en testicule ou ovaire en fonction du sexe chromosomique de l’individu. Avant la formation des gonades, dès les premiers jours de vie fœtale, une population cellulaire particulière émerge : ce sont les cellules germinales primordiales (CGP), précurseurs des cellules germinales (CG). Ces CGP migrent de leur lieu de spécification jusqu’aux gonades indifférenciées qu’elles colonisent. Les cellules somatiques de la gonade vont ensuite se différencier en fonction du sexe chromosomique de l’individu pour former des testicules chez le mâle (XY) ou des ovaires chez la femelle (XX). Sous l’influence de l’environnement somatique, les CG vont se différencier à leur tour. Si elles empruntent la voie mâle, les CG se multiplient puis entrent en quiescence pendant la vie fœtale. A partir de la puberté, les CG vont se diviser de nouveau et entrer en méiose pour produire en continu les gamètes mâles, mobiles, appelés spermatozoïdes. Chez la femelle,

toutes les CG vont entrer en méiose pendant la vie fœtale et se bloquer en fin de prophase de première division méiotique. Les gamètes femelles formés, appelés ovocytes, sont ensuite entourés par des cellules somatiques pour former des follicules. Le nombre de follicules est déterminé à la naissance et ne cessera de décroitre au cours de la vie. La femme produira à partir de la puberté un seul ovocyte fécondable par cycle menstruel jusqu’à épuisement du stock ovocytaire au moment de la ménopause.

A partir de CGP indifférenciées qui colonisent une gonade bipotentielle, on observe une détermination très différente des cellules en fonction du sexe de l’individu : l’ovogénèse dans les ovaires et la spermatogénèse dans les testicules. Ces deux processus partagent des étapes communes comme la prolifération des CG et la méiose mais diffèrent significativement. Ces différences expliquent en partie l’anisogamie. En effet, chez la femelle la méiose est discontinue, commence pendant la vie fœtale et ne finit réellement qu’au moment de la fécondation si elle a lieu. La méiose est asymétrique avec l’obtention d’un seul ovocyte à partir d’une CG. Et le stock d’ovocytes est déterminé dès la fin de vie fœtale. Chez le mâle, la méiose ne débute qu’à la puberté, est continue et symétrique avec l’obtention de quatre spermatozoïdes à partir d’une CG. La persistance de cellules germinales souches à l’âge adulte confère au mâle la possibilité de produire un nombre illimité de gamètes durant toute sa vie. Les grandes étapes de différenciation de la lignée germinale, méiose et production de gamètes sont communes chez le mâle et la femelle mais ont lieu à des moments du développement et avec des cinétiques très différentes. Cela laisse supposer que les mécanismes de régulation de ces grandes étapes diffèrent entre les individus mâles et femelles.

Le déroulement correct des différentes étapes de la gamétogénèse, la formation de la gonade et le dialogue entre les cellules germinales et leur environnement somatique conditionne la fertilité de l’individu. La mise en place de la lignée germinale est longue puisqu’elle débute pendant la vie fœtale pour se continuer à l’âge adulte. Les cellules germinales ayant le potentiel de reformer un individu et de pérenniser l’espèce, il est donc crucial qu’au cours de leur longue différenciation depuis le stade de cellules germinales primordiales jusqu’aux gamètes, elles soient porteuses d’un génome intact et d’une information épigénétique adéquate. La survenue d’erreurs quel que soit le moment du développement (spécification des cellules germinales, migration, différenciation, maintien à l’âge adulte) peut conduire à des effets désastreux comme la perte de ces cellules (stérilité) ou une prolifération anormale

(azoospermia factor) du chromosome Y peuvent conduire à la perte de gènes nécessaires à la différenciation testiculaire et jusqu’à une absence totale de cellules germinales dans le testicule adulte en fonction de la région délétée (Syndrome Sertoli-cell only).

FIGURE 1 :Schéma récapitulatif des grandes étapes du cycle reproductif chez l’Homme.

De la fécondation, mise en place de la lignée germinale dans l’embryon, à la formation des gamètes pouvant redonner un nouvel individu. GT pour gonadotrophines, images tirées de Saitou et al. (2012).

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2.  Origine  et  mise  en  place  de  la  lignée  germinale

Ce chapitre est destiné à améliorer la compréhension des travaux présentés dans le deuxième article de cette thèse. Il permet de poser l’état des connaissances sur le sujet et d’orienter le lecteur sur le choix des marqueurs étudiés dans nos travaux pour soutenir l’hypothèse d’une persistance de CG « souches » dans l’ovaire fœtal humain à des stades tardifs du développement.

Les précurseurs des cellules germinales primordiales s’individualisent très tôt au cours du développement embryonnaire (avant la gastrulation) et se spécifient au niveau de l’épiblaste. L’hypoblaste et l’épiblaste constituent les deux premiers tissus différenciés de l’embryon et le fœtus se développe par la différenciation de l’épiblaste. Les CGP se localisent ensuite dans une région extra-embryonnaire où elles continuent leur différenciation, puis réintègrent l’embryon au cours de la gastrulation et migrent vers la gonade en formation, lieu de différenciation finale. Au cours de cette migration, les CGP prolifèrent et subissent un important remaniement de leurs programmes génétique et épigénétique (réactivation des gènes de pluripotence, expression d’un programme génétique germinal spécifique et reprogrammation épigénétique). Dans ce chapitre, nous présenterons les mécanismes impliqués dans l’induction des CGP dans l’épiblaste jusqu’à leur arrivée dans la gonade indifférenciée. L’accès difficile au matériel d’étude humain, en particulier à des stades très précoces du développement embryonnaire, limite la connaissance des mécanismes impliqués chez l’Homme. C’est pourquoi nous décrirons ces mécanismes également à partir des études réalisées chez un autre mammifère, la souris.

Note : pour faciliter la lecture de ce chapitre nous avons choisi d’utiliser le terme CGP (cellule germinale primordiale) tant que les cellules n’ont pas atteint la gonade indifférenciée et CG (cellule germinale) lorsque les cellules l’ont colonisée.

2.1  Approche  historique  de  la  mise  en  place  de  la  lignée  germinale  

2.1.1  Chez  l’Homme  

Les premières descriptions histologiques des CGP datent du début du XXème siècle et font suite à des travaux réalisés en premier chez l’Homme. Fuss et Felix les décrivent comme de grandes cellules rondes localisées dans l’endoderme de la vésicule vitelline dans des