Spermatogenèse et métabolisme énergétique mitochondrial
La spermatogenèse comprend trois étapes séquentielles : la prolifération mitotique, la méiose et la spermiogenèse, impliquant la prolifération des spermatogonies, leur différenciation en spermatocytes, la division méiotique, la maturation des spermatides et la spermiation dans la lumière des tubules séminifères. Les spermatogonies sont classées en types réservistes et renouvelants. Certaines spermatogonies sont conservées comme cellules souches, tandis que d'autres participent à la spermatogenèse par différenciation. En outre, certaines subissent une mort cellulaire programmée, telle que l'apoptose. Les spermatocytes primaires diploïdes subissent deux cycles de division méiotique pour se différencier en spermatides haploïdes. Pendant la spermiogenèse, les spermatides rondes cessent de se diviser et se transforment en spermatides fortement allongées, qui finissent par donner des spermatozoïdes matures.
La spermatogenèse nécessite des interactions coordonnées entre les cellules germinales (y compris les spermatogonies, les spermatocytes, les spermatides et les spermatozoïdes) et les cellules de Sertoli soutenantes, ainsi que le maintien de l'intégrité de la barrière hémato-testiculaire10,11. La barrière hémato-testiculaire, formée par des jonctions serrées entre des cellules de Sertoli adjacentes, divise l'épithélium séminifère en compartiments basal et adluminal, créant ainsi un microenvironnement spécialisé essentiel au développement des cellules germinales et le maintenant11,12. Par conséquent, la spermatogenèse — depuis les cellules souches spermatogoniales jusqu'aux spermatozoïdes matures — se déroule au sein de ce microenvironnement testiculaire unique. Le processus de production des spermatozoïdes dépend fortement de la fonction mitochondriale13. En tant que centre du métabolisme énergétique dans les cellules eucaryotes, les mitochondries sont considérées comme essentielles à la production de spermatozoïdes. La formation des spermatozoïdes dépend fortement de l'approvisionnement énergétique et des fonctions de signalisation des mitochondries. Dans les cellules germinales en développement, les mitochondries fournissent non seulement l'ATP essentiel à la spermatogenèse, mais influencent également ce processus en participant à la signalisation intracellulaire, à la régulation du cycle cellulaire et à la mort cellulaire programmée13. Dans les cellules de Leydig, les mitochondries jouent un rôle crucial dans la production des hormones stéroïdiennes, et la synthèse mitochondriale d'ATP est nécessaire à la production de testostérone dans ces cellules interstitielles testiculaires14. De plus, en tant que seul organite possédant un ADN indépendant, l'ADN mitochondrial est étroitement lié à la qualité des spermatozoïdes. Par conséquent, comprendre l'état mitochondrial et ses mécanismes régulateurs est important pour révéler le processus de la spermatogenèse et maintenir la fertilité masculine.
Le métabolisme énergétique est essentiel pour la spermatogenèse, qui nécessite une quantité importante d'ATP. Les deux voies principales de production d'ATP sont la phosphorylation oxydative mitochondriale (OXPHOS) et la glycolyse. L'approvisionnement en ATP dépend du stade ; alors que l'OXPHOS devient de plus en plus importante durant la méiose et la formation du piètement, la glycolyse contribue de manière significative à la production d'ATP, notamment dans les spermatozoïdes matures. La glycolyse soutient également la maturation, la mobilité et le passage des spermatozoïdes dans les voies reproductrices femelles en fournissant un approvisionnement énergétique souple et rapide.
Cependant, dans les spermatogonies et les premiers spermatocytes, les mitochondries sont relativement petites et présentent une activité OXPHOS limitée. À mesure que la spermatogenèse progresse vers des stades ultérieurs, tels que les spermatocytes, les spermatides et les spermatozoïdes, les mitochondries subissent un remaniement et leur activité OXPHOS devient plus spatialement concentrée et plus efficace. De plus, en raison de la barrière hémato-testiculaire, les substrats disponibles varient selon les stades. Les spermatogonies, situées dans le compartiment basal de l'épithélium séminifère, peuvent accéder au glucose circulant et produire de l'énergie par glycolyse. En revanche, les spermatocytes et les spermatides situés dans le compartiment adluminal sont séparés du sang et de l'interstitium par la barrière hémato-testiculaire et dépendent des cellules de Sertoli pour absorber le glucose via des transporteurs de glucose (GLUT), puis le convertir en pyruvate par glycolyse. Le pyruvate est ensuite transformé en lactate par la lactate déshydrogénase (LDH). Le lactate est transporté vers les spermatocytes via des transporteurs de monocarboxylates (MCT), où il est reconverti en pyruvate par la LDH, puis transformé en acétyl-CoA par la pyruvate déshydrogénase (PDH) pour entrer dans le cycle de l'acide tricarboxylique (TCA). Enfin, le pyruvate est transporté vers les mitochondries via le transporteur mitochondrial du pyruvate afin de favoriser l'OXPHOS.
Détérioration de la spermatogenèse par un dysfonctionnement mitochondrial
Pendant la spermiation, les spermatozoïdes matures sont libérés des cellules de Sertoli dans la lumière des tubules séminifères, puis transportés vers l'épididyme. Ce processus nécessite un apport énergétique important provenant des mitochondries. Lorsque la fonction mitochondriale est altérée, la spermatogenèse est entravée. Les signes clés de dysfonction mitochondriale incluent une production excessive d'espèces réactives de l'oxygène (ROS), des modifications du potentiel membranaire mitochondrial (MMP), un déséquilibre des dynamiques de fission et de fusion mitochondriales, une biogenèse mitochondriale altérée, une mitophagie déficiente et une perturbation de l'homéostasie des ions calcium.
Le processus par lequel les mitochondries produisent de l'ATP par phosphorylation oxydative est également accompagné de la production d'espèces réactives de l'oxygène (ERO). Les mitochondries constituent la principale source d'ERO, qui sont principalement générées au niveau des complexes respiratoires I et III de la chaîne de transport d'électrons mitochondriale (CTE)15. Dans des conditions physiologiques normales, des concentrations appropriées d'ERO participent à des voies de signalisation régulant la spermatogenèse. Toutefois, un excès d'ERO peut entraîner un déséquilibre redox, provoquant un stress oxydatif et altérant la spermatogenèse. Ainsi, l'équilibre entre le métabolisme énergétique mitochondrial et la production d'ERO est un facteur clé pour assurer la spermatogenèse.
Une OXPHOS mitochondriale efficace nécessite l'entrée de substrats carbonés respiratoires (par exemple, le pyruvate, les acides gras) à travers la membrane mitochondriale externe vers l'espace intermembranaire. Ces substrats sont ensuite transportés vers la matrice via des transporteurs situés dans la membrane mitochondriale interne, où ils participent au cycle de l'acide citrique (TCA). Au cours du cycle TCA, ces substrats carbonés subissent une dégradation oxydative, produisant du nicotinamide adénine dinucléotide (NADH) et du flavin adénine dinucléotide (FADH2). Ces produits cèdent des électrons à la chaîne de transport des électrons (ETC) et alimentent l'OXPHOS pour la synthèse d'ATP à partir d'ADP et de phosphate inorganique (Pi). Des interruptions dans le cycle TCA ou les voies de la chaîne de transport des électrons peuvent altérer la production de spermatozoïdes16. Le potentiel membranaire mitochondrial (MMP), en tant qu'indicateur de l'état énergétique cellulaire et de la fonction mitochondriale, s'est révélé associé à la mobilité des spermatozoïdes17 et à la capacité fécondante globale18.
Sous stress mitochondrial, la fission peut séparer les segments mitochondriaux endommagés, tandis que la fusion peut favoriser le mélange du contenu et la complémentation fonctionnelle. Les mitochondries endommagées ou excédentaires peuvent ensuite être dégradées et recyclées par mitophagie. Ensemble, la biogenèse mitochondriale, la fission, la fusion et la mitophagie constituent le contrôle de qualité mitochondrial (MQC), qui soutient la fonction et le remodelage mitochondriaux19.
La spermatogenèse implique la différenciation des spermatogonies en spermatozoïdes, ce qui entraîne non seulement des changements importants de la morphologie cellulaire, mais nécessite également le soutien et la régulation du métabolisme énergétique. En tant que centrales énergétiques des cellules, les mitochondries jouent un rôle essentiel dans des aspects clés de la spermatogenèse, notamment l'approvisionnement en énergie, la transduction du signal et la mort cellulaire programmée. Au cours de la spermatogenèse, les besoins métaboliques des cellules germinales varient selon les stades de développement. Le nombre et la morphologie des mitochondries subissent des modifications importantes durant la spermatogenèse. Lors de la formation des spermatozoïdes, de nombreuses mitochondries sont éliminées, tandis que celles qui sont conservées s'organisent dans la pièce intermédiaire du spermatozoïde pour former une gaine mitochondriale autour de l'axonème et des structures associées du flagelle. Ainsi, au cours de la spermatogenèse, les mitochondries présentes dans diverses cellules testiculaires subissent continuellement des processus de fusion et de fission, nécessitant un mécanisme efficace et précis de contrôle de qualité mitochondrial (MQC) afin d'assurer leur fonction normale et de répondre aux besoins énergétiques élevés de la spermatogenèse. Lors de la production des spermatozoïdes, la morphologie et le nombre de mitochondries subissent des changements significatifs, et le contrôle de qualité mitochondrial joue un rôle fondamental dans ce processus. Les protéines cibles clés impliquées dans le contrôle de qualité mitochondrial sont répertoriées dans Table 1.
Spermiogenèse et dynamique mitochondriale
Les mitochondries sont des organites hautement dynamiques dont la morphologie, la taille et la distribution subcellulaire sont continuellement remodelées par une fusion et une fission coordonnées, un processus appelé collectivement dynamique mitochondriale. Dans des conditions physiologiques normales, la fusion et la fission sont en équilibre dynamique, ce qui maintient l'homéostasie mitochondriale, facilite la complémentation fonctionnelle et assure un héritage mitochondrial adéquat lors de la division cellulaire. La perturbation de cet équilibre — qu'elle soit due à une abolition génétique, à des défauts de modification post-traductionnelle ou à un stress pathologique — altère la fonction mitochondriale, compromet la production d'énergie et finit par entraver la spermatogenèse. La régulation précise de la dynamique mitochondriale est particulièrement cruciale dans les cellules germinales, car la spermatogenèse implique des changements métaboliques importants et un remodelage morphologique étendu qui exigent une adaptation spécifique à chaque stade de l'architecture et de l'activité mitochondriales.
La fusion mitochondriale est médiée par MFN1 et MFN2 sur la membrane mitochondriale externe et par OPA1 sur la membrane interne, facilitant le mélange du contenu, la complémentation fonctionnelle et le maintien de l'intégrité de l'ADN mitochondrial. La fusion n'est pas seulement une réponse de défense, mais un mécanisme dépendant du contexte qui soutient l'héritage mitochondrial et l'adaptation métabolique durant la différenciation des cellules germinales. Lors de la différenciation des spermatogonies, l'expression de MFN augmente, et la perte de MFN1 ou de MFN2 entraîne une oxydation de l'ADN et une apoptose dans les spermatogonies et les spermatocytes, conduisant à une infertilité masculine20,21. Des mutations de MFN1 provoquent une atrophie testiculaire chez la souris, avec une réduction marquée des spermatocytes et un échec de la production de spermatozoïdes, tandis que les spermatogonies indifférenciées restent intactes, suggérant que MFN1 est nécessaire pour la progression méiotique20. MFN2, en revanche, régule à la fois les fonctions mitochondriales et du réticulum endoplasmique, jouant un rôle distinct dans la spermatogenèse21.
La fission mitochondriale est orchestrée par DRP1, qui est recruté à la membrane externe mitochondriale par l'intermédiaire de protéines adaptatrices telles que FIS1, MFF, MID49 et MID51. Une fois recruté, DRP1 s'assemble en oligomères de forme annulaire qui resserrent et divisent les mitochondries de manière dépendante du GTP. Ce processus implique trois étapes principales : l'activation de DRP1 par phosphorylation, son recrutement à la membrane externe via des interactions avec FIS1, MFF, MID49 et MID51, puis son assemblage en une structure en anneau qui entoure et comprime les mitochondries, consommant du GTP et produisant deux organites distincts. La fission n'est pas simplement un mécanisme d'élimination des mitochondries dépolarisées ou destiné à répondre à des besoins énergétiques accrus ; au contraire, il s'agit d'un processus coordonné qui régule la distribution mitochondriale, la ségrégation des composants endommagés, l'héritage lors de la division cellulaire et la remodélisation de l'architecture mitochondriale. Les souris dépourvues de DRP1 présentent une létalité embryonnaire22,23 ; les souris déficientes en MFF montrent une fertilité réduite et un comptage spermatozoïde diminué, offrant ainsi un modèle précieux pour l'étude de la fission mitochondriale dans le développement des cellules germinales mâles24. La fission mitochondriale est essentielle à la formation adéquate de la gaine mitochondriale durant la spermiogenèse.
La spermatogenèse est un processus exigeant sur le plan énergétique, reposant principalement sur la glycolyse dans les spermatogonies et sur la phosphorylation oxydative (OXPHOS) dans les spermatocytes et les spermatides. L'OXPHOS est particulièrement critique pendant la méiose, et son efficacité dépend de dynamiques mitochondriales intactes25,26. Après la méiose, MFF et d'autres protéines de fission régulent la fission mitochondriale et participent à la formation de la gaine mitochondriale du spermatozoïde24. Pendant la spermiogenèse, certaines mitochondries sont conservées de manière sélective et remodelées en une gaine, tandis que les mitochondries excédentaires et les composants cytoplasmiques sont éliminés par autophagie27. Des protéines telles que OPA1, DRP1 et MFF pourraient constituer des cibles de recherche prometteuses pour améliorer la fonction spermatique, mais leur pertinence thérapeutique nécessite une validation supplémentaire. Une étude plus approfondie du contrôle de la qualité mitochondriale (MQC) dans la spermatogenèse humaine pourrait faciliter de futures recherches diagnostiques ou thérapeutiques en matière d'infertilité masculine.
Spermatogenèse et autophagie mitochondriale
La mitophagie joue un rôle essentiel dans la spermatogenèse28. Elle implique principalement l'englobement des mitochondries endommagées par des autophagosomes. Ces derniers, contenant des mitochondries lésées, fusionnent ensuite avec les lysosomes, et les mitochondries sont dégradées par l'action lysosomale, permettant ainsi l'élimination des mitochondries endommagées et assurant un contrôle de qualité. La voie classique de l'autophagie mitochondriale est la voie PINK1/Parkin, bien que des voies indépendantes de PINK1/Parkin aient également été décrites29.
L'autophagie contribue au maintien de l'intégrité de l'acrosome, de la polarisation des spermatides et de la dégradation des composants cytoplasmiques durant la spermatogenèse, bien que ces processus reflètent une autophagie générale plutôt qu'une mitophagie sélective, sauf si l'élimination mitochondriale est spécifiquement démontrée. Des études ont montré que la mitophagie est étroitement liée à la dynamique mitochondriale, et que la fission mitochondriale pourrait faciliter la mitophagie afin d'éliminer les mitochondries excédentaires ou endommagées30. FIS1, bien qu'il s'agisse d'une protéine de fission mitochondriale, participe également à la mitophagie durant la spermatogenèse31. RAB7A intervient dans la formation des mitophagosomes et la maturation des autophagosomes32. FIS1 interagit avec la protéine GTPase mitochondriale TBC1D1533,34. TBC1D15 régule l'activité de RAB7A, qui est impliquée dans la fusion des vésicules et des lysosomes ainsi que dans la maturation des autophagosomes34,35. Lorsque FIS1 est inactivé, RAB7A peut rester actif à la surface mitochondriale, entraînant une croissance et une tubulation anarchiques de la membrane de l'autophagosome ; l'agrégation de LC3 peut alors être observée par microscopie optique35. La mitophagie peut également survenir indépendamment de la fission mitochondriale médiée par DRP1, de sorte que la fission ne doit pas être considérée comme obligatoire pour l'élimination mitochondriale35.
Pendant la spermiogenèse, les spermatides sont débarrassés de leurs composants cellulaires excédentaires, et des études ont montré que les autophagosomes sont particulièrement abondants dans les spermatides36. Le gène autophagique fondamental Atg7 est associé à la polarisation des spermatides et à l'élimination du cytoplasme au cours de la spermatogenèse ; toutefois, les types précoces de cellules germinales semblent moins affectés dans ce contexte27,36. De plus, la mitophagie est renforcée dans les modèles testiculaires lésés, notamment dans les cellules de Leydig29, les cellules souches/progéniteurs spermatogoniaux37,38, les cellules de Sertoli39 et les testicules immatures de rat exposés à des toxiques40. Lors de la spermatogenèse, l'autophagie mitochondriale est liée à l'apoptose et à d'autres formes de mort cellulaire programmée, affectant ainsi la production de spermatozoïdes dans les testicules41,42.
Contexte bibliométrique
Une analyse bibliométrique ciblée de la collection Web of Science Core Collection, couvrant la période de 1970 à 2023, a été réalisée à l’aide des termes de recherche « spermatogenèse » et « MQC » ; les études portant sur des non-mammifères et les documents non pertinents ont été exclus, et VOSviewer 1.6.20 a été utilisé pour la visualisation43. Après dépouillement, 1 019 articles provenant de 1 217 institutions réparties dans 66 pays et impliquant 5 705 auteurs ont été retenus. Le nombre de publications a augmenté régulièrement (figure 2A). Les États-Unis et la Chine ont contribué au plus grand nombre d’articles (212 et 196 respectivement), et les États-Unis ont obtenu le nombre de citations le plus élevé (12 295 ; figure 2B). Les réseaux institutionnels et des auteurs sont résumés dans les figures 2C et 2D.
L'analyse de la co-occurrence des mots-clés (fréquence > 7) a révélé un accent mis sur la mobilité des spermatozoïdes, le stress oxydatif, l'apoptose ou mort cellulaire programmée, les dommages de l'ADN, la peroxydation lipidique et la qualité spermatique (Figure 3). Ces profils bibliométriques soutiennent, sans les remplacer, l'analyse mécanistique : le domaine de recherche est centré sur les atteintes oxydatives et les paramètres de mobilité, tandis que les preuves humaines directes reliant les voies spécifiques de contrôle qualité mitochondrial à l'infertilité restent limitées.