Un couple sur six dans le monde consulte en raison de difficultés à concevoir. Quand on retrace les origines de ces infertilités, un tiers mettent en cause les deux partenaires, un tiers sont uniquement d’origine féminine et un tiers uniquement d’origine masculine. Dans ce dernier groupe, il apparaît que, dans 50 % des cas, l’infertilité mâle est associée à un défaut de la spermatogenèse testiculaire. Pour l’autre moitié de ces infertilités mâles idiopathiques, la spermatogenèse est normale, mais c’est en aval du testicule que se situent les problèmes, essentiellement pendant la phase de maturation et de stockage épididymaire des spermatozoïdes. Il est donc important d’étudier les phénomènes qui accompagnent cette maturation post-testiculaire des gamètes, et comment ces phénomènes peuvent être perturbés afin de comprendre et éventuellement de proposer des solutions thérapeutiques adaptées à ces patients infertiles.

L’épididyme est un organe accolé au testicule, formé d’un très long tubule, fortement contourné, qui met en communication le testicule en amont via le rete testis et les canaux efférents avec le canal déférent en aval. C’est un dérivé du mésonéphros embryonnaire apparu chez les amniotes (reptiles, oiseaux, mammifères) qui atteint son plein développement chez les mammifères. Chez ces derniers, l’épididyme est impliqué dans le transport et la maturation des spermatozoïdes ainsi que, dans sa partie terminale (queue ou cauda), dans le stockage des spermatozoïdes entre deux éjaculations [ 1– 3] (Figure 1). La maturation post-testiculaire des spermatozoïdes recouvre un ensemble de processus complexes qui vont progressivement modifier structurellement et fonctionnellement les gamètes en transit et ainsi leur conférer leurs aptitudes fécondantes, c’est-à-dire l’expression de leur motilité et la capacité à reconnaître la zone pellucide de l’ovule et à fusionner avec ce dernier. L’épithélium composite pseudostratifié du tubule épididymaire assure ces rôles essentiellement grâce à ses multiples activités de sécrétion et de réabsorption qui changent localement et séquentiellement la composition du fluide épididymaire dans lequel baignent les gamètes (pour une revue récente voir [ 4]).

Figure 1. L’épididyme des mammifères. Les illustrations font référence au modèle murin. L’épididyme est le tubule rouge relié au hile du testicule via les canaux efférents et qui se poursuit ensuite par le canal déférent. L’épididyme est organisé en trois grandes régions anatomiques : la tête (ou caput), le corps (ou corpus) et la queue (ou cauda), elles-mêmes subdivisées en segments (numérotés de 1 à 10 chez la souris) séparés par des cloisons conjonctives (ou septa). Un seul et même tubule fortement pelotonné parcourt l’ensemble de l’organe. Le tubule est limité par un épithélium sécréteur pseudostratifié, lui-même entouré d’une assise de cellules musculaires lisses dont les contractions péristaltiques poussent les spermatozoïdes situés dans la lumière vers la partie terminale de l’organe, lieu de stockage des gamètes mâles entre deux éjaculations. À l’issue de la spermatogenèse testiculaire, les gamètes mâles haploïdes et cytodifférenciés sont des cellules quiescentes, incapables de se défendre et de mettre en jeu des processus de réparation. À leur entrée dans le tubule épididymaire les gamètes mâles sont en outre fonctionnellement immatures, incapables de faire fonctionner leur flagelle, de reconnaître un gamète femelle et de fusionner avec lui. À la fin de la maturation épididymaire, les spermatozoïdes stockés dans la queue de l’épididyme ont acquis leur pouvoir fécondant et seront mobiles dans un contexte permissif (l’environnement des voies génitales femelles). CML : cellules musculaires lisses, Spz : spermatozoïdes, TI : tissu interstitiel.

Figure 1. L’épididyme des mammifères. Les illustrations font référence au modèle murin. L’épididyme est le tubule rouge relié au hile du testicule via les canaux efférents et qui se poursuit ensuite par le canal déférent. L’épididyme est organisé en trois grandes régions anatomiques : la tête (ou caput), le corps (ou corpus) et la queue (ou cauda), elles-mêmes subdivisées en segments (numérotés de 1 à 10 chez la souris) séparés par des cloisons conjonctives (ou septa). Un seul et même tubule fortement pelotonné parcourt l’ensemble de l’organe. Le tubule est limité par un épithélium sécréteur pseudostratifié, lui-même entouré d’une assise de cellules musculaires lisses dont les contractions péristaltiques poussent les spermatozoïdes situés dans la lumière vers la partie terminale de l’organe, lieu de stockage des gamètes mâles entre deux éjaculations. À l’issue de la spermatogenèse testiculaire, les gamètes mâles haploïdes et cytodifférenciés sont des cellules quiescentes, incapables de se défendre et de mettre en jeu des processus de réparation. À leur entrée dans le tubule épididymaire les gamètes mâles sont en outre fonctionnellement immatures, incapables de faire fonctionner leur flagelle, de reconnaître un gamète femelle et de fusionner avec lui. À la fin de la maturation épididymaire, les spermatozoïdes stockés dans la queue de l’épididyme ont acquis leur pouvoir fécondant et seront mobiles dans un contexte permissif (l’environnement des voies génitales femelles). CML : cellules musculaires lisses, Spz : spermatozoïdes, TI : tissu interstitiel.

Une expérience simple qui illustre l’importance de ce tissu dans la fertilité mâle chez les mammifères consiste à tester les capacités fécondantes de gamètes prélevés dans différentes régions du tubule épididymaire : les gamètes prélevés à leur entrée dans le tubule épididymaire ne sont ni mobiles ni fécondants. Motilité et pouvoir fécondant des spermatozoïdes augmentent pour les spermatozoïdes prélevés dans les régions plus distales du tubule épididymaire. Associé à cette maturation fonctionnelle post-testiculaire des spermatozoïdes, l’épididyme assure aussi un rôle de « contrôle qualité » (voir par exemple [ 5]). Le nombre de spermatozoïdes présentant des morphologies aberrantes diminue entre la région proximale et la région distale du tubule épididymaire suggérant que des processus de tri existent au cours de la maturation épididymaire. Enfin, l’épididyme assure la survie et la protection de cette cellule particulière qu’est le spermatozoïde. Ces processus de survie et de protection doivent être efficaces puisque le trajet épididymaire des gamètes est de l’ordre de 10 à 12 jours chez les mammifères, excluant les temps de stockage qui sont liés à l’activité sexuelle du mâle. La protection des spermatozoïdes en transit dans le tubule et stockés dans la queue de l’épididyme se doit d’être particulièrement efficace, car le gamète mâle est une cellule fragile. Cette fragilité repose sur l’état quiescent de cette cellule qui, à l’issue de la spermatogenèse, est quasi silencieuse en termes de transcription et de traduction. L’absence de transcription résulte de la compaction extrême de son lot chromosomique haploïde n’autorisant plus l’accès de l’ADN à la machinerie transcriptionnelle. Concernant la traduction, même s’il a été montré que les spermatozoïdes post-testiculaires pouvaient traduire de nouvelles protéines [ 6], le niveau de cette traduction est particulièrement faible en raison, d’une part, de l’absence de transcription et, d’autre part, de l’élimination de la très grande majorité du cytoplasme du spermatozoïde et des organites subcellulaires qu’il contient [ 38] (→), lesquels supportent la traduction comme dans toute cellule. Ces deux caractéristiques structurales (compaction du noyau haploïde et élimination du cytoplasme à la spermiation) très particulières au spermatozoïde sont acquises pendant la dernière phase de la cytodifférenciation testiculaire des gamètes ou spermiogenèse [ 7, 8]. Ainsi, les gamètes mâles quittant le testicule n’ont pas la possibilité de répondre de façon autonome à une quelconque agression, ni en déclenchant une réponse au stress reposant sur l’engagement de gènes de défense, ni en mobilisant leurs maigres ressources cytoplasmiques en protéines de défense. Parmi les agressions auxquelles sont soumises les cellules, l’attaque radicalaire ou stress oxydant [ 9] constitue la plus commune et toutes les cellules d’un organisme aérobie y sont exposées. Plus que toute autre cellule, le spermatozoïde est susceptible de subir des dommages radicalaires. La sensibilité du gamète mâle vis-à-vis de l’attaque radicalaire est en effet accrue par la composition lipidique particulière de sa membrane plasmique, riche en acides gras polyinsaturés, cibles de choix des espèces oxygénées réactives (EOR).

(→) Voir m/s n° 4, avril 2012, page 343

En relation avec cette nécessité de préserver les fragiles gamètes mâles des dommages oxydants, nous avons démontré ces dernières années que l’épididyme des mammifères possède une couverture antioxydante importante. Cela se manifeste par l’expression de multiples formes d’antioxydants enzymatiques primaires dont certains sont même d’expression majoritaire ou quasi restreinte à cet organe [ 20]. C’est le cas de la glutathion peroxydase 5 (GPx5), une enzyme abondamment sécrétée par l’épithélium de la tête de l’épididyme qui accompagne les gamètes mâles tout le long de leur descente dans le tubule épididymaire. Plusieurs autres GPx cytosoliques (GPx1, GPx3 et cGPx4) sont par ailleurs exprimées par l’épithélium épididymaire [20]. Le gamète mâle lui-même porte des GPx qui lui sont spécifiques, suite à l’expression de variants testiculaires de la GPx4 au cours de la spermatogenèse. C’est le cas de la snGPx4, un variant d’expression de la GPx4 localisé dans le noyau spermatique et de la mGPx4, un autre variant d’expression de la GPx4 localisé au niveau des mitochondries de la pièce intermédiaire. À côté de cette expression importante de multiples GPx, l’épididyme et les gamètes mâles présentent par ailleurs une couverture en peroxyredoxines (PRDX) et en diverses thiol-peroxydases [ 21].

Les GPx sont des enzymes bifonctionnelles pouvant fonctionner comme des recycleurs d’EOR (en particulier l’H₂O₂, mais aussi les LOOH) ou comme des intermédiaires dans la formation de ponts disulfures (Figure 2B). Cette dualité fonctionnelle est particulièrement bien illustrée au cours de la maturation épididymaire des spermatozoïdes. Ainsi, Conrad et al. [ 22] ont démontré que la GPx4 du noyau spermatique (snGPx4) était associée aux protamines et impliquée dans la formation de ponts disulfures intra- et interprotamines entre les groupements thiols portés par les nombreux résidus cystéines présents dans ces protéines nucléaires. C’est lors du passage dans la tête de l’épididyme que l’essentiel de cette activité de pontage disulfure est assurée par la snGPx4, dans un environnement qui doit fournir le H₂O₂ ou les LOOH nécessaires. Cette activité de pontage disulfure du noyau spermatique dans l’épididyme proximal contribue à diminuer encore la taille du noyau spermatique et à verrouiller le noyau spermatique dans un état condensé (Figure 3). Ces aspects sont particulièrement importants puisque, d’une part, ils définissent la taille de la tête spermatique qui ellemême conditionne la vélocité progressive rectiligne du spermatozoïde et, d’autre part, ils augmentent la protection du matériel nucléaire paternel contre les dommages à l’ADN de type agents intercalants ou molécules mutagènes. Ces deux caractéristiques, vélocité optimale et matériel génétique intègre, sont les garants du succès reproductif.

Figure 3. Condensation post-testiculaire du noyau spermatique. La compaction du noyau spermatique, qui débute lors de la spermiogenèse testiculaire par le remplacement des histones nucléosomales par les protamines, est poursuivie dans la tête de l’épididyme par l’oxydation des groupements thiols libres portés par les nombreux résidus cystéine contenus dans les protamines. Des mouvements d’eau et d’ions provoquent aussi dans ce compartiment proximal de l’épididyme des pertes aqueuses qui contribuent à la diminution de la taille de la tête spermatique. Ces processus de condensation/compaction accrue permettent au spermatozoïde d’acquérir une vélocité optimale et confèrent au noyau spermatique, donc au patrimoine génétique paternel, une protection plus importante contre d’éventuels effets mutagènes.

Figure 3. Condensation post-testiculaire du noyau spermatique. La compaction du noyau spermatique, qui débute lors de la spermiogenèse testiculaire par le remplacement des histones nucléosomales par les protamines, est poursuivie dans la tête de l’épididyme par l’oxydation des groupements thiols libres portés par les nombreux résidus cystéine contenus dans les protamines. Des mouvements d’eau et d’ions provoquent aussi dans ce compartiment proximal de l’épididyme des pertes aqueuses qui contribuent à la diminution de la taille de la tête spermatique. Ces processus de condensation/compaction accrue permettent au spermatozoïde d’acquérir une vélocité optimale et confèrent au noyau spermatique, donc au patrimoine génétique paternel, une protection plus importante contre d’éventuels effets mutagènes.

L’ambiguïté réside dans le fait que pour assurer ces pontages disulfures, les gamètes mâles particulièrement sensibles aux dommages radicalaires doivent évoluer dans un environnement plutôt pro-oxydant. Il est donc nécessaire de contrôler de façon efficace le niveau d’EOR dans le tubule épididymaire. C’est ici que la GPx5 sécrétée par l’épithélium de l’épididyme proximal intervient. La génération récente d’un modèle murin n’exprimant plus la GPx5, celui des souris gpx5^-/- [ 23], a permis de révéler que cette enzyme fonctionne dans la lumière du tubule épididymaire comme un nettoyeur d’EOR, protégeant les spermatozoïdes contre les attaques radicalaires. Dans la tête de l’épididyme, le rôle de la GPx5 est double. D’une part, elle protège les gamètes de l’oxydation et, d’autre part, elle fixe le niveau de pontage disulfure en contrôlant la concentration luminale en H₂O₂ et/ou en LOOH. Le rôle de contrôleur indirect de la compaction du noyau spermatique en tête d’épididyme a été révélé par le fait que le noyau des spermatozoïdes de la tête d’épididyme de souris gpx5^-/- est sensiblement plus compacté que celui des spermatozoïdes des souris sauvages. Cette compaction accrue pourrait être due à la plus grande disponibilité en H₂O₂ et/ou LOOH favorisant ainsi l’activité snGPx4 en raison de l’absence de recyclage de ces EOR par GPx5 [11, 23] (Figure 4). En queue d’épididyme, la GPx5 assure essentiellement un rôle de protection des gamètes stockés contre les dommages radicalaires. En effet, les spermatozoïdes des animaux dépourvus de GPx5 présentent une peroxydation lipidique membranaire accrue et subissent des dommages oxydants à l’ADN révélés par la présence de bases oxydées et d’un noyau susceptible à la fragmentation. Dans ce fond génétique gpx ^-/-, ces atteintes de l’intégrité du noyau paternel ont été corrélées (essentiellement chez les mâles âgés) à une augmentation du nombre de fœtus avortés et du nombre d’accidents de développements conduisant à des fœtus malformés, ainsi qu’à une augmentation de la mortalité périnatale [23].

Figure 4. Rôles des GPx dans l’équilibre du stress oxydant dans le compartiment épididymaire. La glutathion peroxydase 5 (GPx5) sécrétée par l’épithélium de l’épididyme proximal contrôle le niveau luminal en H2O2. Indirectement, elle définit par cette action le niveau optimal de pontage disulfure pouvant être réalisé sur les résidus thiols des protamines par le variant spermatique nucléaire de la GPx4 (snGPx4). L’analyse des modèles murins mutants invalidés pour ces activités GPx a montré que des défauts d’activité GPx5 luminale provoquent transitoirement dans la tête de l’épididyme une compaction plus importante du noyau spermatique liée à une activité d’oxydation par snGPx4 accrue en raison de la plus grande disponibilité en H2O2. Cependant, in fine, l’exposition luminale des gamètes à des quantités d’H2O2 plus importantes est source de dommages radicalaires (peroxydation des lipides membranaires, atteintes oxydantes du noyau spermatique) pouvant affecter l’issue de la fécondation [21]. En parallèle, un défaut d’expression de la GPx4 du noyau spermatique entraîne des défauts de condensation du noyau spermatique dans la tête de l’épididyme [20].

Figure 4. Rôles des GPx dans l’équilibre du stress oxydant dans le compartiment épididymaire. La glutathion peroxydase 5 (GPx5) sécrétée par l’épithélium de l’épididyme proximal contrôle le niveau luminal en H2O2. Indirectement, elle définit par cette action le niveau optimal de pontage disulfure pouvant être réalisé sur les résidus thiols des protamines par le variant spermatique nucléaire de la GPx4 (snGPx4). L’analyse des modèles murins mutants invalidés pour ces activités GPx a montré que des défauts d’activité GPx5 luminale provoquent transitoirement dans la tête de l’épididyme une compaction plus importante du noyau spermatique liée à une activité d’oxydation par snGPx4 accrue en raison de la plus grande disponibilité en H2O2. Cependant, in fine, l’exposition luminale des gamètes à des quantités d’H2O2 plus importantes est source de dommages radicalaires (peroxydation des lipides membranaires, atteintes oxydantes du noyau spermatique) pouvant affecter l’issue de la fécondation [21]. En parallèle, un défaut d’expression de la GPx4 du noyau spermatique entraîne des défauts de condensation du noyau spermatique dans la tête de l’épididyme [20].

Ces observations réalisées à l’aide de ces modèles murins transgéniques ont permis d’améliorer notre perception des événements de la maturation post-testiculaire des spermatozoïdes. Longtemps considéré comme un simple tuyau, l’épididyme apparaît clairement maintenant comme un tissu essentiel à la fertilité mâle. Les phénomènes mis en exergue ici trouvent leur écho en clinique, comme en témoigne une littérature pléthorique qui atteste qu’une fraction importante des infertilités mâles est corrélée à des dommages oxydants des spermatozoïdes affectant la mobilité progressive, perturbant la capacité à réaliser la réaction acrosomique et conduisant à un niveau élevé de fragmentation nucléaire [ 24– 37]. Cet équilibre précaire entre oxydation ménagée bénéfique et dommages oxydatifs au gamète mâle explique sans doute le fait que les dommages radicalaires au spermatozoïde soient une cause si fréquente de l’infertilité mâle, qu’elle soit d’origine génétique, métabolique, secondaire aux expositions environnementales, ou tout simplement liée à l’âge. Oxydation et fragmentation du noyau spermatique sont de même corrélées au succès reproductif en procréation médicalement assistée (PMA). En outre, les technologies de la PMA peuvent elles-mêmes être à l’origine d’atteintes oxydatives du gamète mâle (par exemple l’utilisation de sperme congelé qui subit une explosion oxydative lors de son réchauffement). Si une mobilité spermatique diminuée et/ou une capacité à déclencher la réaction acrosomique perturbée vont diminuer les taux de fécondation, les dommages radicalaires au noyau paternel sont autrement plus dangereux. L’ovule est sensé réparer les dommages à l’ADN paternel et ses capacités de réparation sont grandes. Cependant, dans un contexte de réparation déficiente, comme cela peut-être le cas dans un ovule non optimal (femme âgée, PMA avec une « superovulation » provoquée par l’administration d’hormones, PMA via l’injection intracytoplasmique de spermatozoïdes [ICSI]), certains dommages à l’ADN courent le risque d’être transmis à la descendance et d’être à l’origine de pathologies.

Les auteurs déclarent n’avoir aucun lien d’intérêt concernant les données publiées dans cet article.