Les différents rôles des acides gras dans la semence

Les acides gras sont des composés naturels de la semence. Ils jouent un rôle dans la structure membranaire des spermatozoïdes, mais aussi dans le métabolisme énergétique et le processus de fécondation (Hartree et Mann, 1960; Poulos et a l , 1973a; Wathes et al, 2007).

2.2.5.1 Rôle structural : la membrane plasmique

2.2.5.1.1 Généralités

Dans les années 70, le modèle de la mosaïque fluide fut proposé pour expliquer la structure des membranes cellulaires (Singer et Nicolson, 1972). Ce modèle décrit à la fois la composition hétérogène des membranes et leur comportement dynamique. De manière simplifiée, la membrane plasmique d'une cellule est organisée en une bicouche lipidique asymétrique à laquelle sont associées des protéines et glycoprotéines (trans- et péri- membranaires). La bicouche lipidique détermine la structure de base de la membrane et constitue une barrière imperméable aux molécules solubles. Les protéines sont quant à elles responsables de la majorité des fonctions membranaires (récepteur, transporteur, enzyme, protéine de liaison).

La composition lipidique des membranes plasmiques comprend trois classes majeures : les phospholipides, les sterols et les sphingolipides (Pomorski et al, 2001). Les phospholipides qui englobent la phospatidylcholine (PC), la phosphatidyléthanolamine (PE), la phosphatidylsérine (PS) et la phosphatidyinositol (PI), sont les composés principaux des membranes. Leur distribution dans la membrane plasmique, en raison d'un mouvement de « flip-flop » entre les deux feuillets, est asymétrique : la PC va se retrouver préférentiellement dans le feuillet externe alors que la PS, la PE et la PI vont être au niveau du feuillet cytoplasmique de la cellule (Quinn, 2002). Le cholestérol, sterol prédominant des membranes, est présent en quantité équivalente entre les deux couches et module la fluidité membranaire en interagissant avec les phospholipides (Zachowski, 1993).

Dans le milieu des années 90, la découverte de l'existence de microdomaines membranaires spécialisés (radeaux et calveolae), impliqués dans la transduction de signaux cellulaires et modelés par la diffusion latérale des lipides, a permis d'affiner le modèle de la mosaïque fluide. Ainsi la membrane plasmique est organisée non seulement sur un plan transversal mais aussi latéral (Simons et Ikonen, 1997; Simons et Toomre, 2000).

2.2.5.1.2 La membrane du spermatozoïde

La membrane du spermatozoïde possède une structure classique de membrane plasmique. Sa composition lipidique est cependant toute particulière. Malgré les variations inter-espèces, les proportions des différentes classes de lipides membranaires sont généralement : 70 % de phospholipides, 25 % d'acides gras neutres et 5 % de glycolipides (Flesch et Gadella, 2000).

La membrane du spermatozoïde est principalement composée de glycérophospholipides (PC et PE), de sphingomyéline (SPM) et de cholestérol (Parks et Lynch, 1992; Ladha, 1998). La PC est la fraction prédominante tandis que SPM forme 10-15% des lipides totaux du spermatozoïde. Les fractions PS et PI sont également présentes mais à de plus bas niveaux (Nikolopoulou et al, 1985, 1986; Parks et Lynch, 1992).

La composition phospholipidique du spermatozoïde varie selon les espèces. Ainsi en comparant les spermatozoïdes du taureau et du verrat, Parks et Lynch (1992) notent que ce dernier contient de grandes quantités de PE et SPM mais moins de PC. De plus, chez le spermatozoïde du porc, la répartition du cholestérol entre les deux feuillets membranaires est asymétrique, avec une préférence pour le feuillet externe. Parks et Lynch (1992) ont noté que le rapport cholestérol/phospholipides est plus bas chez le porc que chez d'autres espèces : 0,26 contre 0,45 chez le taureau et 0,36 chez le bélier. Ces auteurs rapportent également que le ratio protéines/phospholipides est élevé chez le porc : 1,26 pour le verrat contre 0,80 pour le bélier et le taureau. Cette composition lipidique particulière confère une grande fluidité et flexibilité à la membrane plasmique, fluidité liée à la présence de nombreuses doubles liaisons (Stubbs et Smith, 1984).

Le rapport AGsaturés/AGjnsaturés,tout comme les ratios cholestérol/phospholipides, PE/PC,

SPM/PC, sont autant d'indices utilisés pour indiquer une modification de la fluidité membranaire (Ladha, 1998). Une diminution de l'un de ces ratio indiquera une augmentation de la fluidité, comme cela est observé lors de la maturation épididymaire (Poulos et a l , 1975; Nikolopoulou et al, 1985).

Johnson et al. (1972) ont montré que 10 acides gras (14 : 0, 16 : 0, 18 : 0, 20 : 0, 22 : 0, 18:1 n-9, 18:2 n-6,20 : 4 n-6,22 : 5 n-6 et 22 : 6 n-3) constituent plus de 90 % des acides gras totaux trouvés dans les spermatozoïdes. Comme les cellules des testicules, mais contrairement à celles d'autres tissus, les spermatozoïdes contiennent de fortes proportions d'acides gras polyinsaturés à longues chaînes. Les acides gras de type n-3 et n-6 représentent à eux seuls plus de 60 % des acides gras totaux retrouvés dans le spermatozoïde (Maldjian et a l , 2003). Les AGPI majeurs sont les acides arachidonique (20 : 4n-6), docosapentanoïque (22 : 5n-3) et docosahexaénoïque (22 : 6n-3) tandis que les acides gras palmitique (16 : 0) et stéarique (18 : 0) sont les acides gras saturés les plus représentés dans la membrane du spermatozoïde (Johnson et al, 1969; Rejraji et al, 2009).

De plus il est intéressant de noter que la nature et les proportions de certains AGPI membranaires spécifiques vont varier entre les espèces animales (Tableau 2.7). Ainsi, le DHA (n-3) est l'acide gras majoritaire chez le taureau et le bélier. À l'inverse, le DPA (n-6) est présent en très grandes quantités chez le chien et le lapin. Chez le verrat, cette composition lipidique est plus équilibrée avec 25-28 % de DPA et 30-38 % de DHA (Penny et al, 2000; Rooke et al, 2001; Maldjian et al, 2003).

Tableau 2.7 : Les acides gras majeurs (en pourcentage des acides gras totaux) des spermatozoïdes de plusieurs espèces animales (Adapté de Maldjian et al, 2003).

AL AA DPA DHA Volume éjaculé Espèce 1 8 : 2 n_ 6 2 0 : 4 n-6 2 2 : 5 n-6 22: 6n-3 (ml) Verrat 2,1 3,2 27,9 37,7 150-400 Taureau 3,0 3,3 6,9 55,4 6-8 Bélier 1,7 4,5 nd 61,4 1-2 Coq 1,8 6,2 1,0 2,3 0,1-0,8 Homme 1,8 2,5 nd 58,7 3-5 Chien 3,2 6,6 28,4 3,9 2-14 Lapin 4,8 nd 39,0 nd 0,4-0,6

AL : acide linoléique ; AA : acide arachidonique ; DPA : acide docosapentaénoïque DHA : acide docosahexaénoïque ; nd : non détecté

Le patron lipidique de la membrane du spermatozoïde n'est pas définitif, il évolue. Des changements vont s'opérer au cours de la maturation épididymaire (Poulos et al., 1973b; Poulos et a l , 1975; Evans et Setchell, 1979; Lenzi et a l , 1996) mais aussi dans le tractus génital femelle lors du processus de fécondation, notamment au cours de la capacitation et de l'interaction avec l'ovocyte (Nikolopoulou et a l , 1986; Hamamah et a l , 1996; Nolan et Hammerstedt, 1997; Flesch et Gadella, 2000).

Ces réarrangements lipidiques sont clairement corrélés avec les changements fonctionnels du gamète mâle (Nolan et Hammerstedt, 1997; Flesch et Gadella, 2000). Ainsi au niveau de l'épididyme, des changements de compositions des lipides membranaires, favorisant la stabilité de la membrane plasmique, sont observés. Chez le verrat, la phosphatidyléthanolamine, instable dans la bicouche lipidique, est substituée en grande partie par la phospatidylcholine (Fournier-Delpech et Thibault, 1991). Outre ces remaniements lipidiques, des modifications dans la composition protéique et dans la localisation des résidus glycosylés vont également s'effectuer au cours de cette maturation (Fournier-Delpech et Thibault, 1991; Dacheux et a l , 2005). Au cours de la capacitation, une extraction du cholestérol membranaire va s'opérer au niveau du spermatozoïde (Gadella et a l , 1999).

2.2.5.2 Sensibilité à l'oxydation

En conditions aérobies, les dérivés actifs de l'oxygène (DAO), incluant les radicaux libres de l'oxygène, comme le O2 ", ainsi que certains dérivés oxygénés réactifs non radicalaires, comme le H2O2, sont des produits naturels du métabolisme cellulaires, car résultants de la phosphorylation oxydative (Kefer et a l , 2009). De plus, il a été clairement montré que la présence en quantités modérées et contrôlées de DAO est indispensable à l'acquisition du pouvoir fécondant des spermatozoïdes (Pons-Rejraji et a l , 2009).

Ainsi au cours de la maturation épididymaire, les radicaux libres vont participer à la condensation nucléaire, à la modification des membranes et à l'acquisition d'une motilité rectiligne. Dans le tractus génital de la femelle, ceux-ci interviennent dans la capacitation, la réaction acrosomique et l'hyperactivation des spermatozoïdes (Pons-Rejraji et al, 2009).

Cependant, un excès de production de ces radicaux libres a des conséquences cytotoxiques pour la cellule ; altérations tant au niveau de la membrane plasmique (lipides et protéines) que du noyau (ADN) pouvant conduire à la mort de la cellule (Pons-Rejraji et a l , 2009). Pour contrer cet excédant de DAO, la cellule possède plusieurs types de défenses antioxydantes : des composés naturels et des enzymes spécifiques se comportant comme des « piégeurs de radicaux libres ». Ainsi, toute modification de la balance entre anti- et pro-oxydants, par une surproduction de radicaux ou un déficit en antioxydants, va conduire à une rupture de cet équilibre. On parle alors d'un stress oxydatif (Pons-Rejraji et a l , 2009). Un excès de production de DAO est particulièrement néfaste pour le spermatozoïde. MacLeod (1943) fut le premier à observer la susceptibilité de la cellule spermatique à un stress oxydatif. Dans les années 70, plusieurs études ont montré la sensibilité particulière du spermatozoïde à la peroxydation lipidique en présence de DAO (Jones et Mann, 1977; Jones et a l , 1979; Aitken, 1995) ; sensibilité reliée à la composition lipidique spécifique et aux grandes proportions d'acides gras polyinsaturés que le spermatozoïde contient (Jones et a l , 1979; Aitken et al, 1993).

Afin de contrecarrer les possibles dommages dus aux dérivés actifs de l'oxygène, le spermatozoïde possède deux lignes de défense distinctes et complémentaires (Kefer et al, 2009):

Les antioxydants non-enzymatiques (substances de faibles poids moléculaires) sont de différentes natures et incluent des vitamines (vitamines E et C), des protéines (albumines et glutathion), le zinc, la carnitine et le sélénium (Pons-Rejraji et al, 2009). Ceux-ci constituent la première ligne de défense contre les radicaux libres car ils agissent à différents niveaux cellulaires principalement en piégeant les DAO (Kefer et al, 2009). Ces substances sont d'origine endogène ou apportées par l'alimentation (Tableau 2.8).

Les antioxydants enzymatiques endogènes qui englobent la superoxide dismutase (SOD), la catalase et la glutathione peroxydase (GPX) constituent la deuxième ligne de défense contre les DAO (Strzezek, 2002).

Tableau 2.8: Principaux antioxydants retrouvés dans la semence (Tiré de Sanocka et Kurpisz, 2004) Antioxydants non-enzymatiques . Vitamine E (a-tocophérol) Ergothionéine Ascorbate P-carotène Antioxydants enzymatiques Superoxide dismutase (SOD) Catalase

Glutathione peroxydase (GPX) Chélateurs

Transferrine Lactoferrine

2.2.5.2.1 Les antioxydants non-enzymatiques

■ La vitamine E ou g-tocophérol : au début des années 1920, Evans et Bishop (1922) puis Sure (1924) décrivent l'effet de la carence d'un facteur alimentaire sur la reproduction. Ils nomment cette substance tocopherol (ou vitamine E). Vitamine liposoluble, la vitamine E est le terme générique utilisé pour désigner les différents tocopherols (a, P, y, et ô) et dérivés tocotriénol. L'a-tocophérol est la molécule la plus active biologiquement et représente plus de 90 % des vitamines E retrouvées dans la nature. La vitamine E est notamment impliquée dans la stabilisation des membranes cellulaires, l'agrégation plaquettaire, l'hémolyse et certaines activités enzymatiques (Le Grusse et Watier, 1993). La vitamine E est reconnue comme étant le principal piégeur de radicaux au niveau des phospholipides membranaires (Chaudière et Ferrari-Iliou, 1999). Plusieurs études réalisées chez différentes espèces animales ont d'ailleurs souligné ses puissantes propriétés antioxydantes au niveau de la membrane spermatique (Suleiman et a l , 1996; Surai et a l , 1998; Cerolini et a l , 1999; Audet et a l , 2004; Castellini et a l , 2007). La vitamine E va arrêter la chaîne de propagation de la peroxydation lipidique en piégeant les radicaux peroxyles (LOO°) en transposant leur fonction radicalaire pour former un radical tocophéroxyle (a-T°) moins actif (réaction 1) (Chaudière et Ferrari-Iliou,

1999; Pons-Rejraji et a l , 2009).

(l)LOO° + a-TOH —> LOOH + a-T°

La vitamine C ou acide ascorbique : cette vitamine hydrosoluble, est un antioxydant majeur de la cellule (Le Grusse et Watier, 1993; Chaudière et Ferrari-Iliou, 1999). Présente dans le plasma séminal (Strzezek et al., 1999), elle est un excellent neutraliseur de radicaux et peut aussi agir comme pro-oxydant en réduisant les ions ferriques (Chaudière et Ferrari-Iliou, 1999). La vitamine C permet également de régénérer la vitamine E oxydée (Kefer et a l , 2009).

L'ergothionéine (ERT) : cette bétaïne naturelle hydrosoluble est présente dans le plasma séminal (Strzezek et a l , 1999). C'est un piégeur efficace de radicaux libres et un chélateur de cations métalliques divalents (Chaudière et Ferrari-Iliou, 1999). Le glutathion (GSH) : ce tripeptide ubiquitaire hydrosoluble possède un groupement thiol actif qui lui confère des propriétés réductrices importantes. Antioxydant majeur du spermatozoïde, il est présent dans le plasma séminal du verrat à des concentrations proches de celles de ERT (Strzezek et a l , 1999; Strzezek, 2002). Agissant de concert avec les vitamines C et E ainsi que les superoxydes dismutases, le GSH est capable non seulement de piéger les radicaux libres mais aussi de participer à la réduction des hydroperoxydes lipidiques. Il peut aussi interagir avec des composés électrophiles et les métaux. Il joue également un rôle dans le stockage et le transport de la cysteine (Pons-Rejraji et al, 2009).

2.2.5.2.2 Les antioxydants enzymatiques

Les superoxvdes dismutases (SOD) : famille de métalloprotéines impliquées dans la défense antioxydative intra- et extra-cellulaire, les SOD accélèrent la dismutation des anions superoxydes en peroxyde d'hydrogène (réaction 2) qui sera à son tour catabolisé en H2O par la catalase ou les GPX (Pons-Rejraji et a l , 2009).

(2) 2 02" + 2 H+ —► H202 + 02

Chez les mammifères, trois isoformes de cette enzyme ont été observées (Fridovich, 1997; Mruk et a l , 2002; Kowalowka et a l , 2008): la SOD à manganèse tétramérique (Mn-SOD), présente dans les mitochondries, ainsi que deux isoenzymes SOD à cuivre et zinc dimérique dont l'une est localisée dans le cytosol (Cu/Zn-SOD) et l'autre sécrétée dans le plasma séminal (EC-SOD).

Les glutathion peroxydases (GPX) : ce sont des enzymes séléno-dépendantes catalysant, avec comme co-substrat le GSH, la réduction du peroxyde d'hydrogène (réaction 3) et de divers hydroperoxydes lipidiques (réaction 4) en des substances moins réactives selon les réactions suivantes (Flohe et a l , 1973; Chaudière et Ferrari-Iliou, 1999):

(3) ROOH + 2 GSH —> ROH + GSSG + H20

(4) H202 + 2 GSH —► 2 H20 + GSSG

Il existe plusieurs isoformes de GPX Se-dépendantes (Drevet, 2006): la GPX1 cytosolique, la GPX2 gastro-intestinale, la GPX3 plasmatique, la GPX4 membranaire (ou PHGPX) et la GPX5 sécrétée. Les GPX sont présentent dansl'épididyme (Rejraji et a l , 2009). Elles se retrouvent aussi dans le liquide séminal. Les GPX1 et GPX4 sont deux isoformes intracellulaires de GPX agissant spécifiquement sur les hydroperoxydes des lipides.

La GPX1 agit sur les hydroperoxydes des acides gras libres alors que la GPX4 va agir directement sur les hydroperoxydes des phospholipides membranaires (Storey, 1997). La GPX5, une protéine spécifique de l'épididyme, est retrouvée en grandes quantités dans le fluide épididymaire (Drevet, 2006).

La catalase : cette enzyme tétramérique catalyse la dismutation du peroxyde d'hydrogène en eau et oxygène moléculaire (réaction 5)

(5) 2 H202 —> 2 H20 + 02

Cette enzyme est considérée comme un faible agent protecteur. De plus, elle n'est pas présente dans le plasma séminal du verrat (Strzezek, 2002).

2.2.5.3 Rôle métabolique

Du fait de sa complexité, le métabolisme énergétique in vivo du spermatozoïde est encore assez mal connu. Le spermatozoïde nécessite de l'adénosine triphosphate (ATP) pour le maintien de nombreuses fonctions cellulaires comme la motilité (Miki, 2007). Comme il l'a été rapporté chez la majorité des mammifères (Storey, 2008), la production d'énergie sous forme d'ATP repose sur deux voies métaboliques majeures : la glycolyse (la voie d'Embden-Meyerhof) et la respiration cellulaire (la phosphorylation oxydative). Selon Westhoff et Kamp (1997), ces deux activités métaboliques sont localisées dans deux régions différentes du flagelle : la glycolyse se déroule dans la région de la pièce principale alors que la respiration cellulaire se tient dans les nombreuses mitochondries correspondant à la pièce intermédiaire de la queue. Il est cependant admis que c'est la glycolyse qui est la voie métabolique préférentielle et centrale du gamète mâle. Le métabolisme du glucose jouerait en effet un rôle prépondérant dans l'hyperactivation et la liaison à l'ovocyte alors que la phosphorylation oxydative serait quant à elle impliquée dans la réaction acrosomique (Miki, 2007).

En général, la cellule est capable d'utiliser de nombreux substrats énergétiques, principalement d'origine exogène, parmi lesquels des oses (glucose, fructose), des acides carboxyliques (lactate, pyruvate), des polyols (glycerol, sorbitol), la GPC et certains lipides (plasmalogène, triglycérides, acides gras) (Jones et Bubb, 2000).

Jones et Chantrill (1989) ont montré que le spermatozoïde d'un verrat adulte n'utilise qu'un nombre limité de substrats endogènes glycolysables (fructose, glucose, glycerol, glycerol 3-phosphate et lactate) et qu'il est capable également d'avoir recours aux acides gras à courtes chaînes. La dégradation des acides gras, outre la glycolyse, permet en effet aux cellules d'obtenir l'ATP nécessaire à leur survie (Figure 2.7). Cette dégradation se réalise dans la mitochondrie, selon un ensemble de réactions regroupées sous le terme de « P-oxydation » (Lynen et Ochoa, 1953).

La possible utilisation des phospholipides comme substrat métabolique a été soulignée dès les années 40 chez le taureau (Lardy et Phillips, 1941), puis chez le rat (Hartree et Mann, 1961) et chez le bélier (Neill et Masters, 1973). De plus, certaines études menées chez l'oursin montrent que le spermatozoïde de cet invertébré est capable d'utiliser les phospholipides endogènes (principalement la fraction PC) pour son métabolisme énergétique (Mita et Ueta, 1990; Mita et al, 1995). Chez le verrat, Jones et Milmlow (1997) et Jones et Bubb (2000) ont montré la possible utilisation par le spermatozoïde des triglycérides endogènes et la participation de la carnitine. Cette dernière est en effet impliquée dans le transport des acides gras dans la mitochondrie (Chiu et a l , 2004).

Glucose Fructose SorbitolG

& ê

Vf

rf

rf

2.2.5.4 Rôles fonctionnels

Outre leurs rôles structuraux et métaboliques, les lipides et les acides gras ont également des fonctions importantes dans la capacitation, la réaction acrosomique, l'interaction avec l'ovocyte et la fertilité.

La diminution du cholestérol membranaire associée à la capacitation du spermatozoïde participerait, outre au remodelage des domaines membranaires, à l'activation de voies de signalisations impliquées dans le processus de fécondation (Flesch et Gadella, 2000). Il a été montré que ce flux de cholestérol était réalisé par extraction à l'aide de lipoprotéines spécifiques (ex : l'albumine).

Certains glycolipides joueraient un rôle dans la liaison à la zone pellucide (ancres GPI, séminolipides) (Flesch et Gadella, 2000).

Les produits issus du catabolisme des phospholipides seraient impliqués dans la signalisation intracellulaire (PKC, PLA2) et activeraient une cascade de phosphorylation à l'origine de la réaction acrosomique (Flesch et Gadella, 2000). Les prostaglandines (PGE2 et PGF2), dérivées métaboliques des acides gras polyinsaturés, vont influencer la motilité du spermatozoïde, la réaction acrosomique ainsi que la fertilité (Joyce et a l , 1987; Roy et Ratnam, 1992).

Les acides gras interviendraient dans la modulation de l'expression de certains gènes par l'intermédiaire de facteurs de transcription : par exemple les AGPI stimulent le catabolisme lipidique en activant la transcription de protéines de transport des acides gras et d'enzymes de la P-oxydation (Jump, 2002).