Infertilité masculine de cause génétique et biologie moléculaire

30 novembre 2003

Mots clés : Infertilité masculine, biologie moléculaire, Azoospermie, chromosome Y, microdélétions, ICSI.
Auteurs : WALLERAND H., BERNARDINI S., CHABANNES E., BITTARD H.
Référence : Prog Urol, 2003, 13, 560-563
De nos jours, 15% des couples ont des difficultés à procréer. Le prélèvement chirurgical de spermatozoides associé à la technique de micro-injection (ICSI) a permis, sans se soucier de l'étiologie, de sortir de l'impasse de l'infertilité masculine autrefois considérée comme irréversible. L'avènement de la biologie moléculaire a ouvert la dimension de la génétique dans l'infertilité masculine. Si elle nous fait prendre conscience des multiples étiologies de l'infertilité masculine, elle nous montre également nos lacunes et, l'ampleur de la tâche qui nous reste à accomplir est difficilement évaluable. La microdélétion du chromosome Y, retrouvé dans 2 à 20 % des patients infertiles par trouble de la spermatogénèse, est déjà bien documentée. L'ensemble des gènes impliqués sur le chromosome Y (DAZ, RBMY...) chez les patients infertiles a montré leur rôle dans le déroulement de la spermatogénèse. La recherche d'autres gènes sur le génome n'est pas non plus dénuée de tout intérêt. Cependant, la part d'inconnue quant au devenir de ces anomalies au fil des générations doit nous amener à nous poser des questions dès maintenant. Nous proposons, à travers cet article, de répertorier et de décrire les principaux gènes dont l'implication dans la spermatogénèse a été mise en évidence par la biologie moléculaire.

Problème majeur de santé public, l'infertilité de couple représente à la fois un enjeu scientifique, médical et financier. Il ne faut cependant pas négliger l'impact psychologique de l'ensemble de la procédure. Les études réalisées s'accordent pour conclure que 15% des couples présentent des difficultés à procréer, avec dans 2/3 des cas, une cause masculine exclusive ou associée [18]. La biologie moléculaire a permis de retrouver des étiologies à une échelle non explorée jusqu'à présent. Elle nous a ouvert de nouvelles perspectives mais elle nous a également fait mesurer l'étendue de nos lacunes. Sans remettre en cause la valeur explicative de certaines étiologies reconnues (varicocèle, infection génito-urinaire, anticorps anti-spermatozoides...), ce profond changement de l'approche de l'infertilité masculine a pour conséquence d'y ajouter une dimension nouvelle. Le but de cet article est de répertorier les principaux gènes impliqués dans la spermatogénèse, tout en sachant que la seule anomalie officiellement reconnue responsable d'infertilité masculine par trouble de la spermatogénèse (azoospermie non- obstructive, oligospermie sévère) est la microdélétion du chromosome Y.

INFERTILITE MASCULINE ET GENETIQUE

L'azoospermie et l'oligospermie sévère (<5 106 spermatozoides/ ml) sont des déficits quantitatifs suspects de la présence d'un problème génétique sous-jacent occasionnant une anomalie dans le bon déroulement du processus biologique complexe qu'est la spermatogénèse [1]. Jusqu'à présent, ils n'étaient pas explorés sur le plan génétique dans la mesure où le phénotype de ces patients était normal en dehors du trouble de la spermatogénèse à l'origine de l'infertilité. Actuellement, l'intérêt pour les causes génétiques est manifeste [13]. Le syndrome de Klinefelter (47, XXY) est un grand pourvoyeur d'infertilité masculine (azoospermie non-obstructive) par aberration chromosomique numérique [23]. Les anomalies de structure des chromosomes contribuent également à la production de patients porteurs d'azoospermie non-obstructive. Sur la population masculine infertile, 5,8% ont une anomalie chromosomique explicative : 4,2% concerne les gonosomes et 1,5% les autosomes [8].

Sur le plan moléculaire, un nombre considérable de gènes essentiels à la fonction reproductive de l'homme etde la la spermatogénèse en particulier ont été identifiés. Les troubles de la spermatogénèse qui en découlent (azoospermie non-obstructive, oligospermie sévère confinant à l'azoospermie) sont contournés par l'I.C.S.I. (IntraCytoplasmic Sperm Injection) qui permet, à partir de spermatozoides testiculaires prélevés chirurgicalement (T.E.S.E. : Testicular Sperm Extraction), d'obtenir de bons résultats en terme d'implantation et de grossesse biologique [5].

MICRODELETIONS DU CHROMOSOME Y

Le chromosome Y est fortement impliqué dans la spermatogénèse et son bras long (Yq) comporterait une quinzaine de familles de gènes qui auraient un rôle de plus ou moins grande importance [10]. C'est dans les années 60 que les premières délétions du chromosome Y ont été observées chez des patients infertiles [27]. Le fait d'avoir un phénotype normal en dehors de cette infertilité (azoospermie, oligospermie sévère) avait été déjà remarqué. La présence dans la région euchromatique de Yq de facteurs impliqués dans le déroulement de la spermatogénèse avec un effet plus quantitatif que qualitatif a alors été suggéré.

En 1976, Tiepolo, en réalisant un simple caryotype, a découvert des délétions grossières sur le bras long du chromosome Y dans 0,6% des azoospermies non-obstructives. L'hypothèse d'une région proximale de Yq impliquée dans la spermatogénèse est confirmée et nommée AZF (AZoospermia Factor) [25]. 2-20% des patients infertiles sont porteurs d'une microdélétion du chromosome Y, mais à ce jour, rien ne permet d'attribuer à coup sûr cette infertilité à cette anomalie génétique.

C'est plus précisément en Yq11 que seraient localisés certains gènes indispensables à la spermatogénèse.La biologie moléculaire a permis la subdivision du chromosome Y en 7 régions [28]. AZF, situé dans le locus Yq11, est localisé dans les intervalles 5 et 6, et c'est dans cette zone qu'ont été découvertes des microdélétions interstitielles ou microdélétions [19]. Cette cartographie moléculaire a encore divisée AZF en 3 régions AZFa, AZFb et AZFc [9,29].

De multiples unités de transcription ont été retrouvées dans la région AZF. C'est la région AZFc qui est la plus souvent délétée chez les patients infertiles par troubles de la spermatogénèse. Il s'agit d'une microdélétion de novo retrouvée chez 1/4000 hommes (13% de azoospermes non-obstructifs, 6% des oligospermes sévères) [16, 17, 26]. Une quatrième région, AZFd, a été dernièrement décrite mais, elle ferait partie intégrante de AZFc [20]. Ces 3 régions AZFa, AZFb et AZFc sont donc à l'origine d'azoospermie non-obstructive ou d'oligospermie sévère lorsqu'elles sont délétées [22].

Le locus AZFa est situé dans la région proximale de l'intervalle 5 et sa taille est d'environ 3 Mb (Méga bases). 3 gènes y sont localisés : DFFY (Drosophila Fat Facet, Y-linked), DBY (DEAD box, Y chromosome) et UTY (Ubiquitously Transcribed tetratricopeptide repeat, Y chromosome) [28].

Le locus AZFb se situe dans l'extrémité proximale de l'intervalle 6 et dans la partie distale de l'intervalle 5. Sa taille est estimée entre 1 et 3 Mb. Il comprend 5 familles de gènes SMCY (Selected mouse cDNA, Y chromosome), CDY (Chromodomaine protein, Y chromosome), EIF1AY (Eucaryotic translation initiation factor 1A, Y chromosome), XKRY (XK-related protein, Y chromosome) et surtout RBMY (RNA binding protein). Près de 50% des délétions en Yq11 impliquent le locus AZFb [2].

Le locus AZFc se situe dans la partie distale de l'intervalle 6 et sa taille approximative est de 4,5 Mb [7]. 11 unités transcriptionnelles préférentiellement exprimées dans la gonade sont retrouvées dans ce locus. Environ 15 à 20 gènes regroupés en 5 familles y sont localisés dont RBMY, PRY (PTP-BL related, Y chromosome), CDY, BPY (basic protein, Y chomosome) et surtout DAZ (Deleted in AZoospermia) [15, 16].

La délétion de chacun ou plusieurs de ces locus a été suggérée comme élément pronostic du résultat de la tentative de prélèvement chirurgical de spermatozoides (T.E.S.E.) [12]. Par exemple, une délétion proximale de AZFa + AZFb provoque des troubles sévères de la spermatogénèse avec une haute prévalence à l'histologie de syndrome de cellules de Sertoli seules (S.C.O. : Sertoli Only Cells) alors que les délétions distales impliquant AZFb + AZFc sont compatibles avec une spermatogénèse résiduelle [4]. Cependant, rapporter un phénotype d'infertilité ou une histologie testiculaire à une délétion précise de AZF reste encore très complexe à faire.

GENES CANDIDATS SUR LE CHROMOSOME Y

Entre 15 et 20 gènes essentiels à la spermatogénèse sont localisés sur la portion non recombinante de Yq. Ils sont divisés en 2 catégories, d'un côté les gènes ubiquitaires possédant un homologue sur le chromosome X (DFFRY, DBY, SCMY) et d'un autre côté, les gènes dits "testiculaires" qui sont Y-spécifiques (DAZ, RBMY, CDY, BPY, PRY) [11]. Les gènes DAZ et RBM sont de loin les plus étudiés.

Gène DAZ

Cette famille de gènes est localisée en AZFc. C'est le gène retrouvé le plus fréquemment délété dans les infertilité masculines par trouble de la spermatogénèse avec microdélétions du chromosome Y. Chez les patients azoospermes non-obstructifs avec délétions AZFc, il y a une constance dans la taille du fragment délété qui est de 3,5 Mb et dans lequel on trouve 7 des 11 unités transcriptionnelles sus-citées et notamment DAZ.

DAZ a été identifié en 1995 et contient en fait 4 copies (DAZ 1, DAZ2, DAZ3, DAZ4) [16]. Sa taille est comprise entre 50 et 70 kb (kilo bases). Il s'exprime uniquement dans la lignée germinale du testicule. La protéine a un motif RRM (RNA Recognition Motif) suggérant son implication dans la régulation du métabolisme du RNA [24]. DAZL est l'homologue autosomal de DAZ sur le chromosome 3 (3p25). Il partage 88% d'homologie de séquence avec Dazl qui est le gène homologue murin localisé sur le chromosome 17 de la souris, témoignant du fait que ces gène DAZ est ancestral et a été, au cours de l'évolution des espèces, transposé sur le chromosome Y [21].

Jusqu'à présent, aucune mutation n'a été montrée dans la famille des gènes DAZ mais, la fréquence élevée de délétions chez les patients infertiles rendent son implication plus que probable et en font donc un excellent gène candidat.

Gènes RBM

Cette famille comportant environ 40 gènes et pseudogènes a été découvertes en 1993 [15]. La plupart sont localisés sur le locus AZFb. Dans la famille des gènes RBM, seul RBM1 est actif sur le plan transcriptionnel et la majorité des délétions de AZFb comprennent au moins une copie fonctionnelle de RBM1. L'expression des gènes RBM1 sont testiculaire spécifiques, ce qui suggère leur importance dans le déroulement de la spermatogénèse. Cependant, le faible pourcentage de délétions de RBM1 comparé à celui bien plus élevé de DAZ, lui attribue un rôle moins prédominant que DAZ dans la spermatogénèse.

Gènes DFFRY, BBY

Le gène DFFRY (159 kb) est localisé dans la partie centrale de AZFa et possède un homologue sur le chromosome X (DFFRX) avec lequel il partage environ 89% d'homologie de séquence. Son expression est ubiquitaire (testicule, rétine, muscle, poumon, foie) [3]. Le gène DBY, en aval de DFFRY, a lui aussi un homologue sur Xp11.3 et il exprimé également de façon ubiquitaire.

Les délétions de DFFRY et DBY ont le plus souvent comme conséquence clinique une hypospermatogenèse sévère [14].

AUTRES GENES IMPLIQUES

Si beaucoup d'études se sont concentrées sur le chromosome Y, il n'en demeure pas moins que d'autres gènes liés à la spermatogénèse sont localisés ailleurs sur le génome. Sans en décrire une liste exhaustive, certains ont été plus souvent cités que d'autres comme par exemple le gène du récepteur aux androgènes localisé sur le bras long du chromosome X (Xp11-12). Ce gène est étroitement lié au développement de la sphère génitale masculine et à la spermatogénèse à partir de la puberté. Il a été mis en évidence une répétition de triplets CAG dans l'exon 1 du gène qui en comporte 11 [30]. Chez des patients infertiles idiopathiques (azoospermes, oligospermes sévères), il a été prouvé que ce motif de triplets CAG de l'exon 1 du récepteur aux androgènes était plus long que chez des patients d'un groupe contrôle ayant eu au moins une paternité par conception naturelle [31]. D'autre part, il a été montré, dans des études in vitro, que la fonction de transcription de ce gène était inversement proportionnelle à la longueur du motif de triplets CAG de l'exon 1. Ceci expliquerait, selon la taille de ce motif, le trouble plus ou moins sévère de la spermatogénèse que cela engendre, allant de l'oligospermie à l'azoospermie. Cependant, des désaccords existent encore, et il semblerait que, outre la taille insuffisante des échantillons étudiés, l'ethnie de la population étudiée puisse être à l'origine des différences observées [31].

Dans une autre étude menée sur le récepteur à la progestérone, il a été montré que les protéines tronquée (PR-A) et normale (PR-B) sont toutes les deux exprimés dans le tissu testiculaire normal et celui montrant un arrêt de maturation des cellules germinales. Cependant, dans le syndrome de cellules de Sertoli seules (S.C.O.), seule la protéine tronquée (PR-A) est présente et pas la normale (PR-B) [6].

D'autre part, le récepteur aux oestrogènes est faiblement exprimé dans le tissu testiculaire montrant un arrêt de la maturation, et fortement dans le syndrome de Sertoli seules. Ainsi, ces deux récepteurs sembleraient impliqués dans l'infertilité masculine.

Enfin, seulement pour les citer, des recherches sur des protéines spécifiques des cellules germinales exprimées pendant la méiose comme la phosphoglycérate kinase 2 ou encore la protéine de choc thermique 70-2 (HSP 70-2) sont actuellement menées.

Conclusion

La relation entre la génétique et l'infertilité masculine est maintenant reconnue. Si elle ouvre de nouvelles perspectives, en matière de recherche, on est encore loin des résultats qui ont été obtenus pour d'autres pathologies. Le fait que l'infertilité masculine n'engage pas le pronostic vital (comme la pathologie néoplasique) lui a certainement porté préjudice. La découverte de l'ICSI a été déterminante dans la mesure où les hommes, qui ne pouvaient pas obtenir d'enfants auparavant, ont maintenant la possibilité d'avoir une paternité. Ainsi, une attention toute particulière se porte, depuis le milieu des années 90, sur les azoospermes non-obstructifs et oligospermes sévères. Cependant, si le rôle des chercheurs est important, que dire de celui des cliniciens qui manipulent les gamètes, redonnent de l'espoir aux couples, sans pour autant maïtriser complètement les conséquences. En effet, la procréation médicalement assistée, avec l'ICSI, a fait un bon énorme en matière de traitement de l'infertilité masculine. Cependant, la transmission verticale père-fils d'anomalies génétiques, comme la microdélétion du chromosome Y ou l'expansion du motif de triplets CAG du récepteur aux androgènes, pourrait très bien, si elles ne restent pas stables au fil des générations, aboutir à des pathologies engageant le pronostic vital. Ainsi, le couple doit bénéficier d'une information exhaustive (conseil génétique) quant aux risques potentiels lui permettant de comprendre et d'assumer sa part de responsabilité de l'I.C.S.I. (consentement éclairé).

Références

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