Les humains et la faune sauvage sont très largement exposés à des molécules chimiques issues de l’activité humaine. La recherche de ces molécules dans les fluides corporels a identifié des niveaux détectables chez une large proportion d’individus [34] (→). Chez les femmes enceintes, on détecte jusqu’à une douzaine de perturbateurs endocriniens environnementaux [1] suggérant que le fœtus puisse être exposé à un grand nombre de ces molécules. C’est à l’issue d’une conférence, organisée à l’initiative de Theo Colborn en 1991, que naît la notion de perturbateurs endocriniens environnementaux (PEE), publiée dans l’appel Wingspread [2]. Un PEE est défini comme un « agent exogène qui interfère avec la synthèse, la sécrétion, le transport, la liaison, l’action ou l’élimination des hormones présentes dans notre corps, hormones maintenant l’homéostasie, la reproduction, le développement et/ou le comportement » [3]. En 2010, plus de 1 000 molécules commercialisées ont été recensées comme ayant une activité de PEE avérée ou potentielle. Durant la décennie 1990, les données sur l’action des PEE étaient éparses et insuffisamment structurées, donnant prise à des controverses. Depuis les années 2000, les données épidémiologiques et expérimentales ont été agrégées et confèrent des bases fortes pour l’implication des PEE dans certaines pathologies [4]. Les périodes de développement fœtal et néonatal ont été longtemps considérées comme strictement sous le contrôle du programme génétique et il semblait peu probable que l’environnement puisse en modifier le cours. Depuis les études de D.J. Barker, il est maintenant clair que l’organisme en développement est plastique et que l’environnement affecte son devenir et sa santé à l’âge adulte (DOHaD [5]) bousculant ainsi l’axiome prévalent jusqu’alors qui stipulait que les maladies cardiovasculaires de l’adulte découlaient des habitudes de vie avec une contribution de facteurs génétiques. Le concept de DOHaD s’applique maintenant à d’autres maladies de l’adulte dont l’infertilité masculine. 15 à 20 % des couples présentent des difficultés à concevoir [6] (→).

(→) Voir la Synthèse de B. Le Magueresse et al., page 51 de ce numéro

(→) Voir le numéro thématique Cellules germinales et infertilité mâle, m/s n° 5, vol. 28, mai 2012

L’infertilité masculine est impliquée dans plus de la moitié des infertilités du couple.

Dans certaines régions françaises (régions Aquitaine et Midi-Pyrénées), jusqu’à 40 % des hommes jeunes présentent une altération de la qualité du sperme, ce qui réduit leur chance de devenir père [7]. Outre le mode de vie (stress, alcool, tabac, obésité, sédentarité¹) et les infections génito-urinaires, des causes de type environnemental sont suspectées d’induire une modification de la fertilité. En effet, l’incidence des anomalies spermatiques a progressé très rapidement ces dernières années, et leur fréquente association avec d’autres pathologies (cancer testiculaire, malformation du tractus génital) suggèrent une origine commune ; ces pathologies ont été regroupées sous le terme de syndrome de dysgénésie testiculaire (SDT) [8]. Ce syndrome de dysgénésie testiculaire pourrait être « programmé » par une exposition développementale (fœtale, néonatale, puberté) à des PEE estrogénomimétiques ou antiandrogéniques.

Chez l’homme adulte, des études épidémiologiques ont associé la notion d’exposition aux perturbateurs endocriniens environnementaux, via le taux de ces derniers dans l’urine ou le sperme, et l’infertilité [9]. Par exemple, des taux élevés d’hydrocarbures aromatiques polycycliques (issus des pollutions automobile et industrielle) dans les urines sont associés à l’infertilité masculine liée à une augmentation des dommages à l’ADN des spermatozoïdes [10]. Une exposition professionnelle au bisphénol A (BPA)² est associée à des altérations hormonales (diminution de la testostérone), voire spermatiques (diminution du nombre de spermatozoïdes, de leur vitalité et de leur mobilité) même si certaines données sont contradictoires [11]. Si les éléments concernant les conséquences d’une exposition périnatale sur les fonctions de reproduction sont plus difficiles à colliger compte tenu de la latence de plusieurs décennies précédant la survenue de la pathologie, plusieurs facteurs de risque incombant à la mère et susceptibles d’affecter la fonction de reproduction de sa descendance mâle ont toutefois été identifiés : tabagisme, patch de nicotine, consommation d’alcool, régime végétarien strict de la mère et faible poids du fœtus pour l’âge gestationnel. Le tabagisme maternel pendant la grossesse (> 19 cigarettes par jour) engendre des défauts de développement testiculaire de l’enfant mâle se traduisant par une diminution du nombre de spermatozoïdes [12] ; la consommation d’alcool (5 verres par semaine ou plus) au cours de la grossesse est associée à un fort taux de cryptorchidie³ [13] ; la nutrition maternelle durant la grossesse influencerait également les paramètres spermatiques de la descendance mâle [14]. Concernant les perturbateurs endocriniens, les hommes ayant été exposés pendant la période fœtale à un estrogénomimétique, le diéthylstilbestrol (prescrit en France jusqu’en 1977, pour prévenir les fausses couches) (→), présentent plus fréquemment des malformations du tractus génital, une cryptorchidie et une baisse du nombre de spermatozoïdes [15]. Enfin, une exposition au paracétamol lors de la grossesse (plus de 2 semaines pendant les deux premiers trimestres) exposerait aussi à un risque accru de cryptorchidie [16].

(→) Voir la Synthèse de B. Le Magueresse et al., page 51 de ce numéro

L’expérimentation animale a permis de démontrer le lien causal entre l’exposition aux perturbateurs endocriniens (antiandrogène et/ou estrogénomimétique) et le syndrome de dysgénésie testiculaire (Tableau I). Par exemple, une apoptose accrue des cellules germinales mâles, observée après exposition aux PEE, a été reliée à une détérioration du signal androgénique [17]. Selon leur activité, les PEE exerceraient leur action néfaste au cours de fenêtres de vulnérabilité différentes : gestation pour les antiandrogènes (en particulier des jours 14 à 19 de la gestation chez le rat) et période néonatale pour les estrogénomimétiques [11, 18]. La projection de ces données chez l’être humain indique qu’à partir de la 7^e semaine de gestation et jusqu’à la puberté, l’individu est très sensible aux PEE. Les modèles expérimentaux ont également permis d’établir que l’exposition périnatale aux PEE induit des lésions irréversibles de la spermatogenèse (diminution du nombre de spermatozoïdes), alors que ces mêmes altérations sont réversibles (pour des doses faibles de PEE) chez l’adulte [19]. En somme, l’exposition périnatale (in utero et/ou néonatale) chez le rongeur à des substances susceptibles d’être toxiques, est un bon outil pour identifier leur activité perturbatrice endocrinienne, le développement testiculaire du rat mâle étant très proche de celui de l’homme. Les modèles expérimentaux de rongeurs sont pertinents pour l’analyse de la toxicité chez l’homme et toutes les altérations observées dans le syndrome de dysgénésie testiculaire⁴ ont été reproduites, excepté le cancer testiculaire.

La plasticité de l’organisme en développement est assurée par un ensemble de protéines ou molécules (appelées effecteurs épigénétiques) qui modifient l’expression des gènes sans altérer la séquence de l’ADN génomique. Trois mécanismes interviennent : la méthylation de l’ADN, les modifications des histones, protéines chaperons de l’ADN, et des régulations via des petits ARN non codants (microARN, endosiARN [endogenously produced small interfering RNA], piARN [piwi interacting RNA]) [33]. Malgré l’absence de modification de la séquence de l’ADN génomique, certaines altérations touchant ces effecteurs épigénétiques peuvent se transmettre à la génération suivante, en particulier lorsque les cellules germinales sont affectées [20] (→).

(→) Voir la Synthèse de C. Junien et al., page 35 de ce numéro

Chez les mammifères, ce processus correspond à la méthylation en 5’ d’une cytosine située dans un dinucléotide CG présent dans une séquence d’ADN. Il influence la transcription des gènes. Cette réaction de méthylation est catalysée par des ADN méthyltransférases (DNMT). En général, l’hyperméthylation au niveau du promoteur d’un gène est associée à une diminution de sa transcription. Chez le fœtus, les profils de méthylation génomique sont « reprogrammés », en particulier dans les cellules germinales, faisant de cette période une fenêtre de grande sensibilité pour l’épigénome (→).

(→) Voir la Synthèse de C. Junien et al., page 35 de ce numéro

Des anomalies de la méthylation de l’ADN ont été identifiées chez des patients infertiles : 14 % présentent un patron de méthylation anormal de l’empreinte paternelle (locus H19 et MEG3 ⁵) et 20 % de l’empreinte maternelle (locus MEST, PEG3, KCNQ1, SNRPN) [21]. Dans les modèles expérimentaux de souris, le lien entre anomalies de méthylation et syndrome de dysgénésie testiculaire a été caractérisé. Ainsi, une exposition des mères gestantes à la vinclozoline, un fongicide fréquemment utilisé dans l’industrie viticole, provoque in utero des anomalies histologiques des tubes séminifères et une infertilité totale (par mort – apoptose – des cellules germinales) de la descendance mâle touchant les générations suivantes jusqu’à F4 [18]. Chez ces animaux, des centaines de gènes testiculaires sont différentiellement exprimés selon les altérations de profils de méthylation induites, dont plusieurs gènes impliqués dans le développement testiculaire (Sry, Vanin, Fgf9, Amh) [22]. Après exposition, on observe en fait une altération du profil global de méthylation de l’ADN ainsi qu’une diminution de la méthylation au niveau de promoteurs des gènes à empreinte paternelle (H19, Meg3) et une augmentation de méthylation des gènes à empreinte maternelle (Mest, Snrpn, Peg3), comme rapporté dans l’infertilité masculine. L’altération du profil de méthylation aurait pour origine la diminution d’expression des méthyltransférases (DNMT) dans le testicule [23]. Les effets, lors d’une exposition fœtale à la vinclozoline, sur le profil de méthylation semblent être transgénérationnels de F1 à F4 [24], même si d’autres études n’ont pas réussi à confirmer ces données [18]. L’exposition néonatale au bisphénol A (BPA) induit, quant à elle, une hyperméthylation du promoteur des gènes codant les récepteurs des œstrogènes dans le testicule adulte qui est directement liée à une augmentation des taux d’ADN méthyltransférases 3a et 3b [25]. Les méthyltransférases semblent être un élément critique dans les mécanismes d’action des perturbateurs endocriniens puisque des défauts de leur expression sont également retrouvés dans d’autres modèles, tels que celui de souris exposées en période périnatale à du di-2-(éthylhexyl) phtalate [26] ou bien aux alkylphénols [27]. In vitro, les alkylphénols inhibent l’expression de la DNMT3 dans des lignées de cancer testiculaire, DNMT3 étant connue pour contrôler la méthylation du promoteur des récepteurs des œstrogènes [27]. Ces défauts de méthylation pourraient faire le lien entre exposition aux perturbateurs endocriniens œstrogéniques et cancers testiculaires. Enfin, l’exposition néonatale à un œstrogénomimétique pharmacologique (l’œstradiol benzoate) met en évidence le lien entre anomalie de la méthylation de l’ADN et phénotype testiculaire puisque la diminution des DNMT observée dans le testicule adulte induit une hypométhylation du génome, notamment du gène codant le facteur HSF1 (heat shock factor protein 1) dont l’augmentation d’expression provoque une apoptose massive des cellules germinales testiculaires [28].

Les acides aminés de la queue amino-terminale des histones peuvent être modifiés par méthylation, acétylation, phosphorylation, ubiquitylation ou sumoylation. Ces modifications, et les informations qu’elles véhiculent, sont appelées le code histone. La méthylation est la modification la plus fréquente. Elle est sous le contrôle des histones méthyltransférases (par exemple : G9a) et est généralement associée à une répression de la transcription des gènes ciblés. G9a contrôle la spermatogenèse. Sa perte de fonction entraîne en effet une apoptose massive des cellules germinales lors de la méiose. Ainsi, des souris mâles exposées en période néonatale au diéthylstilbestrol (DES)⁶ présentent, à l’âge adulte, une apoptose chronique des cellules germinales qui est associée à une diminution de l’expression de G9a [29]. Le DES exercerait ses effets délétères par l’entremise du récepteur nucléaire NR0B2 (nuclear receptor subfamily 0, group B, member 2). La conséquence étant que NR0B2 diminue la méthylation des histones (H3K9), empêchant ainsi le bon déroulement de la méiose et aboutissant à la mort des cellules germinales [29]. Enfin, l’exposition néonatale à l’estradiol benzoate induit dans le testicule adulte une diminution de l’histone méthyltransférase EZH2 (enhancer of zeste 2 polycomb repressive complex 2 subunit) et donc de la méthylation des histones que celle-ci régule. Cette modification du code histone induirait l’apoptose chronique des cellules germinales adultes (Siddeek et al., en préparation).

Les petits ARN non codants sont des ARN ayant une taille de 21 à 30 nucléotides, ne codant pour aucune protéine mais impliqués dans la régulation de l’expression génique [35] (→). En particulier, les microARN (ou miARN) régulent de très nombreuses fonctions cellulaires (prolifération, différenciation, apoptose). Certains miARN sont exclusivement ou préférentiellement exprimés au niveau du testicule. À ce niveau, ils jouent un rôle crucial dans la maturation de la lignée germinale et le contrôle de la fertilité masculine, l’expression d’au moins 7 miARN (miR-34c-5p, miR-122, miR-146b-5p, miR-181a, miR-374b, miR-509-5p, miR-513a-5p) étant en effet altérée dans l’infertilité masculine [30, 31] (→).

(→) Voir la Synthèse de T. Pedrazzini, m/s n° 4, mars 2015, page 261

(→) Voir le numéro thématique Cellules germinales et infertilité mâle, m/s n° 5, vol. 28, mai 2012

Récemment, les différents mécanismes induits par des perturbateurs endocriniens entre l’effecteur épigénétique (miR-29) et le phénotype (infertilité) ont été décryptés, identifiant ainsi un épiphénotype. Ainsi, l’exposition néonatale à l’œstrogénomimétique, estradiol benzoate, provoque chez l’animal adulte, par un mécanisme non encore élucidé, une augmentation de l’expression des miR-29. Celle-ci induit une diminution d’expression des DNMT (3A, 3B et 1), ce qui se traduit par une hypométhylation du génome et en particulier du rétrotransposon Line-1 (long interspersed element-1). L’hypométhylation de Line-1 augmente son expression ce qui induit une instabilité chromosomique des cellules germinales mâles et leur apoptose. De plus, l’augmentation d’expression de miR-29 induit également une diminution du facteur anti-apoptotique MCL-1 (myeloid cell leukemia 1), autre cause d’apoptose accrue des gamètes mâles [23]. Enfin, un élément remarquable est l’augmentation d’expression des miR-29 dans le tissu testiculaire mais également le sang des animaux, ce qui suggère l’utilisation possible de ces microARN comme nouveaux outils non invasifs dans le suivi et la prise en charge de l’infertilité [28].

Cette dernière décennie a permis de grandes avancées dans la compréhension des mécanismes impliqués dans la programmation périnatale de l’infertilité masculine par les perturbateurs endocriniens (PEE) [32]. Néanmoins, deux grandes questions restent posées : (1) la plupart des études expérimentales ont été réalisées avec un seul PEE, utilisé à des doses souvent supérieures à la dose d’exposition humaine (excepté pour le bisphénol A). Il faut rappeler que les humains ne sont pas exposés à un seul PEE mais à un ensemble de substances, avec pour conséquence une additivité ou même une potentialisation des effets des PEE même si la dose de chacun est, prise individuellement, sans effet. Les prochains défis sont donc d’analyser in vivo les effets des mélanges à faibles doses et de déterminer leurs mécanismes d’action épigénétique. Plusieurs effecteurs épigénétiques identifiés – les petits ARN non codants dont les miARN – pourraient être des outils non invasifs d’exploration de la spermatogenèse car leur taux sanguin est le reflet des altérations tissulaires. En effet, la conservation inter-espèces des petits ARN non codants est un élément de réponse à la question de la pertinence, chez l’homme, des effets toxiques observés chez l’animal. Ils offriraient, ainsi, de nouveaux outils intéressants pour le diagnostic et la prise en charge en toxicologie et pathologie humaine. (2) Ces données pourraient remettre en question les concepts de la toxicologie classique. En effet, à l’heure actuelle, les effets à long terme d’une exposition périnatale (par exemple la programmation développementale d’une pathologie adulte) ne sont pas pleinement évalués. Il est tout à fait possible que la réponse à ces questions puisse ouvrir sur de nouveaux paradigmes de la toxicologie des perturbateurs endocriniens, peut-être généralisables à tous les toxiques.

Les auteurs déclarent n’avoir aucun lien d’intérêt concernant les données publiées dans cet article.