Mecanismos moleculares de la activación del espermatozoide

La transformación en la forma funcionalmente competente de los espermatozoides es activada durante el período post-espermatogénico. La activación de un espermatozoide implica la adquisición de tres competencias funcionales: motilidad hacia delante, motilidad hiperactivada y exocitosis acrosomal.   La exocitosis acrosomal y la motilidad son estructuralmente compartamentalizadas entre la cabeza y la cola del espermatozoide, respectivamente. Los espermatozoides son incapaces de llevar a cabo estas funciones inmediatamente después de su salida de los túbulos seminíferos del testículo. La maduración en lugares específicos y en tiempos particulares hace  al espermatozoide competente para la fertilización. En particular,  el proceso conocido como capacitación promueve   la motilidad hiperactivada y prepara al espermatozoide para la exocitosis  acrosomal en respuesta a un estímulo fisiológico apropiado. La capacitación normalmente tiene lugar en el tracto reproductor femenino e incluye eventos bioquímicos como la estimulación de la actividad de la adenil ciclasa soluble, la fosforilación de residuos tirosina de las proteínas y la nitrosilación de proteínas. La penetración de la zona pelúcida del ovulo y los eventos subsiguientes de la fertilización requieren de la exocitosis acrosomal.

Los espermatozoides pueden ser divididos en dos compartimentos críticos para la fertilización pero morfológicamente distintos: cabeza y cola. La cabeza a su vez comprende una región acrosomal, involucrada en la   unión a la zona pelúcida y en la exocitosis acrosomal, y un núcleo que contiene una versión haploide del material genético.  El flagelo, que produce energía e impulsa al espermatozoide a través del tracto reproductor femenino, estructuralmente está segmentado en la pieza media mitocondrial, la pieza principal y la pieza terminal. En las condiciones fisiológicas normales, el flagelo tiene un papel clave en el control de la exocitosis acrosomal y la motilidad. El flagelo posee características de un cilio sensorial, lo que le permite “sensar” las alteraciones del medio externo (pH y cambios iónicos) y potencialmente detectar y responder a factores quimiotácticos y quimiocinéticos que podrían influir en la dirección y la velocidad del movimiento. Un mecanismo sensor intracelular podría también  ser usado  para dirigir la señal  del  flagelo a la cabeza  y estimular la exocitosis acrosomal.

Los espermatozoides emergen de los testículos  en una forma  funcionalmente inactiva y  pasan sucesivamente a través de la rete testis, los conductos deferentes, el “caput” del epidídimo, el cuerpo del epidídimo y, finalmente, la cola del epidídimo donde son almacenados hasta la eyaculación.  Durante su transito por el epidídimo los espermatozoides  adquieren el primer estadio de la competencia celular mediante modificaciones bioquímicas y fisiológicas, las cuales les permitirán  a los espermatozoides, cuando se encuentren en un ambiente permisivo como el tracto reproductor femenino, adquirir progresivamente la capacitación requerida para la fertilización. A nivel bioquímico, la oxidación de  grupos sulfidrilos de las proteínas del espermatozoide  se correlaciona con la estabilización de estructuras de la cola  y la promoción  de la fosforilación de residuos tirosina  de  proteínas involucradas en rutas de señalización. Trabajos recientes indican que los espermatozoides del epidídimo poseen la capacidad para la motilidad  pero la capacidad para nadar es suprimida por la actividad del receptor de canabinoide CB1; cuando  se une a su ligando, el endocanabinoide 2-araquidonoilglicerol (2-AG), el CB1 suprime la capacidad de nadar del espermatozoide, especialmente en el “caput” del epidídimo, donde los niveles de 2-AG son altos. A medida que progresan a través del epidídimo, los espermatozoides experimentan cambios en el ambiente externo. La acidificación de los contenidos luminales del epidídimo mantiene al espermatozoide en un estado de inmovilidad que es regulado por  las células claras del epidídimo, las cuales contrarrestan la elevación del pH luminal a través de un aumento de AMPc, dependiente de la actividad de la adenil ciclasa soluble, lo que permite la acumulación de una ATPasa secretora de protones en la membrana apical.

Como todas las células, el espermatozoide requiere de la energía del ATP para llevar a cabo funciones como la motilidad celular, la exocitosis acrosomal y la actividad de bombas y canales iónicos. Dada la ausencia de glucógeno y la pobre capacidad para almacenar combustibles, el espermatozoide  debe hacer su propio ATP a partir de los sustratos disponibles. Durante la espermatogénesis, varias enzimas glucolíticas tradicionales  son reemplazadas por enzimas específicas de las células germinales masculinas,  las cuales se encuentran mayoritariamente en asociación con la vaina fibrosa de la pieza principal del flagelo. De esta manera, las mitocondrias en la pieza media se encargan de la fosforilación oxidativa mientras que la glucólisis está restringida  a la vaina fibrosa. La adquisición de la motilidad  se debe, en parte, a una disminución de la actividad de la enzima glucógeno sintetasa quinasa-3 (GSK-3), por la fosforilación de sus residuos tirosina cuando el espermatozoide atraviesa el epidídimo. La actividad  GSK-3 de los espermatozoides en el “caput” del epidídimo es seis veces mayor que la de los espermatozoides en la cola del epidídimo.  El efecto inhibitorio de la fosforilación de tirosinas sobre la actividad enzimática de la  GSK-3 está acoplado  con el aumento de esta modificación por el AMPc a través de la activación de la PKA.  La evidencia acumulada indica que la PKA facilita la adquisición  de motilidad hacia delante en los espermatozoides de la cola del epidídimo. La adenil ciclasa soluble, aunque está presente en tejidos somáticos, es más abundante en los testículos y el AMPc, tanto en células germinales en desarrollo como en espermatozoides maduros, es generado casi en su totalidad por está ciclasa. En los espermatozoides de la cola del epidídimo, la adenil ciclasa soluble  está localizada principalmente  en la pieza media  del flagelo.

En el tracto reproductor femenino, los espermatozoides exhiben motilidad hiperactivada que se caracteriza por latidos flagelares asimétricos  con amplitud aumentada. La hiperactividad requiere la alcalinización del espermatozoide y es dependiente de Ca²⁺. En el espermatozoide, el Ca²⁺ puede ser movilizado del medio externo a través de canales en la membrana plasmática o liberado internamente de los depósitos intracelulares localizados en la base del flagelo y en el acrosoma. Varios canales de Ca²⁺ han sido identificados  en el espermatozoide, regulados por voltaje o por otros mecanismos. Los miembros de la familia CATSPER (cation channel, sperm associated) de canales de Ca²⁺, localizados en la pieza principal, son sensibles a la alcalinización intracelular y son esenciales para la capacitación de los espermatozoides. Recientemente, el canal CATSPER ha sido identificado como  el mediador de la entrada de Ca²⁺ inducida por progesterona en el espermatozoide humano. La alcalinización intracelular durante la capacitación también afecta al potencial de membrana, produciendo una rápida hiperpolarización de la célula. La hiperpolarización  es mediada primariamente por  una débil corriente hacia fuera de K⁺ originada en la pieza principal  del flagelo. La alcalinización activa la I_k sensible a pH, creando un potencial de membrana negativo donde la entrada  de Ca²⁺ vía  I_CATSPER es maximizada. Otro canal potencialmente involucrado en la hiperpolarización es el canal K_ATP. Por otro lado, el intercambiador Na⁺/H⁺ sensible a HCO₃^- localizado en la pieza principal es un antiporter  catión-protón que puede participar en la alcalinización  del espermatozoide. La entrada de Cl^-  dependiente de AMPc  regula los canales de Na⁺ durante la capacitación  y también contribuye  a la hiperpolarización de la membrana.

Una manera como la capacitación prepara al espermatozoide para la fertilización es promoviendo la exocitosis acrosomal, un evento que es estimulado por proteínas de la zona pelúcida  o por la progesterona del líquido extracelular del cúmulus del oocito.  La exocitosis acrosomal, un prerrequisito absoluto para la fertilización, difiere de la exocitosis convencional en varios aspectos: (1) cada espermatozoide tiene solamente una vesícula secretoria, el acrosoma; (2) múltiples puntos de fusión se forman entre la membrana acrosomal externa y la membrana plasmática; (3) las membranas acrosomal externa y plasmática  forman vesículas híbridas y partículas que son desprendidas  durante la exocitosis;  (4) no hay reciclaje de membrana, la exocitosis acrosomal es irreversible.  La actina del citoesqueleto juega un rol importante  en la regulación  de la exocitosis acrosomal. Durante la capacitación, la actina globular (G) es polimerizada  a actina filamentosa (F) que estabiliza la maquinaria exocitótica para restringir la fusión de los gránulos secretorios con la membrana plasmática. Cuando los espermatozoides capacitados son estimulados  para la exocitosis acrosomal, rápidamente ocurre la despolimerización de la actina F. Un aumento del Ca²⁺ intracelular parece ser el evento clave para la despolimerización de la actina F que da paso a la exocitosis acrosomal. 

El Ca²⁺ es obligatorio para que ocurra la exocitosis acrosomal. Diversos estudios han demostrado que el aumento de Ca²⁺ inducido por la exposición a proteínas de la  zona pelúcida o a la progesterona del líquido extracelular del cúmulus del oocito comienza en la cola del espermatozoide y luego la onda de Ca²⁺ se propaga hacia la cabeza en dirección anterógrada, progresando de la base  hacia la parte apical de la cabeza, para estimular la exocitosis acrosomal. La secuencia de eventos sería la siguiente: (1) un ligando extracelular (proteínas de la zona pelúcida, progesterona, etc.) se une y activa un receptor en la pieza principal del flagelo del espermatozoide, (2) como resultado de la activación del receptor, se activa una bomba de protones y se alcaliniza el citoplasma, (3) en respuesta al incremento del pH intracelular, se activan canales de K⁺ provocando la hiperpolarización de la membrana, se abren los canales CATSPER y el Ca²⁺ extracelular entra a la célula, (4) el Ca²⁺ interno aumenta a través de la pieza principal, causando una onda de Ca²⁺ que progresa en dirección anterógrada hacia la cabeza del espermatozoide, (5)  en la medida que la onda de Ca²⁺ progresa, la señal es amplificada por la liberación  de Ca²⁺ de los depósitos internos cerca de la unión cabeza-cola,  (6) en respuesta a la onda de Ca²⁺, la exocitosis acrosomal progresa en dirección anterógrada.

Fuente: Buffone MG et al (2012). Heads or tails? Structural events and molecular mechanisms that promote mammalian sperm acrosomal exocytosis and motility.  Molecular Reproduction &Development 79: 4-18.