La reproduction sexuée des Mammifères

Résumé en cinq points

Notions et mécanismes

Un cycle à une seule génération

Chez les Mammifères, l'individu est diploïde pendant toute sa vie. Certaines cellules de la lignée germinale, situées dans les gonades, subissent une méiose qui produit des cellules haploïdes. Ces cellules ne se divisent pas ensuite, elles se différencient en gamètes. La fécondation restaure aussitôt la diploïdie.

La phase haploïde est donc brève et réduite à une cellule isolée. Il n'y a pas de gamétophyte. C'est la différence fondamentale avec les Embryophytes, et il faut la formuler ainsi, en termes de générations, et non en termes de ploïdie seulement.

La gamétogenèse est l'ensemble des processus qui conduisent d'une cellule germinale diploïde à un gamète. Elle associe toujours deux composantes, une méiose qui réduit le nombre de chromosomes, et une différenciation qui donne au gamète sa forme et ses fonctions.

La gonade mâle et la spermatogenèse

Le testicule est formé de tubes séminifères très contournés, séparés par un tissu interstitiel richement vascularisé. Sur une coupe histologique, on voit donc des sections de tubes, arrondies ou ovales, et entre elles des amas de cellules interstitielles.

La paroi de chaque tube est un épithélium séminifère. Il contient deux catégories de cellules. Les cellules germinales, organisées en couches concentriques, sont d'autant plus avancées dans la spermatogenèse qu'elles sont proches de la lumière du tube. À la périphérie se trouvent les cellules souches diploïdes. Plus en dedans, de grandes cellules diploïdes engagées dans la première division de méiose. Puis des cellules haploïdes issues de cette division. Puis de petites cellules haploïdes rondes en cours de différenciation. Enfin, dans la lumière, des spermatozoïdes dont on aperçoit surtout les flagelles. Les cellules de soutien, hautes et étalées entre les cellules germinales, assurent leur nutrition et isolent le compartiment où se déroule la méiose.

Le tissu interstitiel contient les cellules productrices de l'hormone sexuelle mâle.

La lecture d'une coupe suit donc toujours le même chemin, de la périphérie du tube vers sa lumière, ce qui revient à lire la chronologie de la spermatogenèse dans l'espace.

La production des spermatozoïdes est continue à partir de la puberté. Les cellules souches se divisent en permanence, et les différents stades coexistent dans un même tube. Les ordres de grandeur sont considérables, avec une production quotidienne de l'ordre de la centaine de millions de spermatozoïdes chez un Mammifère de grande taille, et une durée de plusieurs dizaines de jours pour qu'une cellule souche donne un spermatozoïde.

La gonade femelle et l'ovogenèse

L'ovaire comporte une zone périphérique où se trouvent les follicules ovariens et une zone centrale richement vascularisée. Un follicule est l'ensemble formé par un ovocyte et les cellules qui l'entourent.

Sur une coupe, on repère des follicules à différents stades de développement, ce qui permet de reconstituer leur évolution. Les plus jeunes sont très petits et se réduisent à un ovocyte entouré d'une seule couche de cellules aplaties. Les suivants montrent une couche de cellules cubiques, puis plusieurs couches. Les stades avancés se caractérisent par l'apparition d'une cavité remplie de liquide qui grandit et repousse l'ovocyte sur le côté. Le follicule mûr est une grosse structure faisant saillie à la surface de l'ovaire. Après l'ovulation, les cellules restées dans l'ovaire se réorganisent en une glande temporaire. Beaucoup de follicules n'atteignent jamais le stade final et dégénèrent.

La production des ovocytes est cyclique, et non continue. Les cellules germinales entrent en méiose avant la naissance, puis la méiose se bloque. Le stock de cellules est constitué une fois pour toutes. Après la puberté, à chaque cycle, un très petit nombre de follicules poursuit son développement, et en général un seul aboutit à une ovulation. La méiose s'achève seulement si la fécondation a lieu. Cette production cyclique et parcimonieuse contraste terme à terme avec la production continue et massive de gamètes mâles.

Deux gamètes aux rôles complémentaires

Le spermatozoïde est une cellule très petite et très spécialisée dans le déplacement. Sa tête contient un noyau haploïde à chromatine extrêmement condensée, coiffé d'une vésicule, l'acrosome, remplie d'enzymes hydrolytiques. Une pièce intermédiaire concentre les mitochondries qui fournissent l'énergie. Un flagelle, construit autour d'un axonème de microtubules, assure la propulsion. Le cytoplasme a été presque entièrement éliminé au cours de la différenciation. Un spermatozoïde de Mammifère mesure quelques dizaines de micromètres de long, dont une tête de l'ordre de 5 micromètres.

L'ovocyte est une très grande cellule immobile, de l'ordre de 100 micromètres de diamètre. Son cytoplasme abondant contient des réserves, des ARN et des protéines d'origine maternelle qui serviront aux premières étapes du développement, ainsi que les mitochondries du futur embryon. Sous la membrane plasmique se trouvent des vésicules, les granules corticaux. L'ovocyte est entouré d'une enveloppe glycoprotéique, la zone pellucide, elle-même entourée de cellules folliculaires.

La comparaison des apports au zygote est explicitement demandée. Les deux gamètes apportent chacun un lot haploïde de chromosomes, donc une contribution génétique nucléaire équivalente. Tout le reste est asymétrique. Le gamète femelle apporte la quasi-totalité du cytoplasme, les réserves, les constituants de la machinerie cellulaire et les mitochondries, donc l'ADN mitochondrial, transmis par la voie maternelle. Le gamète mâle apporte, outre son noyau, le centrosome qui organisera le fuseau des premières divisions. Sa spécialisation est celle du déplacement et de la pénétration.

Le rapprochement des gamètes et les contraintes du milieu

La reproduction sexuée impose que deux gamètes se rencontrent. Chez les Mammifères, le rapprochement associe un comportement de rapprochement des partenaires, une fécondation interne, puis un déplacement orienté des spermatozoïdes dans les voies femelles. Ce déplacement est guidé par chimiotactisme, c'est-à-dire par l'orientation de la nage selon un gradient de molécules émises au voisinage de l'ovocyte.

La comparaison exigible est celle d'un Mammifère réalisant une parade nuptiale et de la moule. La moule vit en milieu aquatique, les sexes sont séparés, et les gamètes sont émis directement dans l'eau où la fécondation est externe. L'eau assure le transport des gamètes, mais la dilution est énorme et la mortalité considérable. La réponse est quantitative, avec l'émission de très grands nombres de gamètes, une synchronisation des émissions, l'absence de soins et un développement passant par une larve planctonique.

Chez un Mammifère, le milieu aérien interdit toute émission libre de gamètes, qui seraient déshydratés. La fécondation est donc interne. Le rapprochement des partenaires est assuré par un comportement, la parade nuptiale, qui remplit deux fonctions, la reconnaissance intraspécifique et la synchronisation. Le nombre de descendants est faible, leur taille relative importante, et ils bénéficient de soins prolongés, gestation puis allaitement.

Ces deux ensembles de traits illustrent les stratégies démographiques. La stratégie r privilégie un nombre très élevé de descendants peu coûteux, avec une forte mortalité, ce qui est avantageux dans un milieu instable ou peu saturé. La stratégie K privilégie un petit nombre de descendants fortement investis, avec une bonne probabilité de survie, ce qui est avantageux dans un milieu stable et saturé où la compétition est forte.

La fécondation

La fécondation se déroule en étapes ordonnées.

La reconnaissance vient d'abord. Des protéines de la membrane du spermatozoïde se lient à des glycoprotéines de la zone pellucide de l'ovocyte. Cette liaison est spécifique. Elle n'est efficace qu'entre gamètes de la même espèce, ce qui constitue une barrière moléculaire à la fécondation interspécifique. C'est le seul processus que le programme demande de détailler au niveau moléculaire.

Cette fixation déclenche la réaction acrosomique. L'acrosome fusionne avec la membrane plasmique de la tête du spermatozoïde et libère ses enzymes. Celles-ci digèrent localement la zone pellucide et ouvrent un passage. Le spermatozoïde progresse, aidé par le battement de son flagelle, jusqu'au contact de la membrane plasmique de l'ovocyte.

Vient ensuite la fusion des membranes des deux gamètes, qui fait entrer le noyau du spermatozoïde dans le cytoplasme ovocytaire.

Des processus limitent alors la polyspermie, c'est-à-dire l'entrée de plusieurs spermatozoïdes, qui donnerait un zygote polyploïde non viable. Le principal est la réaction corticale. Les granules corticaux déversent leur contenu entre la membrane plasmique et la zone pellucide, ce qui modifie chimiquement cette dernière. La zone pellucide devient alors incapable de fixer de nouveaux spermatozoïdes et résistante à leur pénétration.

L'entrée du spermatozoïde déclenche enfin l'achèvement de la méiose ovocytaire, bloquée jusque-là. Les deux lots haploïdes de chromosomes, maternel et paternel, sont réunis au sein de la même cellule, ce que l'on nomme amphimixie, puis ils se rassemblent lors de la première division du zygote.

Diversité génétique, tri allélique et sélection

La formation du zygote restaure le caryotype de l'espèce. Ce zygote porte une combinaison allélique unique, produite par trois processus successifs, les deux brassages de la méiose et l'association aléatoire de deux gamètes.

Le programme signale que la fécondation s'accompagne d'un tri allélique. Sur les très nombreux spermatozoïdes émis, une fraction infime parvient au contact de l'ovocyte. Ce filtrage n'est pas toujours neutre, car des caractères du gamète, sa mobilité ou ses protéines de surface, dépendent du génome de l'individu producteur. La composition allélique des zygotes n'est donc pas nécessairement le reflet exact de celle des gamètes produits, ce qui influe sur les processus de diversification.

Enfin, les pratiques de sélection agronomique exploitent la connaissance des génomes des espèces domestiquées. Sur un seul exemple, celui de l'élevage bovin, on peut décrire la démarche. Des reproducteurs sont évalués à partir de marqueurs génétiques associés à des caractères d'intérêt, les meilleurs sont choisis, et leur descendance est très largement diffusée grâce à l'insémination artificielle. Le gain de productivité s'accompagne d'une réduction de la diversité génétique des populations d'élevage, ce qui constitue la limite de la méthode.

Exemples et organismes de référence

Une coupe de testicule de Mammifère montre, à faible grossissement, des tubes séminifères séparés par du tissu interstitiel, et, à fort grossissement, la succession des stades de la périphérie vers la lumière. Le diamètre d'un tube séminifère est de l'ordre de 150 à 250 micromètres.

Une coupe d'ovaire montre des follicules de tailles très différentes, depuis quelques dizaines de micromètres pour les plus jeunes jusqu'à plusieurs millimètres pour un follicule mûr.

Une électronographie de spermatozoïde permet de repérer l'acrosome, le noyau condensé, les mitochondries de la pièce intermédiaire et la coupe transversale de l'axonème avec ses doublets de microtubules.

La moule sert d'exemple contrasté, avec une fécondation externe en milieu marin et une production de gamètes de plusieurs millions par individu et par saison.

Méthodes et savoir-faire

Interpréter une coupe de gonade. La méthode consiste à identifier d'abord la structure d'ensemble, tubes pour le testicule, follicules pour l'ovaire, puis à utiliser la taille et la position des cellules pour les nommer, enfin à relier cette organisation à la fonction, production continue et massive d'un côté, maturation cyclique et sélective de l'autre.

Repérer les cellules reproductrices à partir de critères simples, taille de la cellule, taille et aspect du noyau, position dans l'épithélium ou dans le follicule.

Relier l'organisation d'un gamète à son rôle, en argumentant structure par structure. Le flagelle et les mitochondries assurent la mobilité, l'acrosome la traversée de l'enveloppe ovocytaire, la condensation du noyau la réduction de l'encombrement, le cytoplasme abondant de l'ovocyte l'approvisionnement des premières divisions.

Mettre en relation les modalités de reproduction et les contraintes du milieu, en construisant un tableau à double entrée, milieu aquatique et milieu aérien, avec les critères lieu de la fécondation, nombre de gamètes, rencontre des partenaires, soins aux jeunes, mortalité.

Analyser des croisements chez les Mammifères en appliquant la méthode générale de la génétique formelle. Identifier les allèles dominants, récessifs ou codominants d'après la première génération, puis utiliser un croisement test pour trancher entre gènes indépendants et gènes liés d'après les proportions phénotypiques obtenues. Évaluer enfin la diversité génétique créée en dénombrant les combinaisons possibles.

Ce qu'il faut savoir mobiliser en colle et à l'écrit

1. Le schéma d'interprétation d'une coupe de tube séminifère, avec la succession des stades de la périphérie vers la lumière et les cellules de soutien.
2. Le schéma d'un ovaire montrant simultanément plusieurs stades folliculaires, et le lien avec le caractère cyclique de l'ovogenèse.
3. Le schéma comparé des deux gamètes, à la même échelle, avec les légendes complètes et le tableau des apports respectifs au zygote.
4. La chronologie de la fécondation en cinq temps, reconnaissance, réaction acrosomique, fusion, blocage de la polyspermie, amphimixie.
5. L'argumentaire sur la spécificité intraspécifique de la fécondation, fondé sur la liaison entre protéines du spermatozoïde et glycoprotéines de la zone pellucide.
6. Le tableau r et K appliqué au couple Mammifère et moule, avec justification par les contraintes du milieu.
7. Piège fréquent, écrire que l'ovocyte est passif. Il porte la zone pellucide qui sélectionne, il déclenche la réaction corticale et il fournit tout le matériel des premières divisions.
8. Piège fréquent, parler de génération haploïde chez un Mammifère. Il n'existe qu'une génération, la phase haploïde se limitant aux gamètes.

Notions et mécanismes clés

• Génération : phase du cycle formée d'individus pluricellulaires. Chez un Mammifère, il y en a une seule, diploïde. Les gamètes sont des cellules isolées et non une génération.
• Gamétogenèse : méiose et différenciation d'une cellule germinale diploïde en gamète. Elle se déroule dans une gonade.
• Lignée germinale mâle, de la périphérie du tube vers la lumière : spermatogonie diploïde, spermatocyte I diploïde en méiose I, spermatocyte II haploïde, spermatide haploïde, spermatozoïde.
• Cellule de Sertoli : cellule de soutien de l'épithélium séminifère. Elle nourrit les cellules germinales. Ses jonctions serrées forment une barrière entre le compartiment basal et le compartiment de la méiose.
• Cellule de Leydig : cellule interstitielle, proche des capillaires, productrice de testostérone.
• Lignée germinale femelle : ovogonie, puis ovocyte I bloqué en prophase de méiose I dès la vie fœtale. Chez la plupart des Mammifères, l'ovocyte est ovulé au stade ovocyte II, bloqué en métaphase II.
• Stades folliculaires : follicule primordial, avec une couche de cellules aplaties. Follicule primaire, avec une couche de cellules cubiques et une zone pellucide naissante. Follicule secondaire, avec plusieurs couches de granulosa et une thèque. Follicule cavitaire, avec un antrum. Follicule mûr, avec un cumulus qui porte l'ovocyte.
• Corps jaune : glande temporaire formée après l'ovulation par les cellules folliculaires restées dans l'ovaire. Il sécrète de la progestérone.
• Atrésie : dégénérescence d'un follicule avant l'ovulation. C'est le devenir de l'immense majorité des follicules.
• Globule polaire : petite cellule sans avenir, émise à chaque division de méiose ovocytaire. La méiose femelle est asymétrique et ne donne qu'un gamète.
• Capacitation : maturation du spermatozoïde dans les voies génitales femelles. Elle le rend capable de réaliser la réaction acrosomique. Le terme peut être cité, le mécanisme n'est pas exigible.
• Chimiotactisme : orientation de la nage selon un gradient de molécules émises près de l'ovocyte.
• Zone pellucide : enveloppe de glycoprotéines, notées ZP1 à ZP3 chez la souris et ZP1 à ZP4 chez l'Homme. Elle porte les sites de reconnaissance intraspécifique.
• Réaction acrosomique : exocytose de l'acrosome déclenchée par la fixation à la zone pellucide. Elle libère des enzymes qui digèrent un passage.
• Réaction corticale : exocytose des granules corticaux après la fusion. Elle modifie la zone pellucide, qui ne fixe plus de spermatozoïdes. C'est la réaction zonale.
• Amphimixie : réunion dans une même cellule des lots haploïdes paternel et maternel. Chez les Mammifères, les deux pronucléus ne fusionnent pas. Leurs chromosomes se rassemblent sur le fuseau de la première mitose.
• Tri allélique : écart entre la composition allélique des gamètes produits et celle des zygotes formés.
• Stratégie r et stratégie K : deux pôles d'un continuum d'allocation des ressources, soit beaucoup de descendants peu investis, soit peu de descendants très investis.

Chaînes de raisonnement

Lire une coupe comme une chronologie. Dans le tube séminifère, les cellules les plus jeunes sont contre la lame basale et les plus avancées bordent la lumière. Un rayon du tube représente donc le déroulement de la spermatogenèse dans le temps. Tous les stades coexistent dans une même section, ce qui prouve une production continue.

Pourquoi la production mâle est continue et la production femelle limitée. Chez le mâle, les spermatogonies se renouvellent par mitose toute la vie adulte. Le stock n'est donc jamais épuisé. Chez la femelle, les ovogonies ont cessé de se diviser avant la naissance, et le stock d'ovocytes I ne fait que décroître par ovulation et surtout par atrésie.

De la structure du gamète à son rôle. Le spermatozoïde doit parcourir une longue distance puis franchir des enveloppes. D'où le flagelle, les mitochondries de la pièce intermédiaire, l'acrosome et un noyau condensé qui allège la tête. L'ovocyte doit soutenir les premières divisions sans apport extérieur. D'où ses réserves, ses ARN maternels et ses mitochondries, et il porte la zone pellucide qui trie les spermatozoïdes.

Une seule fécondation par ovocyte. La fixation à la zone pellucide déclenche la réaction acrosomique, qui ouvre un passage. La fusion déclenche la réaction corticale, qui modifie la zone pellucide. Le même support, la zone pellucide, sert donc d'abord à accepter puis à refuser. Cela garantit la diploïdie du zygote.

Du milieu de vie à la stratégie. En milieu aquatique, l'eau transporte des gamètes libres mais les dilue. La réponse est le nombre, avec une fécondation externe, des millions de gamètes, une larve planctonique et une forte mortalité, soit une stratégie de type r. En milieu aérien, les gamètes libres se dessécheraient. D'où une fécondation interne, qui exige un rapprochement des partenaires, puis un investissement fort dans peu de descendants, soit une stratégie de type K.

Du croisement à la diversité. Chaque parent produit des gamètes variés grâce au brassage interchromosomique et au brassage intrachromosomique. La fécondation associe au hasard deux de ces gamètes, ce qui multiplie les combinaisons. Le tri allélique et la sélection artificielle peuvent ensuite réduire la diversité effectivement transmise.

Exemples et références à connaître

1. Spermatogenèse : environ 64 à 74 jours chez l'Homme selon les estimations, de l'ordre de 60 jours chez le taureau. Tube séminifère de 150 à 250 micromètres de diamètre.
2. Stock folliculaire humain : de l'ordre d'un à deux millions de follicules à la naissance, quelques centaines de milliers à la puberté, environ 400 à 500 ovulations dans une vie. Presque tout le reste est perdu par atrésie.
3. Éjaculat humain : de l'ordre de la centaine de millions de spermatozoïdes. Seules quelques centaines parviennent dans l'ampoule de la trompe, près de l'ovocyte. C'est l'ordre de grandeur du tri.
4. Ovocyte de hamster sans zone pellucide : il fusionne avec des spermatozoïdes humains, alors que l'ovocyte entier les refuse. C'est l'argument classique qui localise la barrière d'espèce dans la zone pellucide.
5. Modèle de la souris : les glycoprotéines de la zone pellucide ont été identifiées chez cet animal. Le modèle classique fait de ZP3 le site de fixation et le déclencheur de la réaction acrosomique. Des travaux plus récents donnent un rôle central à ZP2. À l'écrit, on interprète les documents fournis sans trancher au-delà.
6. Haplotype t de la souris : un mâle hétérozygote transmet la version t à la grande majorité de ses descendants, jusqu'à plus de 90 %, au lieu de 50 %. C'est un exemple spectaculaire de distorsion de ségrégation, donc de tri allélique au niveau des gamètes.
7. La moule, Mytilus : sexes séparés, émission synchrone de plusieurs millions d'ovocytes par femelle et par saison, fécondation dans l'eau, larve véligère planctonique pendant plusieurs semaines.
8. Un Mammifère à parade, le cerf élaphe : rut automnal avec brame et affrontements entre mâles, un seul faon après environ huit mois de gestation, allaitement prolongé.
9. La vache laitière de race Holstein : sélection génomique des taureaux sur marqueurs, diffusion de leur semence par insémination artificielle. Un seul taureau peut avoir des dizaines de milliers de descendants, et l'effectif génétique efficace de la race est très faible au regard de son effectif réel.
10. Diversité chez l'Homme : 23 paires de chromosomes, soit 2 puissance 23, environ 8,4 millions de gamètes différents par le seul brassage interchromosomique. Un couple peut ainsi produire environ 7 × 10¹³ combinaisons de zygotes, avant tout crossing-over.

Techniques

Interpréter une coupe de gonade

Réflexe en quatre temps. Nommer l'organe et le grossissement. Identifier l'unité fonctionnelle, tube ou follicule. Nommer les cellules d'après trois critères, la taille de la cellule, l'aspect du noyau et la position. Conclure sur le mode de production.

Mini-exemple. Dans un tube, une assise de petites cellules à noyau dense est contre la lame basale. Plus en dedans, de grosses cellules ont une chromatine en filaments. Plus près de la lumière, de petites cellules rondes sont nombreuses. On nomme spermatogonies, spermatocytes I et spermatides. On note que les spermatocytes II sont rares, car la méiose II est très brève. Conclusion : tous les stades sont présents, la production est continue.

Le schéma bilan de la fécondation

Cinq cases en ligne, avec un spermatozoïde et l'ovocyte entouré de sa zone pellucide. Case 1, fixation d'une protéine du spermatozoïde sur une glycoprotéine de la zone. Case 2, acrosome ouvert et passage digéré. Case 3, membranes fusionnées. Case 4, granules corticaux vidés et zone modifiée, avec un second spermatozoïde qui ne se fixe plus. Case 5, deuxième globule polaire, deux pronucléus puis fuseau commun. Chaque flèche porte un verbe de causalité : déclenche, permet, empêche.

Analyser un croisement

Méthode. Partir de lignées pures. Lire la F1 : phénotype d'un seul parent, l'allèle est dominant. Phénotype intermédiaire, la dominance est incomplète. Présence des deux phénotypes parentaux à la fois, les allèles sont codominants. Réaliser ensuite un croisement test de la F1 par un double homozygote récessif. Quatre classes égales indiquent des gènes indépendants. Deux classes parentales majoritaires indiquent des gènes liés.

Mini-exemple. Un croisement test donne 48 %, 2 %, 3 % et 47 %. Les classes parentales dominent nettement, les gènes sont liés. Le taux de recombinaison vaut 5 %.

Construire le tableau comparatif milieu aquatique et milieu aérien

Colonnes : moule et Mammifère. Lignes : lieu de la fécondation, nombre de gamètes, mode de rencontre, synchronisation, taille et nombre des descendants, soins, mortalité juvénile, stratégie. Une dernière ligne donne la contrainte du milieu qui explique chaque différence. Sans cette ligne, le tableau n'est qu'un catalogue.

Le plan de synthèse

Le sujet porte souvent sur une tension. Continuité et diversité, spécificité et rencontre, quantité et investissement. Gabarit : produire les gamètes, les rapprocher, les unir, puis les conséquences génétiques et écologiques. Chaque partie doit contenir au moins un schéma et un argument issu d'une observation.

Sujets classiques traités

Choisis ton niveau. Difficulté indicative ; les exercices qui se suivent restent dans l'ordre.

Erreurs fréquentes