Introduction
Plusieurs des mystères de la reproduction humaine sont enfouis profondément dans les organes de notre corps. C’est le cas de la façon dont le spermatozoïde hautement spécialisé se forme au sein des testicules. Chaque cellule devient aérodynamique et mobile afin de délivrer efficacement son paquet d’ADN étroitement enveloppé à un ovocyte en attente. La formation et la fonction des spermatozoïdes sont essentielles à la fertilité – les défauts de quantité, de qualité et de motilité des spermatozoïdes représentent jusqu’à 50 % des cas d’infertilité et peuvent affecter jusqu’à 7 % des hommes. Cependant, notre compréhension de base du développement et de la fonction des spermatozoïdes est insuffisante, ce qui entraîne un manque de connaissances sur la façon dont les problèmes surviennent et causent l’infertilité.
La formation des spermatozoïdes est soigneusement mise en scène dans différentes régions des testicules . Les spermatozoïdes humains sont d’abord formés dans les tubules séminifères, où l’ADN est partitionné puis étroitement compacté ; les composants cellulaires inutiles sont éliminés ; et les cellules se différencient. Ces changements forment un paquet compact et protégé avec un long flagelle (Fig 1A). Cependant, ces spermatozoïdes ne peuvent ni se déplacer ni féconder. Ils acquièrent ces capacités grâce à des signaux qu’ils reçoivent de l’extérieur et qui doivent être transmis à travers la cellule sans transcription, laquelle est interrompue en raison du compactage serré de l’ADN du sperme. La motilité est activée lorsque les spermatozoïdes « mûrissent » en traversant l’épididyme, un réseau de tubules enroulés qui, lorsqu’ils sont étirés, mesurent plusieurs pieds de long (figure 1A). Dans ces tubules, les spermatozoïdes baignent dans des fluides contenant des signaux de maturation qui les préparent à être délivrés à la femelle. Une fois délivrés, ils s’activent davantage par un processus appelé capacitation en exposant des récepteurs importants pour la fertilité et en devenant hypermotiles . Malheureusement, l’inaccessibilité des tissus reproducteurs a entravé notre compréhension de la nature moléculaire des composants qui génèrent ou transmettent les signaux qui contribuent à ces transformations.
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(A) Chez l’homme, les spermatozoïdes sont formés au cours de la spermatogenèse dans les tubules séminifères mais ne sont pas mobiles ni compétents pour féconder. Pendant le transit et le stockage dans l’épididyme, ils subissent une maturation pour acquérir la capacité de se déplacer. Lorsqu’ils arrivent dans l’appareil reproducteur féminin, les spermatozoïdes deviennent capables de féconder grâce à un processus appelé capacitation, qui modifie la membrane de la tête du spermatozoïde pour permettre la fusion des membranes et rend les spermatozoïdes hypermoteurs. (B) Chez C. elegans, les spermatozoïdes sont formés au cours de la spermatogenèse chez les hermaphrodites et les mâles. Lorsque les mâles s’accouplent avec les hermaphrodites ou lorsque les hermaphrodites passent à la formation d’ovocytes, les spermatozoïdes sont activés. Cette activation provoque la formation du pseudopode qui permet aux spermatozoïdes de ramper.
https://doi.org/10.1371/journal.pbio.2006204.g001
Le besoin pour les spermatozoïdes de mûrir ou de s’activer pendant une période d’inactivité transcriptionnelle est commun parmi les animaux à reproduction sexuelle, même les plus simples avec des spermatozoïdes d’apparence très différente. Ces organismes moins complexes ont longtemps été idéaux pour l’étude de la fertilité masculine, car ils permettent d’utiliser des méthodes difficilement réalisables chez l’homme. L’un de ces organismes est le petit nématode Caenorhabditis elegans . C. elegans est transparent ; les chercheurs peuvent donc facilement observer la spermatogenèse chez les mâles ou les hermaphrodites et la fécondation des ovocytes chez les hermaphrodites . Les spermatozoïdes amiboïdes de C. elegans, contrairement aux spermatozoïdes des mammifères propulsés par des flagelles, rampent à l’aide d’un appendice appelé pseudopode. Cependant, tout comme les spermatozoïdes des mammifères, les spermatozoïdes de C. elegans doivent également recevoir des signaux pour signaler la formation de leur appareil de motilité, le pseudopode, qui devient actif dès qu’il est formé (Fig 1B).
Dans les années 1970 et 1980, les chercheurs de C. elegans ont effectué des cribles génétiques de masse qui ont identifié des dizaines de gènes qui étaient défectueux dans la spermatogenèse (spe) ou la fécondation (fer) lorsqu’ils étaient mutés . Un exemple est le gène spe-8 qui code pour une protéine tyrosine kinase, dont les membres de la famille relaient l’information cellulaire par phosphorylation . Plusieurs autres protéines SPE fonctionnent également avec SPE-8, formant la voie de signalisation SPE-8 qui, bien qu’active dans les deux sexes, est essentielle chez les hermaphrodites pour la formation du pseudopode et la motilité . Un criblage génétique plus récent a également identifié une voie distincte d’activation des spermatozoïdes mâles déclenchée par une protéase délivrée par les mâles en même temps que les spermatozoïdes . Cependant, des lacunes importantes subsistent dans notre compréhension de la voie de signalisation SPE-8 hermaphrodite. Il s’agit notamment de savoir comment cette voie est activée et comment le signal est propagé dans les cellules pour rendre les spermatozoïdes mobiles. Les chercheurs ont passé au peigne fin les mutants identifiés par les cribles de fertilité pour trouver ces liens manquants, mais ils n’ont pas encore rassemblé toutes les pièces pour définir l’ensemble de la voie.
Un membre candidat surprenant de la voie – le zinc – a été découvert par une méthode in vitro consistant à isoler les spermatozoïdes immatures de C. elegans et à les exposer à des composés . Des niveaux élevés de zinc extracellulaire ou l’activation de la voie SPE-8 ont provoqué une redistribution des niveaux de zinc intracellulaire. Ces études suggèrent que le zinc peut initier la cascade de signalisation SPE-8 ou fonctionner au sein de cette cascade pour activer les spermatozoïdes. Cependant, les détails moléculaires de la manière exacte dont le zinc agit dans une voie de signalisation – en tant que signal d’initiation ou en tant que propagateur du signal – n’étaient pas clairs.
Les histoires ont convergé lorsque trois groupes de recherche ont réalisé qu’ils travaillaient sur la même protéine – un transporteur de zinc . Les laboratoires de Kornfeld et d’Ellis cherchaient des protéines qui ressemblent aux protéines ZIP, hautement conservées au cours de l’évolution, qui portent le nom des transporteurs de zinc de la levure Zrt- et Irt-like protein . Ils ont découvert que la délétion de l’un de ces homologues, zipt-7.1, provoquait la stérilité. Pendant ce temps, le laboratoire de Singson cherchait un signal d’activation des spermatozoïdes en recherchant des mutants de fertilité. Ils ont trouvé un mutant présentant une lésion dans le même gène que celui découvert dans l’un des premiers cribles de fertilité, appelé hc130. Le séquençage des animaux hc130 a confirmé qu’ils hébergeaient une mutation dans le gène zipt-7.1.
Les laboratoires ont travaillé ensemble pour déterminer comment le zinc et le transporteur de zinc ZIPT-7.1 s’insèrent dans une voie de signalisation nécessaire à la fertilité : Le zinc est-il un signal externe d’activation ou un messager interne du signal ? Un indice de la fonction de ZIPT-7.1 est que cette protéine transmembranaire est localisée dans les spermatozoïdes en développement précoce, ce qui indique une fonction possible sur les membranes internes. De plus, lorsque la protéine ZIPT-7.1 de C. elegans est exprimée dans des cellules de mammifères, elle se localise également dans des régions qui chevauchent des organites intracellulaires. Les auteurs montrent que ZIPT-7.1 fonctionne dans la régulation des niveaux de zinc dans les cellules : Les mutants de C. elegans dépourvus de zipt-7.1 présentent des niveaux plus faibles de zinc interne, qui est stocké dans les organelles internes, et les cellules de mammifères exprimant le zipt-7.1 de C. elegans présentent un taux accru d’absorption du zinc en présence de zinc marqué ajouté de l’extérieur.
Pour montrer davantage que ZIPT-7.1 fonctionne à l’intérieur des cellules, les auteurs ont déterminé où ZIPT-7.1 fonctionne dans la voie SPE-8. Ils ont constaté que ZIPT-7.1 fonctionne en aval d’un membre de la voie – SPE-6, connu pour fonctionner à l’intérieur de la cellule – et interagit avec un autre membre appelé SPE-4, qui se localise également aux membranes internes. Cela place ZIPT-7.1 à l’extrémité de la voie SPE-8 pour réguler la libération du zinc dans le cytoplasme à partir des réserves internes afin de propager le signal d’activation. Les auteurs n’ont pas pu exclure que le zinc joue également un rôle dans la signalisation extracellulaire, mais ils supposent que des niveaux élevés de zinc extracellulaire peuvent imiter la libération intracellulaire, en contournant une grande partie de la voie SPE-8. Cependant, le zinc et ZIPT-7.1 ayant clairement des rôles intracellulaires, il est probable que le signal d’activation de la voie SPE-8 reste encore à élucider.
Le modèle de cette voie place la protéine ZIPT-7.1 sur les membranes des organelles internes qui stockent le zinc dans les spermatozoïdes inactifs. Lorsque les spermatozoïdes reçoivent le signal encore mystérieux qui active la voie SPE-8, ZIPT-7.1 devient active et libère le zinc des organelles intracellulaires dans le cytosol. Les niveaux élevés de zinc cytoplasmique activent vraisemblablement les protéines régulées par le zinc qui développent les structures de motilité en l’absence de transcription (Fig 2). Cela place le zinc comme un important « second messager » qui relaie le signal d’activation aux protéines intracellulaires qui modulent l’acquisition de la motilité.
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Sur activation par la voie de signalisation SPE-8, le zinc est libéré dans le cytoplasme à partir des organelles de stockage intracellulaire via ZIPT-7.1. Des niveaux élevés de zinc cytoplasmique activent des protéines de liaison au zinc non encore identifiées qui déclenchent les changements physiologiques pour développer les structures de motilité. SPE-8, spermatogenèse défectueuse ; ZIPT-7.1, Zrt- and Irt-like Protein Transporter 7.1.
https://doi.org/10.1371/journal.pbio.2006204.g002
Les résultats de cet article sont nouveaux car ils montrent que le zinc a un rôle distinct en tant que second messager dans une voie de signalisation biologique définie et vitale pour la fertilité. Le zinc, un minéral essentiel, a des rôles bien établis dans la stabilisation de la structure et de l’activité enzymatique de classes spécifiques de protéines liant le zinc, comme les facteurs de transcription. Cependant, l’absence de transcription à ce stade du développement des spermatozoïdes rend peu probable l’action du zinc pour favoriser la transcription. Au contraire, cette étude révèle comment les niveaux de zinc sont contrôlés et lus par la cellule. (1) Les niveaux de zinc à l’intérieur de la cellule sont hautement régulés car ils sont lus pour modifier l’activité des protéines cellulaires. (2) Les transporteurs de zinc sont essentiels à la régulation des niveaux de zinc à l’intérieur de la cellule, ce qui indique qu’ils peuvent réguler la libération de zinc des réserves internes vers le cytoplasme, et pas seulement l’importation de zinc depuis l’environnement externe. (3) La fertilité masculine dépend de seconds messagers comme le zinc pour induire des changements physiologiques dans le sperme pendant une période critique où la transcription n’est pas active.
Cette étude indique que les rôles du zinc et des transporteurs de zinc dans la signalisation peuvent être importants à étudier dans le développement et la fonction du sperme humain. Bien que le calcium soit connu depuis longtemps comme un composant de signalisation important pour la fertilité, d’autres rapports font surface sur le zinc jouant des rôles de signalisation dans divers contextes. Par exemple, il a été démontré qu’une libération de zinc des ovocytes dans l’espace extracellulaire, appelée étincelle de zinc, se produit au moment de la fécondation lorsque les ovules s’activent. Le zinc intracellulaire peut également réguler la libération de calcium dans les cellules cardiaques. Pour la fertilité masculine, les niveaux de zinc sont élevés dans les testicules, et les transporteurs de zinc sont exprimés dans différentes régions de l’épididyme. En outre, la carence en zinc est corrélée à une baisse de la fertilité masculine. Le zinc étant très abondant dans le labyrinthe des tubules testiculaires, les rôles du zinc dans la fertilité masculine doivent encore être démêlés. Cependant, ces études démontrent que l’investigation des rôles du zinc intracellulaire médiant les transformations du développement sera une voie importante à explorer pour de nombreux processus dans un large éventail d’espèces.