El espermatozoide es una célula germinal altamente especializada que representa el vehículo de transmisión del genoma paterno al ovocito durante la fecundación. Un gran reto del espermatozoide es ser capaz de adaptarse y sobrevivir a cambios iónicos y moleculares del medio extracelular en el tracto reproductor femenino.
Adaptación y Supervivencia del Espermatozoide
En el tracto reproductor femenino, el espermatozoide de mamíferos inicia un movimiento activo debido al batido del flagelo. Este movimiento está regulado por diferentes factores extracelulares como iones, albúmina sérica, hormonas y factores de crecimiento. Ese movimiento inicial debe transformarse en otro tipo de motilidad necesaria para liberar el espermatozoide de los reservorios del oviducto y ayudarlo a penetrar en el ovocito, denominada hiperactivación.
El Papel Crucial de los Iones y Canales Iónicos
Los iones, moléculas con carga eléctrica, presentes en el tracto reproductor masculino y femenino ejercen un rol vital para activar los pasos moleculares que llevan al espermatozoide a adquirir capacidad fecundante. Los espermatozoides deben responder a señales para poder llegar hasta el óvulo y así fecundarlo.
A lo largo de varias décadas de enormes esfuerzos para entender las bases moleculares de la reproducción biológica, se ha llegado a identificar moléculas críticas para el funcionamiento normal de los gametos. Una buena porción del proceso de formación y desarrollo de los espermatozoides humanos, y particularmente después de haber sido eyaculados en el tracto sexual femenino, experimentan fenómenos como la capacitación, la reacción acrosómica y la fertilización, procesos todos críticamente dependientes de la función normal de los canales iónicos que poseen.
Regulación por pH Intracelular
El pH intracelular es un regulador crítico de la actividad de los espermatozoides, desde que están morfológicamente desarrollados hasta el momento en que fertilizan el óvulo. Los fluidos del tracto reproductor masculino mantienen ácido el citoplasma del esperma (pH < 6,5), mecanismo primordial que permite la inmovilidad de las células maduras en reposo. Durante el viaje de los espermatozoides en el tracto reproductor femenino, los cambios de pH en el medio ambiente son dramáticos, pasando de aproximadamente 4 a 7, lo que corresponde a una reducción de la concentración de H+ extracelular por un factor de 1000. Las células reproductoras experimentan la alcalinización intracelular durante la preparación y son estimuladas por señales fisiológicas tales como las de la capa del huevo.
Canales Iónicos Específicos del Espermatozoide y Sus Funciones
El funcionamiento molecular de cientos de canales iónicos ha sido ampliamente estudiado en las células somáticas. Sin embargo, los avances respecto a los canales iónicos en el esperma han sido lentos y frustrantes. Los espermatozoides son de las células más pequeñas que existen en los vertebrados, y su arquitectura celular es notablemente intrincada y compleja, además de moverse constantemente, lo que dificulta el registro de corrientes iónicas.
Se ha avanzado significativamente en la comprensión del papel que juegan los canales iónicos en la biología de los gametos masculinos, empleando espermatozoides de ratón y de erizo de mar como modelos experimentales, y analizando directamente la electrofisiología de los espermatozoides humanos. Se tiene firmemente establecida la presencia de al menos dos tipos de canales iónicos en espermatozoides humanos que solo se expresan en el espermatozoide.
Canal CatSper (Canal Catiónico Específico del Espermatozoide)
El canal catiónico específico del espermatozoide (CatSper) es un canal conductor de calcio (Ca2+) esencial para regular la movilidad hiperactivada y, en última instancia, la promoción de la fertilidad en los espermatozoides. Este canal se localiza en el flagelo del espermatozoide y está regulado por la alcalinización, el voltaje y diferentes moléculas presentes en el tracto reproductivo femenino. CatSper está compuesto por un complejo tetramérico de proteínas formadoras de poros, seis subunidades auxiliares y tres proteínas adicionales: C2CD6, SLCO6C1 y TEM249.
La eliminación de cualquiera de estas subunidades impacta negativamente en la fertilidad masculina, ya que conduce a la pérdida o disminución de la actividad del canal. La incapacidad de expresar este canal iónico en sistemas heterólogos ha impedido una comprensión completa de su función y regulación. Sin embargo, el uso de diferentes técnicas y herramientas bioinformáticas han permitido avances en el estudio de su estructura y su conservación evolutiva. Estos estudios han revelado que la distribución filogenética de CatSper refleja adaptaciones en las subunidades que lo componen, al posibilitar que los espermatozoides experimenten diferentes estados fisiológicos, críticos para la fertilización del ovocito.
El canal CatSper es clave para la hiperactivación del espermatozoide porque le permite mover vigorosamente el flagelo, nadar para llegar al ovocito y penetrarlo. La afluencia de Ca2+ a través de ellos es necesaria para la motilidad de los espermatozoides hiperactivados, sin lo cual no podrían trasladarse al sitio de fecundación ni penetrar la capa del huevo para lograr la fertilización. Cuando el canal CatSper se abre, deja entrar calcio. Un aumento en el calcio dentro del espermatozoide es indispensable para la reacción acrosomal, que se da cuando las enzimas que libera el acrosoma (estructura que contiene enzimas hidrolíticas situada en la parte anterior de la cabeza del espermatozoide) permiten que el espermatozoide pueda cruzar la zona pelúcida y así penetrarlo y fecundarlo.
Canal KSPER (SLO3 o KCNU1)
Un canal de K+ activador de la alcalinización (KSPER), formado por la proteína homóloga 3 (SLO3 o KCNU1), también es específico para los espermatozoides. Ambos tipos de canales, CatSper y KSPER, se localizan en la cola de los espermatozoides y cada uno es expresamente requerido en la fertilidad masculina. Su funcionamiento normal es imprescindible al asegurar la condición de hipermovilidad del espermatozoide, condición sine qua non para conseguir la fertilización del óvulo.
El Canal de Protones HV1
Un nuevo estudio realizado por el grupo de Polina V. Lishko describe la medición de señales eléctricas del esperma humano y una vía de señalización para la fertilidad masculina. El descubrimiento de este grupo traslada el foco de atención hacia el canal de protones HV1, que participa en la extrusión de H+ y por tanto en la alcalinización. Los canales HV1 están controlados por cambios de voltaje en la transmembrana y los gradientes de pH, y los canales conducen selectivamente a H+. A diferencia de los transportadores, el movimiento de H+ a través del canal HV1 es pasivo, por lo que la alcalinización intracelular se limita a momentos en que el potencial de membrana es positivo respecto al potencial de equilibrio para los protones. Polina V. y colaboradores encontraron que el canal de protones HV1, sensible al potencial de membrana y al gradiente de pH, es el mecanismo predominante utilizado por el esperma para lograr la alcalinización intracelular.
Polina V. Lishko y colegas observaron que el zinc bloquea el canal HV1, un resultado coherente con su efecto negativo sobre la función espermática. HV1 es fácilmente expresado en células no espermáticas, facilitando aún más las investigaciones moleculares y la búsqueda de sus inhibidores.
Canal NBC (Canal de Cotransporte Iónico de Bicarbonato)
En el trabajo realizado por el equipo del laboratorio de Biología Celular y Molecular de la Reproducción, dirigido por el Dr. Mariano Buffone, en el Instituto de Biología y Medicina Experimental (IBYME), se descubrió que el bicarbonato ingresa a la célula inicialmente por el canal de cotransporte iónico llamado NBC. Cuando el bicarbonato ingresa a la célula activa una enzima, la adenilatociclasa soluble.
Interconexión de Canales y Procesos Fisiológicos
Durante la capacitación del espermatozoide se sabía que ocurre un cambio de potencial de la membrana celular, es decir, un desbalance entre las cargas en el interior de la célula y las cargas en el exterior. Ese cambio siempre se atribuyó a la salida de iones positivos (potasio) a través de un grupo de canales denominado SLO. El aporte fundamental de este trabajo radica en que se ha logrado esclarecer cómo se conectan los pasos iniciales para activar estas vías con eventos más terminales, como son los cambios en el potencial de membrana.
Los espermatozoides mantienen un bajo pH cuando están en el epidídimo, lo que ayuda a mantener la inmovilidad. En la vagina el pH es muy ácido, impidiendo inicialmente la reacción acrosomal. Durante la habilitación espermática y la interacción con la capa de huevo, el citoplasma de los espermatozoides se alcaliniza. Un posible mecanismo es a través del intercambio Na+/H+, que expulsa H+ e ingresa Na+. En particular, en los espermatozoides el intercambio Na+/H+ se localiza en la cola, a través de los canales CatSper y KSPER, y es necesario para la fertilidad masculina, pudiendo ser responsable de la alcalinización.
En respuesta a la alcalinización intracelular, los canales KSPER abiertos permiten la salida de K+ y la hiperpolarización de la célula, mientras que los CatSper abiertos permiten la entrada de Ca2+, desencadenando la motilidad e hiperactividad. El intercambio Na+/H+ saca H+ para mantener la alcalinización.
CatSper, KSPER y el intercambio Na+/H+ son procesos específicos de los espermatozoides, y la desactivación de mutaciones en los genes correspondientes genera total esterilidad en ratones machos; en cambio, las mutaciones en las proteínas CatSper provocan esterilidad completa en hombres.
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Desafíos en la Investigación y Aplicaciones Futuras
A nivel molecular, no se comprenden bien los mecanismos de señalización utilizados por los espermatozoides para emigrar al sitio de fecundación, penetrar las gruesas capas del cúmulo ovígero y la zona pelúcida, fusionarse con la membrana del huevo y activarlo. Comprender estos procesos de señalización es fundamental para determinar el origen de la infertilidad, especialmente aquellos que derivan de anomalías genéticas.
Registrar corrientes iónicas al cruzar membranas celulares no es tarea fácil. Estas minúsculas características se vuelven particularmente evidentes en los espermatozoides, ya que son de las células más pequeñas que existen en los vertebrados, implicando que también lo sean sus corrientes iónicas. Esto hace necesario el uso experto de microscopios, micromanipuladores, potentes amplificadores electrónicos, computadoras y sistemas de aislamiento mecánico y eléctrico.
Avances en la Electofisiología de Espermatozoides
El registro con la técnica de "patch-clamp" en células completas, método utilizado durante décadas para controlar la actividad de los canales iónicos en células somáticas, solo recientemente ha sido aplicado con éxito en espermatozoides de ratón y, más recientemente, en esperma humano. Lishko y colegas utilizaron este procedimiento para medir la corriente eléctrica del esperma humano. Al formar un sello hermético entre una pipeta de vidrio y una pequeña porción de la membrana espermática y la ruptura de la membrana aislada, pudieron monitorear la actividad eléctrica del espermatozoide. Esta situación ha venido modificándose radicalmente durante la última década con el advenimiento de nuevas tecnologías, base de una instrumentación aún más sofisticada, que ha revolucionado la técnica del patch-clamp, expandiéndolo formidablemente en sus capacidades de análisis y control experimentales al poderse efectuar, de manera automatizada, múltiples registros electrofisiológicos en paralelo, aumentando la capacidad de generar datos fidedignos.
Potencial para la Anticoncepción Masculina
Es claro que un agente con la capacidad de bloquear el funcionamiento de alguno de estos canales (CatSper o Slo3) dejaría sin la facultad de moverse adecuadamente al espermatozoide y de allí la imposibilidad de la fecundación. Esto es de enorme interés para la búsqueda de compuestos químicos con acción farmacológica sobre canales iónicos, es decir, medicamentos, actuando sobre esta clase de moléculas. Los canales iónicos se han visto relegados en el proceso de descubrimiento y desarrollo de agentes terapéuticos para muchas enfermedades asociadas con ellos (canalopatías), debido fundamentalmente a lo complejo y laborioso que implica su estudio experimental.
La búsqueda de estos compuestos se ha abordado de manera masiva, probando un enorme número de sustancias pertenecientes a una gran diversidad en cuanto a su naturaleza química. Tales colecciones de compuestos se denominan "librerías químicas" o "quimiotecas". Los polipéptidos de cadena corta (mini-proteínas) se han vuelto considerablemente atractivos como posibles agentes terapéuticos, ya que muchos de ellos son toxinas que poseen potencia y especificidad farmacológicas sobre una diversidad de canales iónicos.
En el Instituto de Biotecnología de la UNAM, un grupo sólido estudia venenos de serpientes, alacranes y arañas. Estos venenos contienen diferentes moléculas que en su mayoría son toxinas que afectan a los canales iónicos. En sus bancos de venenos se hace el tamizaje de cientos de moléculas tóxicas. Un resultado preliminar indica que al ponerle progesterona, el canal CatSper se abre. Los estudios se encuentran actualmente en la fase básica, enfocada en la identificación de moléculas con ese potencial.
Un proyecto de investigación encabezado por el Dr. Alberto Darszon Israel del Instituto de Biotecnología (IBT) de la UNAM, y colaboradores del Instituto de Fisiología Celular (IFC), se ha planteado hacer uso extensivo de la novedosa tecnología e instrumentación del patch-clamp automatizado para la identificación de entidades químicas moduladoras de la actividad funcional de los canales iónicos presentes en espermatozoides humanos. Los fondos económicos provienen de la Secretaría de Ciencia, Tecnología e Innovación del Distrito Federal, con los que se ha equipado la recién creada Unidad de Biofísica y Farmacología de Canales Iónicos (UBFCI) dentro del IFC.
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