Chromosome Y et Infertilité Masculine

Nos recherches sur le Chromosome Y et l’Infertilité masculine

Parallèlement au développement de l’ICSI en 1993, notre centre a été le premier à étudier le chromosome Y et l’infertilité masculine, et pourquoi de petites quantités de spermatozoïdes sont souvent trouvées dans les testicules d’hommes azoospermiques auparavant considérés comme ne produisant pas de sperme. Vous avez probablement beaucoup entendu parler du chromosome Y. C’est ce qui détermine qu’un homme est un homme. Nous avons découvert avec notre premier article scientifique à ce sujet en 1995 que le chromosome Y contient de nombreux gènes impliqués dans la spermatogenèse, et des délétions impliquant ces gènes sont souvent trouvées chez les mâles infertiles. Il y a eu beaucoup de discussions inconnues sur notre découverte de ces gènes producteurs de spermatozoïdes sur le Y et beaucoup de désinformation. Donc dans cette page, je vais essayer d’éclaircir la confusion pour que vous compreniez mieux la génétique de l’infertilité masculine. Notre séquençage de l’ADN du Y nous donne une perspective profonde sur les gènes de l’infertilité qui sont répandus dans tout le génome et qui sont également impliqués dans la transmission de l’infertilité aux générations futures. Un avantage de comprendre le chromosome Y est qu’il nous aidera à comprendre pourquoi les hommes qui sont apparemment azoospermiques ont généralement une petite quantité résiduelle de spermatogenèse qui peut être utilisée pour réussir l’ICSI. Plus important encore, cela exposera la futilité d’essayer d’augmenter le nombre de spermatozoïdes avec des médicaments ou une chirurgie de la varicocèle.

Jusqu’à il y a deux décennies, il n’y avait pas d’options de traitement pour les couples infertiles lorsque le mâle avait une spermatogenèse gravement altérée. En fait, il n’existe toujours pas de thérapies cliniques pour corriger une spermatogenèse déficiente. Depuis l’introduction de l’ICSI par nous et l’Université libre néerlandophone de Bruxelles en 1992, cependant, il y a eu une révolution dans notre réflexion sur l’infertilité masculine. Les couples infertiles présentant les cas les plus graves d’infertilité masculine, même avec une morphologie apparemment anormale à 100% et même des spermatozoïdes rares dans l’éjaculat, peuvent maintenant avoir des taux de grossesse et d’accouchement qui ne sont apparemment pas différents de la FIV conventionnelle avec des spermatozoïdes normaux.

En 1993, nous avons été les premiers à introduire l’aspiration microchirurgicale des spermatozoïdes épididymaires (MESA) en conjonction avec l’ICSI pour le traitement de l’azoospermie obstructive. Quelques mois plus tard, le TESE (extraction du sperme testiculaire) s’est également révélé efficace pour la majorité des cas d’azoospermie non obstructive. La raison en est qu’environ 60% des hommes azoospermiques sans production de sperme ont en fait une quantité infime de production de sperme dans le testicule qui n’est tout simplement pas suffisante quantitativement pour se répandre dans l’éjaculat, mais qui est adéquate pour l’ICSI. Ainsi, même les hommes ayant une spermatogenèse si déficiente en quantité qu’aucun sperme ne peut atteindre l’éjaculat, pourraient maintenant avoir des enfants avec l’utilisation de TESE-ICSI.

Le chromosome Y et la spermatogenèse chez l’homme et chez les singes

Comparer la spermatogenèse chez l’homme, les chimpanzés et les gorilles a toujours été fascinant. Les chimpanzés, qui ne pèsent qu’environ 100 livres, ont d’énormes testicules ronds (non ovales) de 8 centimètres de diamètre avec un nombre de spermatozoïdes de plus d’un milliard par ml. Pourtant, les gorilles, qui pèsent jusqu’à 600 livres ou plus, ont de minuscules testicules, une très mauvaise spermatogenèse et, dans la littérature peu abondante sur l’histologie testiculaire des gorilles, ont dans la majorité des cas ce qui semble être une cellule de Sertoli uniquement. Les humains, les parents vivants les plus proches des chimpanzés et des gorilles, se situent quelque part entre les deux.

La raison généralement acceptée de cette différence massive de spermatogenèse entre ces trois espèces étroitement apparentées réside dans leurs modèles d’accouplement différents. Les chimpanzés se rassemblent en troupes de 30 à 40 dans une famille élargie où toute femelle qui entre en chaleur est immédiatement montée par chaque mâle de la troupe. Il y a donc une intense « compétition » entre les spermatozoïdes des différents mâles pour voir lequel fécondera les ovules des femelles. Il est beaucoup plus probable que le mâle avec le plus grand nombre de spermatozoïdes et les plus gros testicules devienne le père de la progéniture mâle, en raison du degré élevé de « compétition des spermatozoïdes » chez les chimpanzés.

Chez les gorilles, c’est le contraire. Toute femelle est attachée en permanence à un seul mâle alpha silverback, et si jamais elle tombe enceinte, ce ne sera qu’avec son sperme. Donc, chez les gorilles, il n’y a pas de compétition de sperme. Il en résulte de petits testicules avec un très faible nombre de spermatozoïdes chez ces animaux par ailleurs énormes et très machos. Mais pourquoi est-ce? La réponse réside dans l’instabilité particulière du chromosome Y non recombinant.

Les répétitions directes et inversées de séquences nucléotidiques multiples (amplicons et palindromes) sont l’endroit où se trouvent tous les gènes de spermatogenèse spécifiques au testicule sur le Y. Ces zones sont sujettes à des délétions fréquentes causées par une recombinaison homologue non homologue ou « illégitime » avec elle-même, entraînant l’abandon de morceaux d’ADN souvent énormes, ce qui rend la concentration des gènes de spermatogenèse sur le chromosome Y très fragile. Donc, sans compétition des spermatozoïdes, le nombre de spermatozoïdes sur des éons de temps est susceptible de diminuer.

Le plus intéressant est de comparer le chromosome Y humain au chromosome Y du chimpanzé, qui ont tous deux été entièrement et précisément séquencés. Malheureusement, le gorille Y n’a pas encore été séquencé. Néanmoins quelques différences intéressantes sont notées entre le Y humain et le chimpanzé Y. Premièrement, le chimpanzé Y a beaucoup plus d’amplicons et de palindromes que l’humain, et néanmoins beaucoup moins de gènes ampliconiques (25 contre 60). De plus, il manque au chimpanzé Y un gène (PRY) présent sur l’AZFc chez l’humain, mais complètement absent chez le chimpanzé. En outre, ce gène s’est également avéré absent chez de rares humains qui ont un nombre de spermatozoïdes incroyablement élevé, approchant le demi-milliard. Ainsi, comparer le chromosome Y du chimpanzé super fertile à son cousin humain moins fertile peut nous aider à mieux comprendre le contrôle génétique de la spermatogenèse chez nos patients masculins infertiles.

Causes génétiques de l’infertilité masculine: rôle du chromosome Y

Des anomalies chromosomiques chez les mâles, telles que des translocations et des inversions, qui peuvent être trouvées avec le caryotypage de routine, sont trouvées chez environ 1% des mâles azoospermiques. Cependant, les anomalies chromosomiques les plus courantes chez les hommes azoospermiques sont des anomalies impliquant les chromosomes sexuels, qui se retrouvent chez environ 4% de ces hommes. Le syndrome de Klinefelter, dans lequel les patients présentent un caryotype 47, XXY, est la forme la plus fréquente. Même dans ces cas, nous pouvons généralement trouver quelques spermatozoïdes rares adéquats pour la fertilité en utilisant ICSI.

Cependant, le pourcentage d’infertilité masculine pouvant s’expliquer par le caryotypage seul est faible, ceci étant principalement dû à la faible résolution des études cytogénétiques de routine. Ce n’est qu’avec le développement de techniques moléculaires modernes telles que la réaction en chaîne par polymérase (PCR) que nous avons pu étudier les causes génétiques de l’infertilité masculine avec beaucoup plus de détails. Depuis lors, de nombreuses autres anomalies génétiques, telles que des micro-délétions et des mutations ponctuelles, ont été décrites chez les mâles infertiles, la plupart des recherches se concentrant sur le rôle des gènes sur le chromosome Y humain. Nous avons montré que le bras long du chromosome Y contient non pas un mais de nombreux intervalles de délétion distincts et au moins 60 gènes appartenant à neuf familles de gènes dont la fonction exclusive est la spermatogenèse.

En fait, la fréquence de délétion d’une ou plusieurs de ces régions sur le chromosome Y chez les hommes atteints d’azoospermie ou d’oligozoospermie sévère est d’environ 15% (Figure 1). Après notre rapport initial, de nombreux laboratoires à travers le monde ont signalé ces délétions sub-microscopiques du chromosome Y chez des hommes azoospermiques et sévèrement oligozoospermiques. En fait, le dépistage de la délétion du chromosome Y est maintenant considéré comme une pratique standard pour les patients gravement oligozoospermiques et azoospermiques subissant une procréation assistée dans la plupart des pays du monde.

AZFa & b

La région AZFa diffère des régions AZFb et AZFc en raison de sa structure non répétitive et de sa faible fréquence de délétion. Les délétions d’AZFa sont très très rares et seuls quelques patients rares ont été décrits (Figure 2). Cependant, les études de cette région sont très utiles pour comprendre la base génétique de l’infertilité masculine. L’absence de répétitions de séquences qui affligent le reste du chromosome Y a rendu cette région particulière du Y prête à une recherche ponctuelle de mutation. Étant donné que presque tous les autres gènes de la spermatogenèse sur le chromosome Y, tels que ceux de l’AZFb et de l’AZFc, sont multicopies, il est pratiquement impossible de rechercher des mutations ponctuelles dans ces gènes. On peut également se demander si des mutations ponctuelles dans un seul gène d’une famille de gènes donneront lieu à un phénotype d’infertilité sévère, car les copies intactes restantes du gène pourraient potentiellement compenser la perte de fonction du gène muté. C’est une leçon importante pour expliquer pourquoi les défauts spermatogènes sont plus ou moins graves et pourquoi même chez les hommes azoospermiques, il y a généralement encore un petit nombre de spermatozoïdes sains « se cachant » dans les testicules.

La région AZFa fournit donc également un bon modèle pour l’interaction et les fonctions de chevauchement de plusieurs gènes, ce qui met en lumière la nature polygénique du contrôle génétique de la spermatogenèse. Les délétions Y plus importantes (qui éliminent plus de gènes) sont associées à une probabilité moindre de trouver suffisamment de spermatozoïdes pour ICSI que les délétions plus petites (figure 3).

Les suppressions de la région AZFb sont légèrement plus fréquentes que les suppressions de la région AZFa, mais se retrouvent encore chez un très petit pourcentage d’hommes azoospermiques. Fait intéressant, tous les hommes atteints de délétions d’AZFb décrites à ce jour sont azoospermiques et présentent également une absence totale de spermatozoïdes dans le testicule. En fait, la région fréquemment appelée de manière simpliste AZFb chevauche AZFc et possède un nombre massif de copies répétées de gènes et de pseudogènes (RBMY, PRY, TTTY) disposés en un complexe de palindromes (séquences répétées inversées). Les suppressions dans cette région du Y sont massives et sont beaucoup moins fréquentes que dans AZFc, et sont causées par de faibles « points d’arrêt » au centre de ses répétitions inversées.

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AZFc

AZFc est la première région du Y que nous avons étudiée complètement chez les hommes fertiles et infertiles. La région la plus souvent supprimée et la mieux étudiée sur le chromosome Y est la région AZFc. La délétion de la région AZFc est trouvée chez environ 12% des hommes azoospermiques et chez 6% des hommes sévèrement oligozoospermiques. La séquence nucléotidique complète de la région AZFc a révélé une structure et une composition génétique extraordinaires. La région est construite à partir de zones massives d’identité de séquence absolue appelées amplicons qui sont disposées en répétitions directes et en répétitions inversées ou palindromes. La région AZFc s’étend sur 3,5 Mb et contient sept familles distinctes de gènes avec un total de 19 gènes qui sont tous exclusivement exprimés dans le testicule (Figure 3). Fait intéressant, l’absence de ce gros morceau AZFc de 3,5 Mb du chromosome Y ne semble avoir aucun autre effet délétère sur le mâle, sauf sur la spermatogenèse, illustrant la fonction remarquablement spécialisée de cette région du Y. Ces gènes n’affectent que la spermatogenèse et rien d’autre.

La famille de gènes DAZ, qui est l’une des sept familles de gènes situées dans AZFc, a été l’un des premiers gènes de spermatogenèse identifiés sur le chromosome Y humain. Il a été démontré que les gènes DAZ humains étaient transcrits spécifiquement dans la spermatogonie et dans les premiers spermatocytes primaires. Il est intéressant de noter que des homologues de DAZ chez d’autres espèces ont également été impliqués dans le contrôle de la spermatogenèse, soutenant et jouant un rôle essentiel de ce gène dans la fertilité masculine chez l’homme ainsi que chez presque tous les autres animaux. Des homologues de DAZ ont été trouvés chez la Drosophile (appelée Boule), chez la souris (appelée Dazl), chez les grenouilles (appelées Xdazl) et même chez les vers (appelés daz-1). Par conséquent, DAZ est le gène spermatogène le plus ancien et le mieux conservé. Contrairement aux humains, le gène DAZ chez ces autres espèces est une copie unique et situé sur un autosome plutôt que sur le chromosome Y. Chez l’humain, DAZ est présent sur le Y en quatre copies répétées presque identiques (homologie à 99,9%) disposées en deux amas avec deux gènes dans chaque amas.

L’humain conserve également un homologue autosomique de DAZ appelé DAZL, situé sur le chromosome 3s. Au cours de l’évolution, quelque temps après la scission des singes de l’Ancien et du Nouveau Monde il y a environ 30 millions d’années, le gène DAZL a été transposé sur le chromosome Y (Figure 4). Une fois que le DAZL autosomique a été transposé au Y, il a été amplifié et élagué jusqu’à ce qu’il devienne la famille de gènes DAZ moderne de quatre sur le Y. En fait, il existe encore un autre homologue de la famille DAZ chez l’homme, appelé BOULE, qui ressemble à l’homologue de la mouche boule, encore plus étroitement que DAZ ou DAZL. L’interaction exacte et le chevauchement fonctionnel possible entre ces trois membres de cette famille de gènes intéressante est l’indice de la découverte particulière de quelques spermatozoïdes survivants dans les testicules d’hommes azoospermiques.

C’est cette multiplicité de copies de gènes qui contribuent toutes quantitativement à la production totale de spermatozoïdes qui explique la quantité infime de spermatozoïdes que nous pouvons trouver à TESE chez les hommes azoospermiques, en raison du « sauvetage » de la présence continue d’au moins une de ces copies de gènes même si la plupart sont manquantes ou supprimées.

Les suppressions de toute la région AZFc entraînent la perte des quatre copies DAZ. Des délétions impliquant seulement quelques-uns des gènes DAZ sont également trouvées chez les mâles infertiles, mais ces délétions plus petites se trouvent chez les hommes avec seulement une oligozoospermie légère, indiquant un effet posologique possible du gène, c’est-à-dire que les hommes avec une délétion de seulement deux gènes DAZ sont moins affectés que les hommes avec une délétion des quatre copies. Ces données illustrent que l’infertilité est un trouble multigénique complexe et que la perturbation de différents gènes ou la perturbation de certains gènes d’une famille de gènes peut entraîner différents degrés d’échec spermatogène.

Évolution et constitution génétique du chromosome Y humain

Qu’est-ce qui fait du chromosome Y, avec ses répétitions confondantes, ses polymorphismes et ses régions dégénératives, un objet d’étude si intéressant pour l’infertilité masculine? La réponse réside dans l’histoire évolutive des chromosomes X et Y. Au cours des 240 à 320 millions d’années d’évolution des mammifères, les chromosomes X et Y ont évolué à partir de ce qui était à l’origine une paire d’autosomes ordinaires (figure 5). Au cours de cette évolution, tout comme la plupart des gènes X ancestraux se décomposaient sur le Y à cause de l’absence de recombinaison méiotique, les gènes qui contrôlent la spermatogenèse sont arrivés sur le Y à partir d’autosomes. Une fois sur le Y, ces gènes autrefois autosomiques se sont amplifiés en plusieurs copies, et ont acquis une plus grande importance grâce à un processus appelé « conversion de gènes. »Les gènes de spermatogenèse arrivés sur le Y, mais provenant à l’origine d’autosomes, comprennent les gènes DAZ (de l’autosome 3) et CDY (de l’autosome 6) qui font partie des sept familles de gènes situées dans AZFc (Figure 6). D’autres gènes de la spermatogenèse sur le Y, tels que le RBMY, ont persisté dans leur position d’origine comme sur le X. Le gène ancestral qui est resté sur le chromosome X (RBMX) a conservé ses fonctions cellulaires répandues, tandis que le RBMY, qui a persisté sur le chromosome Y en retrait, a évolué une fonction spécifique aux hommes dans la spermatogenèse. Les gènes bénéfiques pour les hommes sont ainsi arrivés et se sont accumulés sur le chromosome Y en évolution pendant plusieurs millions d’années.

Cette évolution des chromosomes X et Y modernes a été initiée par l’émergence d’un gène déterminant le sexe masculin (maintenant connu sous le nom de SRY) sur ce qui était à l’origine une paire d’autosomes ordinaires (Figure 5). Les gènes associés à la région SRY non recombinante qui étaient spécifiquement bénéfiques pour la fonction masculine ou antagonistes à la fonction féminine se sont épanouis sur le chromosome Y en évolution malgré la détérioration de gènes plus généralisés qui n’avaient pas les avantages de réparation de l’ADN de la méiose.

La question suivante que présente l’évolution des chromosomes X et Y, cruciale pour comprendre l’infertilité masculine et l’ICSI, est de savoir comment ce chromosome Y dégradé a-t-il survécu? L’absence de recombinaison du chromosome Y déterminant le mâle a entraîné une détérioration complète et la perte de la plupart de ses 1 438 gènes d’origine (le nombre de gènes sur son X correspondant) et une accumulation de seulement 60 gènes (seulement 9 familles de gènes) spécifiques au mâle qui sont situés dans des zones d’identité de séquence favorisant d’autres délétions. Alors, comment le Y survit-il du tout, et pourquoi les humains conservent-ils une spermatogenèse?

La réponse est « conversion génétique. »Il répond à la question de savoir comment ces répétitions ampliconiques et ces inversions palindromiques se produisent. Lorsque les autosomes se recombinent au cours de la méiose, l’ADN est échangé de manière à ce que les erreurs mutationnelles accumulées de la vie soient corrigées dans les cellules germinales via cet échange d’ADN. Dans un sens, les autosomes ont des « relations sexuelles » les uns avec les autres. Cette méiose correctionnelle ne peut pas se produire avec le chromosome Y. Au lieu de cela, le Y a « sexe » avec lui-même. C’est-à-dire que la séquence similaire répète le Y simplement « se recombiner » dans un sens les uns avec les autres, recombinaison homologue « illégitime ». Cette « conversion génétique » crée et répare ces copies multiples et ces répétitions de séquences d’ADN inversées qui caractérisent le Y et même tous les chromosomes déterminant le sexe. Donc, s’il y a une copie manquante ou supprimée d’un gène de la spermatogenèse, il existe d’autres copies de sauvegarde qui peuvent encore sauver la spermatogenèse dans une certaine mesure.

Conclusions sur les délétions Y et l’ICSI

L’utilisation de l’ICSI a considérablement augmenté au cours de la dernière décennie et permet même actuellement aux hommes azoospermiques avec des quantités infimes de spermatozoïdes dans leurs testicules de donner naissance à des enfants. Dans la majorité des cas, il n’y a pas d’explication évidente à la production déficiente de spermatozoïdes chez le mâle autre que génétique, et il est concevable que la progéniture ICSI mâle hérite de l’aberration et soit donc également infertile. Cette possibilité dissuadera rarement le couple infertile de subir une ICSI. Des études sur le rôle des suppressions de Y dans l’infertilité masculine ont fourni de nouvelles informations sur les raisons pour lesquelles nous pouvons trouver du sperme chez les hommes azoospermiques. On trouve actuellement des aberrations sur le chromosome Y chez environ 15 % des mâles infertiles. La plupart, mais pas tous, de ces mâles possèdent encore un certain degré de spermatogenèse qui se traduit par suffisamment de spermatozoïdes pour effectuer l’ICSI et avoir des enfants. La présence de délétions de Y ne diminue pas le taux de fécondation ou de grossesse, permettant ainsi à ces hommes de donner naissance à des enfants avec la même efficacité que les hommes non-Y-délétés subissant une ICSI.

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