PLAN: Méiose
Méiose
- Introduction.
- La Maturation épididymaire du spermatozoïde (fécondance du spermatozoïde).
Introduction
La méiose • La méiose intervient lors de la reproduction sexuée. Elle fait intervenir une alternance cyclique de cellules diploïdes et haploïdes. Les cellules germinales souches uniquement vont se diviser par mitose puis par méiose pour former des cellules haploïdes. Ces cellules haploïdes vont fusionner pour restaurer la diploïdie lors de la fécondation. Les spermatogonies ou ovogonies se divisent par mitose puis par méiose. • La méiose est une étape fondamentale située entre la génétique (brassage des gènes et des chromosomes qui permet la diversité génétique d’une espèce*) et la reproduction (la fécondation va restaurer la diploïdie et créer une descendance différente des parents). • * pas les individus car il y a aussi des phénomènes épigénétique. Par exemple les jumeaux sont génétiquement identiques mais sont différents par des modifications in et post utéro lors de la vie des individus. Donc on dit plutôt que la méiose assure la diversité génétique de l’espèce. • Dans l’espèce humaine : - les cellules diploïdes possèdent 2nADN et 46K - les cellules haploïdes possèdent n ADN et 23K • La découverte du processus méiotique est ancienne : Edouard Van Beneden au XIXème avait constaté une incohérence entre le phénomène de la fécondation et le nombre de chromosomes contenus dans nos cellules. Il étudie une espèce de vers parasite (Ascaris) et constate que le noyau des cellules sexuelles contient deux fois moins de chromosomes que le noyau des cellules germinales. • Il met ainsi en évidence la réduction chromosomique ou chromatique ou division réductionniste. Cette réduction est confirmée plus tard, au début du XXème siècle par Farmer et Moore qui donnent le nom de Méiose à ce processus de réduction chromatique (meiosis = réduction, en grec). Farmer et Moore parlent aussi de l’appariement des chromosomes au cours de la méiose. • La méiose est un processus de division cellulaire spécifique des cellules de la lignée germinale (donc pas dans les cellules somatiques). Ce processus est caractérisé par : - une seule synthèse d’ADN - donc une seule réplication des chromosomes - précédant deux divisions cellulaires • La méiose permet la création de cellules haploïdes et est située entre génétique et reproduction. On a 1 réplication puis 2 divisions. Ses objectifs sont triples : - assurer la réduction du nombre de chromosomes et du nombre d’ADN (2n n) en passant par 4n. On ne commence pas par 4n. - la transmission de l’information génétique - assurer le brassage génétique par recombinaisons génétiques (crossing-over) et par ségrégation aléatoire des chromosomes homologues. • La méiose permet la diversification génétique de l’espèce. Elle intervient lors du processus d’élaboration des gamètes (au cours de la spermatogenèse chez l’homme et de l’ovogenèse chez la femme : c’est la gamétogénèse) avec division des cellules germinales : ce sont les ovogonies (femmes) et les spermatogonies (hommes) qui vont entrer en méiose : ce sont des cellules diploïdes de 46 chromosomes et 2n ADN. • Théoriquement : une cellule-mère donne 4 cellules filles qui sont des cellules haploïdes à 23 chromosomes et n ADN. • Chez l’homme, une spermatogonie donne 4 spermatides et in fine 4 spermatozoïdes. • Chez la femme, une ovogonie donne une seule cellule fille mature : un ovocyte II (visible qu’au cours de la fécondation) • La mitose est un processus de division des cellules somatiques (toutes les cellules en dehors des cellules germinales) sachant que les spermatogonies et les ovogonies se divisent aussi par mitose. Certaines d’entre elles se divisent même par méiose. • Au cours de la mitose, une cellule-mère diploïde (ADN = 2n) donne 2 cellules filles diploïdes (ADN = 2n). La mitose associe plusieurs phases où l’on va cependant toujours garder la diploïdie: - prophase - métaphase - anaphase - télophase On retrouve ces étapes lors de la méiose. Une cellule germinale possède 46 chromosomes et ces chromosomes sont rangés par paires : - 23 chromosomes sont d’origine paternelle - 23 chromosomes sont d’origine maternelle • Le processus méiotique fait intervenir des échanges de gènes et un brassage chromosomique entre les chromosomes de nos parents. La méiose de nos propres chromosomes sera effectuée dans les gonades de nos enfants. • Dans une cellule somatique diploïde, les chromosomes sont organisés par paire : - 22 paires d’autosomes homologues (classés en fonction de leur taille, leur bras court et long, de la position de leur centromère) - une paire de chromosomes sexuels : X et Y qui ne sont pas strictement homologues ou XX • Au cours de la métaphase, chaque chromosome a deux chromatides réunis au centre par le centromère. A chaque extrémité des chromatides, il y a des structures que l’on appelle télomère • Les chromosomes homologues sont les chromosomes d’une même paire, qui ont une même longueur, une même position du centromère et portant des gènes déterminant les mêmes traits génétiques. • Un chromosome métaphasique correspond à 2 chromatides réunies par un centromère (séquence d’ADN qui n’est pas une véritable structure morphologique) et donc avec 4 télomères (valable pour le chromosome X chez la femme mais pas chez les l’homme car le chromosome X et le chromosome Y ne sont pas homologues sauf sur PAR I). • La méiose comporte deux divisions méiotiques : - La Méiose I est dite réductionnelle : caractérisée par la réduction du nombre de chromosomes qui s’effectue sans séparation ou clivage des centromères des chromosomes. On perd la diploïdie car il y a séparation des chromosomes homologues. - La Méiose II est dite équationnelle : caractérisée par la conservation du nombre de chromosomes qui passe par une étape de séparation des chromatides sœurs par séparation ou clivage des centromères, comme au cours d’une mitose somatique conventionnelle. • La méiose I est la plus importante : elle occupe la presque totalité (90 %) de la méiose. • Cette première division méiotique est précédée par une réplication de l’ADN qui va permettre l’entrée en méiose. Lors de la méiose réductionnelle il y a la perte de la diploïdie. • Les 2 chromatides sœurs proviennent d’un même chromosome et sont reliées par un centromère et les chromatides non sœurs sont les chromatides du chromosome homologue. • D’abord, les spermatogonies et les ovogonies vont se diviser par mitose (multiplication des spermatogonies et des ovogonies) puis, à un moment, on va avoir une dernière réplication de l’ADN qui va permettre l’entrée en méiose : cette réplication conduit à des cellules à 46 chromosomes et une quantité de 4nADN. Cette réplication de l’ADN intervient durant une interphase pré-méiotique : le stade préleptotène. Il y a donc une seule réplication de l’ADN qui intervient durant le stade préleptotène. Cette dernière réplication est plus lente que dans les cellules somatiques ordinaires. • Les chromosomes vont se dupliquer et vont apparaître à ce stade sous la forme de 2 chromatides sœurs à 4 télomères. Cette réplication est plus lente que celle des mitoses ordinaires car les points d’initiation de la réplication de l’ADN sembleraient plus réduits que durant une mitose classique. • Evolution de la quantité d’ADN au cours de la méiose : on part d’une cellule diploïde monochromatidienne 2n ADN et 46 chromosomes puis une cellule diploïde bichromatidienne 4n ADN (2n chromosomes) et 46 chromosomes après la réplication jusqu’à la méiose I à la fin de laquelle on tombe à des cellules haploïdes bichromatidiennes 2n ADN et 23 chromosomes et après la méiose II, on a des cellules haploïdes monochromatidiennes n ADN et 23 chromosomes. I. La prophase I • La prophase 1 est complexe. Elle se subdivise en 5 stades (Le Zizi du Pachyderme a des Dimensions Diaboliques) : - Leptotène - Zygotène - Pachytène +++ - Diplotène - Diacinèse • Au cours des 5 stades de la méiose I, on va voir des modifications, des migrations des chromosomes au sein du noyau. • Le stade pachytène est le plus important à la fois car c’est le plus long mais également par les événements de recombinaisons génétiques qui vont s’y dérouler. • Au cours de la prophase 1, les chromosomes homologues vont s’apparier. Il s’agit en fait de l’appariement, pour chaque paire, d’un chromosome d’origine paternelle et d’un chromosome d’origine maternelle.1) Stade leptotène : • Apparition et individualisation des chromosomes homologues • les chromosomes sont très déspiralisés et la chromatine va se décompacter au cours pendant le stade pré-méiotique. Pendant le stade leptotène, la chromatine commence à se condenser pour permettre l’individualisation des chromosomes homologues. • La chromatine apparaît comme un assemblage de fins filaments (= leptos, en grec). • Chaque chromosome homologue est constitué de 2 chromatides sœurs reliées par un centromère et avec 4 télomères. • Les chromosomes vont commencer à migrer à l’intérieur du noyau et vont avoir tendance à s’aligner à l’aide de l’élément axial pour rapprocher les séquences homologues. Ils vont se fixer par leur télomère au niveau de l’enveloppe nucléaire. • Les chromosomes commencent à adopter une conformation en bouquet c'est-à-dire qu’ils se rapprochent d’un pôle du noyau. 2) Stade zygotène : • Stade au cours duquel les chromosomes vont continuer à migrer et à se rassembler par leur télomère à un pôle du noyau où ils vont se fixer au niveau de l’enveloppe nucléaire. • On observe un début d’appariement des chromosomes homologues qui débute par les télomères. Il y a aussi une très faible synthèse d’ADN. • On commence à observer les complexes synaptonémaux qui vont permettre l’appariement des chromosomes homologues et le processus d’accolement et de fixation des chromosomes entre eux aussi appelé synapsis. Il y a mise en place des complexes synaptonémaux à partir des télomères vers les centromères. • La chromatine apparait comme une masse diffuse de filaments épais attachés au(x) nucléole(s). • La mise en place du complexe synaptonémal correspond à la mise en place de la fermeture éclair qui commence par les télomères pour aller vers le centromère • Le stade zygotène est un stade au cours duquel on va observer une synthèse d’ARN surtout au cours de la méiose ovocytaire : les chromosomes qui étaient condensés, vont se décondenser dans certaines régions pour permettre la synthèse des ARN. On aura des alternances de décondensation /recondensation pour permettre la synthèse d’ARN dans les régions d’intérêts 3) Stade pachytène : • Stade le plus long +++ • Les chromosomes sont étroitement et totalement appariés. Cet appariement physique entre les 4 chromatides sœurs ou non sœurs des chromosomes homologues est appelé synapsis qui n’est possible parce que le complexe synaptonémal est présent. • On observe des bivalents c'est-à-dire 2 chromosomes homologues appariés (22 bivalents autosomiques et une bivalent sexuel et chaque bivalent comporte 4nADN et 4 chromatides) ou des tétrades c'est-à-dire 4 chromatides appariées. Les complexes synaptonémaux relient les 4 chromatides entre elles. • A ce stade, ont lieu des recombinaisons génétiques ou crossing-over ou encore enjambements chromosomiques entre les 4 chromatides. • Au début de ce stade, il y a une spiralisation importante des chromosomes qui permet de les individualiser complétement. • La condensation des chromosomes est maximale. • La chromatine apparait sous forme d’un filament long et épais avec des zones identifiables bien que non régulières. La chromatine compactée n’apparaît pas régulière : on a des zones très condensées qui alternent avec des zones moins condensées ce qui forme les chromomères = des masses d’hétérochromatine condensée. • Les centromères sont des régions diffuses et peu colorées • Le marquage en bande G des bivalents de chromosomes est spontané et naturel (pas de dénaturation thermique ou enzymatique, une coloration au giemsa est suffisante pour les observer). La répartition des chromosomes est propre à chaque bivalent et permet d’identifier chaque bivalent. Spontanément, lorsque la chromatine se condense, on aboutit à un marquage en G spécifique de ces bivalents. La séquence des chromomères correspond à des bandes G des chromosomes somatiques en prométaphase ce qui permet de faire les caryotypes des chromosomes au stade pachytène des spermatocytes I (pas des ovocytes, car in utero). En prométaphase on a le marquage en bande G car les chromosomes sont un peu plus long qu’en métaphase. • La position des centromères, longueur ou séquence des chromomères est propre à chaque bivalent : ainsi on peut reconnaitre chaque bivalent facilement grâce à leur bandes G. • Chaque paire de bivalent ou tétrade est donc caractérisé par la position de son centromère, sa taille et la séquence des chromomères. • A ce stade, il y a une faible synthèse d’ADN (également au stade zygotène) qui correspond à une synthèse de réparation des chromosomes car il y a des cassures de la chromatine lors de la mise en place des complexes synaptonémaux. Sans réparation pas de recombinaison génétique et fragmentation des chromosomes. La synthèse d’ARN (activité transcriptionelle) est maximale. • Le stade pachytène est un stade extrêmement fragile : On aura des mutations ou des anomalies ou un arrêt de la méiose. • Ce stade est point de contrôle du processus méiotique : il permet d’éliminer les cellules qui présentent des anomalies majeures des chromosomes (défaut d’appariement, cassures, anomalies de la réparation) ce qui réduit les risques de produire des gamètes anormaux. Ce processus de « checkpoint » peut s’activer lorsque l’individu est exposé à des facteurs toxiques (thérapeutiques, environnementaux) et si on a vraiment une production anormale de chromosomes, on peut arrêter le processus méiotique à ce stade : on en peut plus produire de gamètes ce qui conduit à la stérilisé (ces anomalies peuvent être génétiques ou acquises par exposition à des facteurs toxiques). Cela peut expliquer certaines infertilité masculines ou féminines intrinsèque ou extrinsèque perturbant ce stade ce qui entraîne l’arrêt de la méiose. • Le stade pachytène se divise en 3 parties : - le pachytène précoce ou early pachytène - le pachytène moyen ou mid-pachytène - le pachytène tardif ou late pachytène • L’appariement des chromosomes homologues est complet et étroit aux stades pachytène précoce et moyen. • Au stade pachytène tardif, les chromatides sœurs commencent à nouveau à s’individualiser car les recombinaisons génétiques interviennent entre l’early pachytène et le mid-pachytène et sont achevées en fin de stade pachytène. Au late pachytène, les chromatides sœurs commencent à être visibles. 4) Stade diplotène : • Les chromosomes homologues se séparent. • Les complexes synaptonémaux disparaissent mais vont persister dans certaines régions où la chromatine de chromosomes homologues reste appariée. Ces régions sont appelées chiasmas (visibles). Les régions inter-chiasma sont les régions où la chromatine n’est pas appariée donnant un aspect en X. • Les chiasmas sont la trace physique des crossing-over, enjambements ou recombinaisons (synapsis) qui se sont produit au cours du stade pachytène. • Intense synthèse d’ARN à ce stade 5) Stade diacynèse : • Ce stade va permettre la transition avec la métaphase I. • Les chromosomes homologues se détachent de l’enveloppe nucléaire • Les chromatides sœurs : chromatides d’un chromosome • des chromatides non sœurs : chromatides qui se sont appariées entre les 2 chromosomes • Les chromatides non sœurs sont encore reliées par des chiasmas mais le nombre de chiasmas diminue au cours de ce stade. • Les synthèses d’ARN vont s’arrêter. • Recondensation de la chromatine Donc : • Leptotène : les séquences d’ADN homologues se rapprochent stade d’homologie (bouquet) • Zygotène : alignement des séquences d’ADN homologues et début de l’appariement avec la mise en place du complexe synaptonémal et initiation de la fermeture des télomères. ADN --- ; ARN + • Pachytène : synapsis et recombinaisons génétiques ADN -- ; ARN +++ • Diplotène (ARN ++) / Diacynèse (ARN/ADN 0) : chiasmas et séparation des chromosomes homologues pour la ségrégation aléatoire des chromosomes homologues en fin de division méiotique. • II. Métaphase I • Disparition de l’enveloppe nucléaire • Les bivalents ou les tétrades se disposent au niveau du plan équatorial sur les fuseaux de 1ère division méiotique. Les bivalent se disposent tel que les centromères soient symétriques de part et autre de la plaque équatorial métaphasique. • La cellule-fille générée a 50 % de chances d’hériter des chromosomes paternels et 50 % de chances d’hériter des chromosomes maternels. • Les chromosomes homologues s’attachent aux fuseaux pour pouvoir mettre en route cette dynamique du mouvement des chromosomes à l’intérieur du noyau qui a perdu son enveloppe. III. Anaphase I • séparation des chromosomes homologues • ruptures des chiasmas • migration des chromosomes homologues au pôle opposé du fuseau où l’on va observer la ségrégation aléatoire des chromosomes : élément de diversification génétique d’une espèce. Cela permet de générer 223 =2n, 2n=46 donc n=23, soit près de 10 millions de gamètes différents sans compter des crossing-over (avec, on va beaucoup plus loin dans la diversification génétique). • 46 chromosomes à 2 chromatides et une quantité 4n ADN. IV. Télophase I • Chaque cellule fille a hérité de 23 chromosomes recombinés formés chacun de 2 chromatides réunis par un centromère. Chacun des noyaux comportera 23 chromosomes avec une quantité 2n ADN. Il y a donc eu une réduction du nombre de chromosomes. Les 4 chromatides d’un chromosome peuvent être impliquées dans les phénomènes de recombinaisons génétiques mais ce n’est pas obligatoire. • Cytodiérèse avec séparation du noyau et reformation de l’enveloppe nucléaire A la fin de la télophase 1, la première division méiotique est achevée. Chez l’homme, les cellules filles ont un caryotype de type 23 X ou 23Y. Chez la femme, les cellules filles ont un caryotype de type 23X. Elles sont toutes bichromatidiennes à ce stade avec 2n ADN. • A la fin de la méiose 1, il y a eu une diversification par : - Brassage des gènes - Brassage des chromosomes • Le passage entre les 2 méioses est une étape appelée intercinèse, de courte durée car la cellule passe rapidement en prophase de méiose II. V. La méiose II • Méiose équationnelle où l’on sépare les chromatides d’un même chromosome • Elle ressemble beaucoup à une mitose cellules somatique normale. • Cette méiose n’est pas précédée par une réplication de l’ADN. • Les chromosomes restent condensés à ce stade et se disposent très rapidement sur le fuseau de deuxième division méiotique. • IL n’y A PLUS DE CHROMOSOMES HOMOLOGUES : 2n ADN =23 chromosomes • Différentes étapes : - Prophase II : o les chromosomes redeviennent visibles o Très courte - Métaphase II : o les chromosomes se disposent rapidement sur le fuseau de 2ème division méiotique o la membrane nucléaire disparait - Anaphase II : o séparation des chromatides des chromosomes o par le clivage des centromères o à la fin, les cellules possèdent une quantité n ADN et 23 chromosomes. Le patrimoine génétique est différent entre les deux chromosomes d’une même paire - Télophase II : o Les 4 cellules filles différentes issues des 2 divisions méiotiques ont un caryotype à 23 chromosomes avec un chromosome X ou un chromosome Y et n ADN • A retenir : - La méiose I est très longue - La méiose II est très courte - Sur l’ensemble, c’est le stade pachytène qui occupe un temps long.