Définition : Que sont les cellules spermatiques ?
Les cellules spermatiques sont des gamètes (cellules sexuelles) qui sont produites dans l’organe testiculaire (gonade) des êtres humains et des animaux mâles.
Comme le gamète femelle (ovocyte), les spermatozoïdes portent un total de 23 chromosomes qui sont le résultat d’un processus appelé méiose. Chez les animaux et les êtres humains, parmi de nombreux autres organismes, ces cellules sont impliquées dans le mode de reproduction sexuel qui implique l’interaction des gamètes mâles et femelles.
La morphologie générale des spermatozoïdes se compose des parties suivantes :
- Tête distinctive
- Milieu (corps)
- Queueue
Structure et fonction
Avant d’examiner la structure et la fonction des spermatozoïdes, il est important de comprendre le processus de leur production (spermatogenèse).
Spermatogenèse
Chez les animaux mâles, l’hypothalamus joue un rôle crucial de surveillance du taux de testostérone dans le sang. Un faible taux de cette hormone indique une faible activité testiculaire, ce qui déclenche la libération par l’hypothalamus d’une hormone libératrice connue sous le nom de gonadotrophine (GnRH).
La GnRH se dirige ensuite vers l’hypophyse et stimule la production de l’hormone lutéinisante (LH) et de l’hormone folliculo-stimulante (FSH).
Depuis l’hypophyse, l’hormone lutéinisante bondit et stimule les cellules leydig présentes dans les testicules pour produire de la testostérone. L’hormone folliculo-stimulante, quant à elle, joue un rôle important en concentrant cette hormone dans le tubule séminifère pour commencer la formation des spermatozoïdes.
Dans les parois internes des tubules séminifères, un groupe de cellules connues sous le nom de germe spermatogonial subit une division mitotique pour produire des spermatocytes primaires (haploïdes). Ces cellules subissent ensuite une division méiotique qui aboutit à la production de spermatocytes secondaires. Les spermatocytes subissent ensuite une deuxième division méiotique pour former des spermatides qui se développent pour former des spermatozoïdes matures.
Voir plus sur la division cellulaire.
* La spermatogenèse prend environ 74 jours pour se terminer
* Il y a deux processus principaux impliqués dans la spermatogenèse. Le premier processus (la méiose) réduit les chromosomes à la moitié tandis que le second implique des changements de taille et de forme au fur et à mesure que les spermatozoïdes atteignent leur forme normale.
Structure
Bien que leur morphologie générale comprenne une tête, un corps et une queue, tous les spermatozoïdes ne se ressemblent pas nécessairement.
En raison de diverses anomalies, ils peuvent varier en forme et en taille tandis que d’autres différences peuvent être observées sur n’importe quelle partie de la cellule (tête, corps, queue).
Un spermatozoïde normal aura les caractéristiques suivantes :
- Une tête ovale lisse – La tête d’un spermatozoïde normalement formé a une surface lisse et ressemble à la forme d’un ovule
- La tête du spermatozoïde mesure 2,5 à 3,5 um de diamètre et 4,0 à 5,5 um de longueur (um=micromètres). Il en résulte un rapport de 1,50 à 1.70 de longueur par rapport à la largeur
- Ils ont un acrosome bien développé qui couvre 40 à 70 % de la tête de forme ovale
- Une section médiane mince (corps) qui a approximativement la même longueur que la tête
- Une section caudale plus mince qui mesure environ 45 micromètres de longueur
Un spermatozoïde se compose d’une tête, d’un corps (section médiane) et d’une queue. Chacune de ces parties est dotée de diverses molécules et d’une structure plus petite qui permettent au spermatozoïde dans son ensemble de fonctionner correctement.
Tête du spermatozoïde
Comme déjà mentionné, une tête de spermatozoïde normale a une forme lisse et ovale. La section de la tête ressemble également à un œuf en raison de sa large base et de son sommet effilé.
La tête est la partie la plus importante de la cellule étant donné qu’elle contient le noyau (matériel génétique avec 23 chromosomes) nécessaire pour former un nouvel organisme.
A part le noyau, la tête est également constituée de plusieurs parties qui comprennent :
Acrosome et capuchon acrosomique
Les deux (acrosome et capuchon acrosomique) constituent ensemble la région acrosomique. Formé pendant la spermiogenèse, l’acrosome est le produit du complexe de Golgi et contient un certain nombre de contenus tels que l’enzyme acrosine dans la matrice acrosomique. Outre les enzymes, l’acrosome contient également des polysaccharides tels que le mannose, l’hexosmine et le galactose.
L’acrosome occupe l’espace entre la membrane plasmique intérieure et la membrane nucléaire. L’acrosome lui-même possède une membrane interne et externe (membrane acrosomique) où la membrane externe borde la membrane plasmique tandis que la membrane acrosomique interne borde la membrane nucléaire.
L’acrosome joue un certain nombre de rôles importants dans la fécondation. Par exemple, avec un certain nombre de ses molécules associées, l’acrosome est impliqué dans la reconnaissance de l’ovocyte (œuf) à féconder.
Une fois que le spermatozoïde entre en contact avec les molécules diffusibles de la gelée ovulaire, cela stimule la cellule à nager vers les œufs. Cette reconnaissance de l’œuf basée sur la composition des molécules est connue sous le nom de chimiotaxie.
Ayant identifié une forte concentration de la molécule, la cellule nage vers l’œuf (zone de forte concentration de molécules) et établit un contact physique. A son tour, le contact physique entraîne une réaction acrosomique.
* La chimiotaxie permet aux spermatozoïdes de naviguer vers les œufs grâce à des signaux chimiques. Il s’agit donc d’un processus important qui garantit que le spermatozoïde féconde un ovule conspécifique (de la même espèce).
* Les ligands primaires (protéines) situés près de l’acrosome reconnaissent le gamète cible.
Réaction acrosomique
La réaction acrosomique est un événement important qui se produit lorsque le spermatozoïde entre en contact avec la membrane de l’ovocyte à différents endroits.
Par exemple, chez certains animaux, le contact du spermatozoïde avec la zone pellucide de la membrane plasmique de l’ovocyte déclenche la réaction acrosomique. Il s’agit d’un événement dépendant du calcium qui entraîne une exocytose (action au cours de laquelle des molécules cellulaires sont libérées de la cellule) de la membrane externe de l’acrosome exposant ainsi le contenu (enzymes) de l’acrosome.
Ceci permet aux enzymes de l’acrosome (par exemple l’acrosine) d’être libérées et de favoriser l’entrée des spermatozoïdes dans l’ovule. L’acrosine/proacrosine, l’un des ligands secondaires, est impliquée dans la lyse de la membrane épaisse recouvrant l’ovule (zone pellucide)
Essentiellement, l’enzyme (acrosine) est stockée dans l’acrosome sous une forme inactive appelée zymogène. Le niveau de pH à l’intérieur de l’acrosome est plus faible, ce qui fait que l’enzyme reste inactive.
Lorsqu’elle entre en contact avec les glycoprotéines de la membrane de l’ovule (zona pellucida), l’enzyme se transforme en acrosine, une forme active capable d’agir sur la membrane. Celle-ci, à son tour, permet au spermatozoïde de pénétrer et d’entrer dans l’ovule pour que la fécondation ait lieu.
* Les enzymes de l’acrosome sont également connues sous le nom d’enzymes lysosomales.
Nucléus – La tête du spermatozoïde est la partie de la cellule qui contient le noyau. Le noyau occupe 65 % de la tête et se compose de 23 chromosomes.
Une fois que le spermatozoïde pénètre dans l’ovule, les chromosomes se combinent avec le gamète femelle pour constituer 46 chromosomes – C’est le total de 46 chromosomes qui détermine les caractéristiques du nouvel organisme (fœtus, etc.).
* La tête du spermatozoïde représente environ 10 % de l’ensemble de la cellule.
La pièce médiane
La pièce médiane est la partie centrale du spermatozoïde entre la tête et la queue. Comme la tête, la pièce médiane représente environ 10 % de la longueur totale du spermatozoïde. Contrairement à la tête du spermatozoïde qui porte le matériel génétique, la pièce médiane contient des mitochondries serrées qui fournissent l’énergie nécessaire à la natation.
En plus de fournir l’énergie nécessaire à la natation, la mitochondrie est également suggérée pour jouer un rôle dans la mort cellulaire contrôlée connue sous le nom d’apoptose.
Centriole – Le centriole est une partie du spermatozoïde située entre la tête et la pièce médiane. Dans un complexe appelé complexe centriole-centrosome, le centriole est impliqué dans la formation de l’aster du spermatozoïde et de l’aster du zygote.
Ces derniers sont essentiels au mouvement du pronucléaire pour l’union avec le génome féminin. En outre, le centriole est impliqué dans la production de l’appareil mitotique impliqué dans la séparation des chromosomes pendant la division cellulaire tout en étant le modèle pour tous les centrioles ultérieurs.
Queueue
La queue du spermatozoïde est une structure mince et allongée qui représente environ 80 % de la longueur totale du spermatozoïde.
Bien que la queue puisse sembler être une longue structure continue, elle est divisée en plusieurs parties qui comprennent :
- Pièce de connexion – C’est la partie qui relie le flagelle à la tête du spermatozoïde
- Pièce médiane – Dans certains livres, la pièce médiane est décrite comme faisant partie de la queue. Il contient des mitochondries et fournissait ainsi l’énergie nécessaire au mouvement
- Pièce principale (filament axial)
- Pièce d’extrémité
* La pièce principale et la pièce d’extrémité du flagelle aident à générer la forme d’onde qui permet le mouvement.
Motilité
La motilité est l’une des principales caractéristiques d’un spermatozoïde bien développé. Chez les mammifères, deux types de motilité physiologique ont été identifiés.
Ils comprennent :
Motilité activée – C’est le type observé dans les premiers stades de la motilité (dans l’épididyme ainsi que dans le sperme fraîchement éjaculé). Dans ce type de motilité, le flagelle du spermatozoïde bat doucement d’un côté à l’autre alors que la cellule se déplace le long de ce qui peut sembler être un chemin droit.
Motilité hyperactivée (hyperactivation) – La motilité hyperactivée est le deuxième type de motilité physiologique. Par rapport à la motilité activée, ce type de motilité se produit est dans l’appareil reproducteur féminin (site de fécondation).
La motilité hyperactivée est également plus erratique, le flagelle décrivant une forme d’onde symétrique et de plus faible amplitude. En raison du modèle erratique de mouvement dans la motilité hyperactivée, plus d’énergie est utilisée pour le mouvement.
* La motilité hyperactivée sert à empêcher le spermatozoïde d’être piégé, à le propulser dans l’appareil reproducteur (de la femelle) ainsi qu’à améliorer la pénétration du spermatozoïde dans l’ovule (oocyte).
* La motilité n’est possible que si le flagelle est bien développé et pleinement fonctionnel et si la cellule dispose d’une source d’énergie pour soutenir le mouvement.
Il a été démontré que les cellules du sperme nagent à une vitesse moyenne de 3 mm par minute.
Asonème et mécanisme moléculaire de la motilité
L’axoneme est le brin central de la queue (flagelle). C’est l’une des principales structures du flagelle et il est communément appelé le moteur de motilité. L’axonème est constitué de structures appelées doublets de microtubules (contenant de la dynéine axonémale interne et externe) et d’une paire centrale (structure 9+2) et s’étend de la pièce de connexion de la queue à la pièce d’extrémité.
A l’intérieur du flagelle, les microtubules (neuf doublets de microtubules) sont reliés par des liaisons nexines. De plus, ils sont reliés à la paire centrale par des rayons radiaux. Ces projections (rayons radiaux) jouent également un rôle important d’alignement des microtubules autour de la paire centrale.
Lors du mouvement, la dynéine dans les microtubules provoque le glissement du microtubule par rapport aux microtubules adjacents, ce qui favorise la motilité. Grâce à l’énergie fournie par les mitochondries (énergie ATP), l’axonème se déplace vers la base du flagelle, ce qui provoque le glissement du microtubule vers le bas.
Etant donné que les microtubules sont reliés à la pièce de connexion située derrière la tête, il existe une certaine résistance au mouvement qui provoque à son tour la flexion du flagelle. Par cette action, le flagelle forme une courbure en forme de fouet.
Le mouvement, cependant, est favorisé par plusieurs autres actions qui incluent :
- Détachement de la dynéine d’un microtubule adjacent
- Des processus ont lieu sur un côté de l’axonème
Adaptations des spermatozoïdes
- Corps profilé – Le spermatozoïde a un corps profilé qui lui permet de se déplacer rapidement pour atteindre l’ovule cible. Par exemple, la tête a un apex effilé qui permet de réduire la traînée lorsque la cellule se déplace dans l’appareil reproducteur féminin.
- Mitochondries serrées – La pièce centrale d’un spermatozoïde porte environ 70 mitochondries, qui sont la source d’énergie (ATP). Cela fournit l’énergie suffisante nécessaire à la propulsion lorsque la cellule se déplace vers le gamète femelle. La mitochondrie des spermatozoïdes est éliminée une fois que la tête du spermatozoïde pénètre dans l’ovule.
- Amines basiques – Le sperme contient un certain nombre d’amines basiques comme la cadavérine et la spermine entre autres. Ces amines sont responsables de la nature alcaline (légèrement basique) du sperme qui protège les spermatozoïdes. Étant donné que le canal vaginal est acide, les amines protègent l’ADN de la dénaturation, favorisant ainsi la réussite de la fécondation. Voir plus sur les amines.
- Acrosome – Comme déjà mentionné, l’acrosome joue un rôle important dans la chimiotaxie pour identifier le gamète femelle cible et contient des enzymes lysosomales qui dégradent la membrane épaisse de l’ovule. L’acrosome contribue donc à favoriser la fécondation.
Nanostructure en spirale
Récemment, des chercheurs de l’Université de Göteborg ont découvert une nanostructure en spirale située à l’intérieur des microtubules à l’extrémité du flagelle.
Mesurant environ un dixième de la queue, la structure est suggérée comme servant de bouchon à l’intérieur des microtubules qui les empêche de croître et de rétrécir.
Microscopie
La microscopie est l’une des méthodes utilisées dans l’analyse. En utilisant une simple procédure de montage humide, il est possible d’observer la morphologie, la population ainsi que le mouvement des spermatozoïdes au microscope.
Requêtes
- Un microscope composé (microscope à contraste de phase ou microscope à contraste interférentiel différentiel)
- Échantillon de sperme
- Diluant chaud ou solution saline tamponnée
- Lame de microscope (préchauffée)
- Couvre-objet
Procédure
- Diluer l’échantillon dans du sérum physiologique tamponné ou de l’extender chaud
- À l’aide d’une pipette, déposer environ 20 ul du mélange sur la lame de verre du microscope (un verre préchauffé offre des conditions favorables à l’échantillon)
- Utilisant une lamelle couvre-objet, recouvrir délicatement l’échantillon en abaissant la lamelle couvre-objet en biais afin d’éliminer les bulles d’air
- Monter et visualiser la lame au microscope en commençant par une faible puissance
* Grâce à cette technique, il est possible de visualiser la morphologie générale des spermatozoïdes ainsi que leur motilité.
* Cette technique particulière est recommandée pour observer les spermatozoïdes vivants et leur motilité.
* Les microscopes à contraste de phase ou à contraste interférentiel différentiel offrent un bon contraste qui permet de reconnaître les spermatozoïdes au microscope.
La coloration
Par rapport à un montage humide (qui est moins susceptible de causer des dommages aux cellules) la coloration permet une meilleure différenciation permettant ainsi de visualiser différentes régions du spermatozoïde. Le problème de cette technique est toutefois qu’elle tue les spermatozoïdes.
Procédure
- À l’aide d’un coton-tige, préparez un frottis dilué sur une lame de verre transparente
- plongez la lame dans un fixateur pendant environ 5 minutes pour fixer le frottis
- À l’aide d’une plaque chauffante, sécher le frottis pendant environ 15 minutes à environ 37 degrés Celsius
- Tirer la lame dans l’eau du robinet puis la plonger dans la coloration A (Spermac A) pendant environ une minute
- Tirer la lame dans l’eau puis la plonger dans la coloration B (Spermac B) pendant environ une minute
- Tirer la lame dans l’eau puis la plonger dans la coloration C (Spermac C) pendant environ une minute
- Laver la lame en la plongeant dans l’eau du robinet et laisser sécher la lame pendant environ 12 heures
- Monter la lame et observer en immersion dans l’huile sous haute puissance
Observation
La coloration permet de reconnaître clairement toutes les parties du spermatozoïde. Ici, il est également possible d’identifier les éventuels défauts du spermatozoïde
* Les spermatozoïdes apparaissent en rouge tandis que l’acrosome, la pièce centrale et la queue apparaissent en vert.
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Christopher J. De Jonge et Christopher L. R. Barratt. (2017). La cellule du spermatozoïde : production, maturation, fécondation, régénération.
Damayanthi Durairajanayagam et autres…. (2015). La biologie des spermatozoïdes de la production à l’éjaculation. ResearchGate.