Physiologie du blastocyste
La transformation de l’ovocyte fécondé en blastocyste n’est pas seulement caractérisée par des événements morphologiques majeurs mais aussi par des changements dramatiques dans sa physiologie, reflétés par des changements dans l’activité relative des voies métaboliques qui fournissent non seulement l’énergie mais aussi les intermédiaires biosynthétiques nécessaires pour soutenir la prolifération . La capacité de l’embryon au stade de clivage à réagir dans l’environnement pendant le début du clivage est limitée parce que l’embryon du génome humain est encore inactif et que le système qui régule l’équilibre de la pression osmotique n’est pas entièrement fonctionnel .
La tendance du métabolisme à produire de l’énergie depuis les ovocytes pronucléés jusqu’au stade du blastocyste peut être évaluée à partir des formes mitochondriales. Au stade des ovocytes pronucléés et du stade de clivage, leur forme mitochondriale est encore immature, et la production d’énergie dans les ovocytes est généralement faible et sera énormément augmentée à partir de l’embryon du stade de clivage jusqu’au stade du blastocyste. Au stade des ovocytes pronucléés, le type de métabolisme est la phosphorylation oxydative (OXPHOST) ; puis au stade de l’embryon de clivage, le métabolisme utilise le lactate, le pyruvate, des acides aminés spécifiques et des acides gras .
Au stade du blastocyste, le métabolisme produit de l’énergie qui dépend principalement du processus de glycolyse, avec un anabolisme dominant observé dans les mitochondries .
Dans l’embryon au stade de clivage, l’absorption de pyruvate augmente continuellement jusqu’au stade du blastocyste. Au stade blastocyste, l’absorption de glucose est plus élevée que l’absorption de pyruvate, et la consommation d’O2 va augmenter au stade de développement initial avant la compaction (pré-compaction). Au stade de pré-compaction, nous pouvons observer une faible activité biosynthétique, une faible consommation d’O2, et une forme ovoïde des mitochondries ; la nutrition principale est le pyruvate, avec un génome maternel dominant où les cellules se divisent dans la forme similaire .
Au stade de post-compaction, nous pouvons observer une activité biosynthétique élevée, une consommation d’oxygène plus élevée, et une forme allongée des mitochondries ; la nutrition principale est le glucose, et avec un génome d’embryon humain dominant. À ce stade, les cellules seront différenciées en trophectoderme (TE) et en masse cellulaire interne (MCI) .
Les acides aminés dans le métabolisme du blastocyste peuvent être utilisés comme source d’énergie, et certains acides aminés tels que l’aspartate par la navette malate aspartate entrent dans le cycle de l’acide tricarboxylique (TCA) pour produire de l’énergie. Cependant, la glutamine peut également entrer sous forme de glutamate dans le cycle TCA pour produire de l’énergie. L’acide aminé au stade du blastocyste joue également un rôle dans la régulation du tampon pH intracellulaire, comme processus de développement des matériaux et comme antioxydants et chélateurs .
Après le compactage, l’embryon présente une augmentation de la consommation d’O2 et de la capacité d’utilisation du glucose comme source d’énergie. Cette augmentation de la consommation d’oxygène montre que l’énergie est nécessaire pour la formation et le maintien du blastocoel .
L’augmentation du métabolisme du blastocyste se produit en raison de la libération accrue du blastomère à 150-200 cellules avec la formation et le maintien du blastocoel par l’activité de la pompe Na+/K+ ATPase qui produit de l’énergie. L’énergie est nécessaire pour la dégradation de la zone pellucide avec l’enzyme protéase. Le pyruvate comme source de réserves énergétiques autres que les glucides fonctionne également comme antioxydant .
Le blastocyste humain utilise les acides aminés comme source d’énergie dans le processus de catabolisme et produit de l’ammonium 30 pmol/heure. L’acide aminé le plus utilisé est l’aspartate, en plus de consommer de l’arginine, de la sérine, de la méthionine, de la valine et de la leucine .
Le métabolisme du blastocyste se produit à deux endroits différents : dans les cellules du trophectoderme (TE) où la consommation de glucose se produit et la moitié est convertie en lactate, tandis que le processus de glycolyse se produit dans la masse cellulaire interne (MCI) (Figures 1, 2, 3) .
Figure 1.
Cycle de l’acide tricarboxylique (TCA) ou cycle de Krebs. Le cycle de l’acide citrique commence par une molécule d’acétyl-CoA réagissant avec une molécule de H2O, libérant un groupe coenzyme-A, et donnant les deux atomes de carbone restants sous la forme d’un groupe acétyle à l’acide oxaloacétique dont les molécules ont quatre atomes de carbone, pour produire de l’acide citrique avec six atomes de carbone. Les produits finaux du premier tour du cycle sont un GTP (ou ATP), trois NADH, un QH2 et deux CO2. Comme deux molécules d’acétyl-CoA sont produites à partir de chaque molécule de glucose, deux cycles sont nécessaires par molécule de glucose. Par conséquent, à la fin des deux cycles, les produits finaux sont deux GTP, six NADH, deux QH2 et quatre CO2.
Figure 2.
La voie de la glycolyse ou voie d’Embden-Meyerhof-Parnas (EMP). (1) Dans la première étape, le glucose sera converti en glucose 6-phosphate par l’enzyme hexokinase. Cette étape nécessite l’énergie de l’adénosine triphosphate (ATP). L’ATP qui a libéré l’énergie stockée va se transformer en ADP. (2) Le glucose 6-phosphate sera converti en fructose 6-phosphate qui est catalysé par l’enzyme phosphohexose isomérase. (3) Le fructose 6-phosphate sera converti en fructose 1,6-bisphosphate ; cette réaction est catalysée par l’enzyme phosphofructokinase. Dans cette réaction, l’énergie de l’ATP est nécessaire. (4) Le fructose 1,6-bisphosphate (6 atomes C) sera décomposé en glycéraldéhyde 3-phosphate (3 atomes C) et en dihydroxy acétone phosphate (3 atomes C). La réaction est catalysée par l’enzyme aldolase. (5) Une molécule de dihydroxy acétone phosphate qui est formée sera convertie en glycéraldéhyde 3-phosphate par l’enzyme triose phosphate isomérase. L’enzyme fonctionne dans les deux sens, ce qui signifie qu’elle peut également convertir le glycéraldéhyde 3-phosphate en dihydroxy acétone phosphate. (6) Le glycéraldéhyde 3-phosphate sera ensuite converti en 1,3-bisphosphoglycérate par l’enzyme glycéraldéhyde 3-phosphate déshydrogénase. Dans cette réaction, du NADH sera formé. (7) Le 1,3 bisphosphoglycérate sera converti en 3-phosphoglycérate par l’enzyme phosphoglycérate kinase. Ces réactions seront libérées comme énergie sous forme d’ATP. (8) Le 3-phosphoglycérate sera converti en 2-phosphoglycérate par l’enzyme phosphoglycérate mutase. (9) Le 2-phosphoglycérate sera converti en phosphoénolpyruvate par l’enzyme énolase. (10) Le phosphoénolpyruvate sera converti en pyruvate, ce qui est catalysé par l’enzyme pyruvate kinase. A ce stade, on produit également de l’énergie sous forme d’ATP.
Figure 3.
Métabolisme du blastocyste. Après le compactage, on observe une augmentation de la consommation d’oxygène et de l’utilisation du glucose comme source d’énergie (glycolyse). L’augmentation de la consommation d’oxygène reflète l’énergie considérable requise pour la formation et l’entretien du blastocoel, mais l’augmentation de l’utilisation du glucose reflète une demande accrue du processus de biosynthèse. Dans les cycles TCA, il produit du NADH, du GTP, du QH et du CO2 et 34 de l’ATP. PEP, phosphoénolpyruvate.
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