La méiose est une division cellulaire spécialisée essentielle à la production de gamètes haploïdes. Au cours de la prophase I, les chromosomes homologues (chacun constitué de chromatides sœurs maintenues ensemble par la cohésine) doivent accomplir trois tâches critiques : 1) se reconnaître et s’apparier, 2) se connecter en formant le complexe synaptonémal (SC) entre leurs axes latéraux, et 3) échanger de l’ADN par recombinaison homologue, ce qui entraîne des croisements (CO) entre chromatides non sœurs 1,2. La connexion physique résultant de la formation de croisements, maintenue par la cohésine, assure une bonne biorientation et ségrégation des chromosomes pendant la métaphase I 3,4,5.
La prophase méiotique I comprend cinq étapes, chacune définie par l’état de la synapse6. Dans le leptonème (grec pour fil fin), les chromosomes se condensent lorsque l’élément axial (marqué par SYCP3) se forme le long des axes chromosomiques. Au cours des zygonema (fils joints), les homologues commencent à synapser lorsque l’élément transversal du SC (SYCP1) se forme entre les axes7. Chez le pachynema (fil épais), les chromosomes sont synapsés sur toute leur longueur. Le SC se désassemble ensuite pendant le diplonéma (deux fils), laissant les homologues connectés uniquement aux sites de croisement (chiasmes). Les chiasmes sont le produit d’une recombinaison homologue, un processus initié par l’induction programmée de cassures double brin de l’ADN (DSB). Sur des centaines de DSB, seulement ~10 % deviennent des CO. Chez la souris, la plupart (90 % à 95 %) se forment par la voie CO de classe I facilitée par MutLγ (MLH1-MLH3), les CO restants étant fabriqués par MUS81-EME1 par la voie CO de classe II8, 9, 10, 11.
L’appariement, la synapse et la recombinaison sont des processus hautement régulés et interdépendants. Les erreurs déclenchent généralement des mécanismes de point de contrôle, conduisant à la mort cellulaire. Chez les femelles, la perte de cellules germinales due à des erreurs précoces de prophase I peut entraîner une insuffisance ovarienne prématurée12,13, tandis que des erreurs tardives (par exemple, des homologues ne formant pas de CO, un mauvais déplacement des CO ou une perte prématurée de cohésine) peuvent entraîner une méségrégation chromosomique et une aneuploïdie. Chez l’homme, les erreurs méiotiques sont l’une des principales causes de perte de grossesse et d’infertilité. La méiose féminine est particulièrement sujette aux erreurs. Environ 20 à 80 % des ovules humains (contre 2,5 à 7 % des spermatozoïdes) portent un nombre anormal de chromosomes, la plupart résultant d’erreurs dans la première division méiotique 14,15,16,17. Bien que l’âge ait été identifié comme la principale cause d’aneuploïdie maternelle, la raison pour laquelle les ovocytes sont si sensibles aux erreurs reste incertaine.
Malgré l’importance de comprendre les facteurs sous-jacents aux taux d’erreur élevés dans les ovocytes, la plupart de nos connaissances sur la régulation des événements de prophase I proviennent d’études sur la méiose masculine. Parce qu’un petit fragment de matériel testiculaire adulte fournit suffisamment de matériel pour évaluer tous les stades des cellules germinales méiotiques et post-méiotiques, la méiose masculine a longtemps été plus facilement accessible aux chercheurs. En revanche, la méiose féminine se produit de manière discontinue. Chez la souris, la prophase I progresse de manière semi-synchrone dans l’ovaire fœtal, à partir d’environ 14 jours après le coït (dpc ; Figure 1A), peu de temps après la détermination du sexe gonadique 18,19,20. Au moment de la naissance, les ovocytes entrent en arrêt dictyé jusqu’à l’ovulation des mois (chez la souris) ou des décennies (chez l’homme) plus tard 21,22,23. Par conséquent, les stades spécifiques de la prophase I ne sont accessibles que pendant des fenêtres de développement limitées (Figure 1A), les événements post-prophase I ne se produisant que dans quelques ovocytes à la fois chez les juvéniles et les adultes. Bien que les progrès techniques aient amélioré les études sur la méiose des ovocytes chez les mammifères, ces méthodes restent difficiles et longues par rapport aux techniques comparables utilisées dans les études masculines.
L’analyse méiotique féminine est encore compliquée par la limitation de la sous-stadification des ovocytes pachytènes, ce qui est essentiel pour l’étude de la désignation et de la maturation des transitions. Les études masculines bénéficient d’une dynamique d’appariement des chromosomes sexuels bien caractérisée et de la présence de la variante d’histone, H1t, qui servent de marqueurs pour le pachynème précoce, moyen et tardif 24,25,26. Cependant, aucune méthode fiable n’a été formalisée pour sous-stadifier les ovocytes de pachytènes.
Les protocoles présentés ici facilitent une analyse complète de la synapse et de la recombinaison dans les ovocytes de souris de la prophase I précoce à la métaphase I. Ce travail s’appuie sur les techniques classiques de propagation des chromosomes développées par Peters et al.27 et Tarkowski28 et les raffinements antérieurs de ces méthodes par Hunt29 et Sun et Cohen30. Ce protocole a été développé pour mettre l’accent sur : 1) l’enrichissement et l’identification de sous-étapes spécifiques de la prophase I, 2) la maximisation du nombre d’applications effectuées par paire d’ovaires fœtaux, et 3) des mesures complètes et accessibles pour l’évaluation des défauts de synapse et de la recombinaison des foyers aux chiasmes.