Gamétogenèse et fécondation

La gamétogenèse est le programme développemental par lequel les cellules germinales des mammifères acquièrent les compétences épigénétiques, chromosomiques et cellulaires nécessaires à la production de gamètes fonctionnels. Chez les mammifères, ce processus débute par la spécification des cellules germinales primordiales (PGCs) à partir de précurseurs dérivés de l’épiblaste post-implantatoire, puis se poursuit par leur migration, leur reprogrammation épigénétique, leur différenciation spécifique au sexe et l’entrée en méiose au cours de la gamétogenèse (Saitou and Yamaji, 2012; Tang et al., 2015). Chez l’embryon de souris, la spécification des PGCs est initiée vers le jour embryonnaire E6.25, suivie de leur migration à travers les tissus extra-embryonnaires et embryonnaires vers les futures crêtes gonadiques, les principales phases de migration et de colonisation gonadique se déroulant approximativement entre E7.5 et E10.5–E11.5 (Saitou and Yamaji, 2012; Hill et al., 2024). Ces processus constituent un cadre expérimental fondamental pour la biologie de la reproduction, la biologie du développement, la recherche sur l’infertilité, l’épigénétique de la lignée germinale, la modélisation à partir de cellules souches et la gamétogenèse in vitro (IVG).

Au niveau moléculaire, l’établissement de la lignée germinale chez les mammifères est contrôlé par des réseaux transcriptionnels conservés mais spécifiques de l’espèce. Chez la souris, BLIMP1/PRDM1, PRDM14 et TFAP2C/AP2γ constituent un axe régulateur central qui réprime les programmes somatiques et favorise l’identité germinale (Magnúsdóttir et al., 2013; Nakaki et al., 2013). PRDM14 est indispensable à l’établissement de la lignée germinale et à la reprogrammation épigénétique chez la souris, les embryons mutants pour Prdm14 présentant une acquisition altérée des caractéristiques des cellules germinales malgré la présence de l’expression de Prdm1/Blimp1 (Yamaji et al., 2008). Chez l’Homme, le réseau de spécification germinale diffère : SOX17 agit comme le principal facteur en amont déterminant l’identité des cellules germinales primordiales humaines de type PGC (hPGCLCs), tandis que BLIMP1/PRDM1 participe à la répression des programmes de différenciation somatique (Irie et al., 2015; Tang et al., 2015). Ces découvertes ont fait de marqueurs germinaux tels que SOX17, BLIMP1/PRDM1, TFAP2C, PRDM14, NANOS3, DPPA3/STELLA, DAZL et DDX4/VASA des indicateurs essentiels dans les protocoles de spécification des cellules germinales primordiales et les outils de recherche sur la gamétogenèse validés par des publications évaluées par les pairs.

Spécification de la lignée germinale, modèles de gamétogenèse in vitro (IVG) et paramètres expérimentaux

La gamétogenèse in vitro (IVG) est devenue une plateforme majeure pour modéliser le développement précoce de la lignée germinale à partir de cellules souches pluripotentes. Hayashi et al. ont démontré que des cellules souches embryonnaires et des cellules souches pluripotentes induites de souris pouvaient être différenciées, via un état intermédiaire de cellules de type épiblaste, en cellules germinales primordiales de type PGC (PGCLCs) capables de contribuer à la spermatogenèse après transplantation (Hayashi et al., 2011). Par la suite, Hikabe et al. ont rapporté la reconstitution in vitro du cycle complet de la lignée germinale femelle chez la souris à partir de cellules souches pluripotentes, incluant la génération d’ovocytes matures pouvant être fécondés et donner naissance à une descendance viable chez la souris (Hikabe et al., 2016). Chez l’Homme, les hPGCLCs positives pour SOX17 dérivées de cellules souches pluripotentes constituent un modèle contrôlé pour l’étude de la spécification précoce de la lignée germinale humaine, bien que la gamétogenèse humaine complète in vitro demeure un objectif de recherche plutôt qu’une méthode clinique établie (Irie et al., 2015; Tang et al., 2015).

Ces travaux définissent directement les besoins expérimentaux en réactifs pour la biologie de la reproduction, anticorps dédiés à la recherche sur les gamètes, milieux de culture, cytokines, supports de matrice extracellulaire, consommables pour la culture de cellules souches et outils de biologie moléculaire. Par exemple, l’immunofluorescence, la cytométrie en flux, la transcriptomique unicellulaire, la qPCR et les analyses de la chromatine sont utilisées pour valider l’identité et le stade de maturation des PGCs/PGCLCs à l’aide de marqueurs tels que BLIMP1, SOX17, TFAP2C, NANOS3, DPPA3, DAZL et DDX4 (Hayashi et al., 2011; Irie et al., 2015; Tang et al., 2015). Des anticorps soigneusement sélectionnés, des amorces validées, des suppléments de culture, des plaques à faible adhérence, des substrats de matrice extracellulaire et des consommables pour la fécondation in vitro (FIV) ne constituent donc pas de simples accessoires, mais des éléments déterminants pour garantir la reproductibilité des modèles de cellules germinales et des études de fécondation.

Interfaces de la fécondation : de la reconnaissance des gamètes à la fusion membranaire

La fécondation est médiée par une succession d’interactions moléculaires entre les surfaces du spermatozoïde et de l’ovocyte. Une avancée majeure dans l’étude de la fécondation chez les mammifères a été l’identification de IZUMO1, une protéine de surface appartenant à la superfamille des immunoglobulines exprimée par le spermatozoïde et indispensable à la fusion des membranes spermatozoïde–ovocyte ; les souris mâles déficientes pour Izumo1 produisent des spermatozoïdes capables d’atteindre l’ovocyte mais incapables de fusionner avec celui-ci (Inoue et al., 2005). Le récepteur ovocytaire JUNO, codé par Folr4 chez la souris, a ensuite été identifié comme le récepteur ovocytaire d’IZUMO1, et les femelles déficientes pour Juno sont infertiles car leurs ovocytes ne peuvent fusionner avec des spermatozoïdes normaux (Bianchi et al., 2014). CD9, une tétraspanine ovocytaire enrichie au niveau des microvillosités, est également essentielle à une fusion efficace entre spermatozoïde et ovocyte, les souris femelles déficientes pour Cd9 présentant de sévères défauts de fusion et une infertilité (Miyado et al., 2000; Le Naour et al., 2000). Ces découvertes soulignent l’importance pratique des anticorps dirigés contre IZUMO1, JUNO et CD9, des protéines recombinantes, des anticorps bloquants, des réactifs d’immunomarquage, des tests sur ovocytes dépourvus de zone pellucide et des consommables destinés aux études de la fécondation.

Des travaux récents ont élargi la compréhension de l’interface de fécondation au-delà du couple IZUMO1–JUNO. Les études structurales montrent qu’IZUMO1 et JUNO forment un complexe récepteur–ligand conservé, tandis que d’autres protéines membranaires du spermatozoïde, telles que SPACA6, DCST1 et DCST2, sont également requises pour la fusion spermatozoïde–ovocyte dans différents modèles de vertébrés (Aydin et al., 2016; Inoue et al., 2022; Noda et al., 2020). Ces résultats confirment que la fusion entre spermatozoïde et ovocyte n’est pas assurée par une seule molécule, mais résulte d’une coordination entre l’architecture membranaire, les interactions récepteur–ligand et le remodelage des surfaces gamétiques. Pour les laboratoires étudiant les interactions spermatozoïde–ovocyte, la contribution nucléaire du spermatozoïde ou les mécanismes de fusion des gamètes, des anticorps de haute spécificité, des consommables pour l’imagerie de cellules vivantes, du matériel de culture compatible avec la FIV, des outils de micro-injection et des essais moléculaires validés demeurent des éléments essentiels de la conception expérimentale.

Références:

1. Saitou, M., & Yamaji, M. (2012). Primordial Germ Cells in Mice. Cold Spring Harbor Perspectives in Biology, 4(11), a008375.
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3. Yamaji, M., Seki, Y., Kurimoto, K., Yabuta, Y., Yuasa, M., Shigeta, M., Yamanaka, K., Ohinata, Y., & Saitou, M. (2008). Critical function of Prdm14 for the establishment of the germ cell lineage in mice. Nature Genetics, 40, 1016–1022.
4. Magnúsdóttir, E., Dietmann, S., Murakami, K., Günesdogan, U., Tang, F., Bao, S., Diamanti, E., Lao, K., Gottgens, B., & Surani, M. A. (2013). A tripartite transcription factor network regulates primordial germ cell specification in mice. Nature Cell Biology, 15, 905–915. 
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7. Tang, W. W. C., Dietmann, S., Irie, N., Leitch, H. G., Floros, V. I., Bradshaw, C. R., Hackett, J. A., Chinnery, P. F., & Surani, M. A. (2015). A Unique Gene Regulatory Network Resets the Human Germline Epigenome for Development. Cell, 161(6), 1453–1467.
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9. Hikabe, O., Hamazaki, N., Nagamatsu, G., Obata, Y., Hirao, Y., Hamada, N., Shimamoto, S., Imamura, T., Nakashima, K., Saitou, M., & Hayashi, K. (2016). Reconstitution in vitro of the entire cycle of the mouse female germ line. Nature, 539, 299–303. 
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14. Aydin, H., Sultana, A., Li, S., Thavalingam, A., & Lee, J. E. (2016). Molecular architecture of the human sperm IZUMO1 and egg JUNO fertilization complex. Nature, 534, 562–565.
15. Noda, T., Lu, Y., Fujihara, Y., Oura, S., Koyano, T., Kobayashi, S., Matzuk, M. M., & Ikawa, M. (2020). Sperm proteins SOF1, TMEM95, and SPACA6 are required for sperm-oocyte fusion in mice. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 117(21), 11493–11502.
16. Noda, T., Blaha, A., Fujihara, Y., Gert, K. R., Emori, C., Deneke, V. E., Oura, S., Panser, K., Lu, Y., Berent, S., Kodani, M., Cabrera-Quio, L. E., Pauli, A., & Ikawa, M. (2022). Sperm membrane proteins DCST1 and DCST2 are required for sperm-egg interaction in mice and fish. Communications Biology, 5, 332.