Les partenaires moléculaires impliqués dans l'interaction entre spermatozoïdes et zone pellucide chez les mammifères. Conséquences pour la fertilité humaine

Molecules involved in sperm-zona pellucida interaction in mammals. Role in human fertility

Université Paris Descartes, Faculté de Cochin, Laboratoire de Biologie de la Reproduction, 24 rue du Faubourg Saint Jacques, 75014 Paris, France

Reçu : 6 Septembre 2007

Résumé

Lors de l'interaction gamétique chez les mammifères, la zone pellucide, formée de trois ou quatre glycoprotéines (ZP1 à ZP4), établit une barrière d'espèce. La spécificité d'espèce reposerait sur la nature et l'organisation complexe des résidus sucrés des glycoprotéines, lesquelles sont des ligands pour les spermatozoïdes. Les récepteurs membranaires spermatiques sont multiples et agissent comme des lectines en reconnaissant des résidus sucrés de la ZP. Ils sont des molécules d'adhésion ou des récepteurs capables d'activer un signal intraspermatique pour la réalisation de la réactoin acrosomique (RA). Dans l'espèce humaine, leur identification est incomplète. Une étude en cours au laboratoire, utilisant une approche directe par far Western blot, a identifié comme récepteurs spermatiques humains, des enzymes impliquées dans le métabolisme des sucres. Ce résultat montre que des enzymes glycolytiques peuvent avoir un rôle dans l'interaction gamétique, sans exercer leur activité catalytique. Par ailleurs, des anomalies d'expression de certains des récepteurs à ZP3 ont été retrouvées dans les spermatozoïdes de patients ayant des échecs de fécondation in vitro. Ces protéines impliquées dans l'interaction gamétique évoluent rapidement sous l'influence d'une sélection darwinienne positive. La pression de sélection, qui pourrait s'exercer lors d'un conflit sexuel, entraînerait une coévolution des molécules partenaires de l'interaction gamétique aboutissant à un isolement reproductif et la formation d'une nouvelle espèce.

Abstract

Fertilization in mammals requires an initial interaction of sperm with the oocyte envelope, the zona pellucida (ZP), before it reaches the oocyte. ZP is a highly glycosylated structure, composed of three (mouse) or four (rabbit, boar, bovine, humans...) glycoproteins. The presence of ZP around the oocyte does not allow heterospecific fertilization. This barrier is principally due to the presence of species-specific glycosylations on ZP proteins. Sperm bind ZP by means of membrane receptors which recognize carbohydrate moieties on ZP glycoproteins according to a well-precised sequential process. Upon initial attachment, spermatozoa bind ZP3/ZP4 which induces the sperm acrosome exocytosis followed by a secondary binding of acrosome reacted spermatozoa to ZP2 and by ZP penetration. The sperm receptors are adhesive proteins or integral plasma membrane proteins linked to intraspermatic signalling pathways activating the acrosome reaction. Over the last twenty years, numerous studies have been carried out to identify sperm receptors to ZP in several species, but the data in humans are still incomplete. Work initiated in our research group has identified several proteins interacting with recombinant human ZP2, ZP3 and ZP4, among which are glycolytic enzymes. These enzymes are involved in the gamete interaction by means of their affinity to sugars and not by their catalytic properties. From a clinical point of view, an observed lack or weak expression of some sperm receptors to ZP3 in cases of idiopathic infertility associated with in vitro fertilization failure suggests that knowing the molecular mechanism driving the gamete recognition can be important at the diagnostic level. Furthermore, it has been shown that proteins that mediate gamete recognition diverge rapidly, as a result of positive darwinian selection. A sexual conflict can drive co-evolution of reproductive molecules in both sexes resulting in reproductive isolation and species emergence.