El canal Catsper y la fertilidad masculina

   El espermatozoide maduro ejecuta importantes procesos fisiológicos, como hiperactivación, quimiotaxis y capacitación antes de entrar en contacto con el oocito para la fertilización. Estos procesos fisiológicos están relacionados con cambios en la concentración intracelular de calcio ([Ca²⁺]i) en el espermatozoide. Hay dos fuentes principales de iones calcio en el espermatozoide: (1) algunos iones son almacenados en una bomba de calcio localizada en la cabeza del espermatozoide, (2) otros iones son empacados en las mitocondrias de la pieza media. Algunos procesos del espermatozoide dependen de canales de calcio en la membrana celular. Varios canales de Ca²⁺ dependientes de voltaje son expresados en el testículo, pero la mayoría también se encuentran en otros órganos, como cerebro y corazón. Solamente el canal Catsper es expresado exclusivamente en espermatozoides. La proteína Catsper es un canal permeable a Ca²⁺, sensible a pH y débilmente dependiente de voltaje que está localizado en la membrana de la pieza principal del espermatozoide flagelar. El canal Catsper, identificado en espermatozoides de ratón en el año 2001, es esencial para la fertilización masculina, especialmente para algunos procesos físicos como la hipermotilidad de los espermatozoides, la penetración del espermatozoide en el oocito y la reacción acrosómica. La presencia de un canal Catsper inactivo en ratones machos induce infertilidad. 

   El canal Catsper es activado por el pH alcalino intracelular. Este canal no solo permite la entrada de Ca²⁺ en el espermatozoide bajo condiciones fisiológicas sino también la entrada de cationes monovalentes (Na⁺, Cs⁺) o  divalentes (Ba²⁺) en el espermatozoide si no hay Ca²⁺ extracelular. El canal Catsper contiene cuatro subunidades α (Catsper1-4) y al menos tres subunidades auxiliares (Catsper β, Catsper γ y Catsper δ). La subunidad Catsper1 fue descubierta en 2001 y juega un rol vital en la motilidad del espermatozoide. La expresión estable de Catsper1 requiere la expresión de Catsper 2 y viceversa. Sin embargo, las proteínas Catsper3 y Catsper4 son expresadas en ratones con alteraciones en la subunidad Catsper1, lo cual sugiere que la expresión estable de Catsper3 y Catsper4 no depende de la expresión de Catsper1 y Catsper2. El fenotipo de ratones Catsper2^-/-, Catsper3^-/- y Catsper4^-/- es indistinguible del fenotipo  Catsper1^-/- y sus espermatozoides carecen de la motilidad hiperactiva necesaria para la fertilización. En años recientes, varios estudios han investigado activadores e inhibidores del canal Catsper. En este contexto, el cadmio (Cd), un metal pesado y disruptor endocrino, causa infertilidad masculina  a través de la reducción  de la expresión de proteínas Catsper. Por otra parte, el sulfato de pregnenolona actúa como activador Catsper. Sin embargo, pristimerina y lupeol, moléculas similares a esteroides, pueden actuar como anticonceptivos a través de afectar la hiperactivación de los espermatozoides. Por lo tanto, el canal Catsper ha sido propuesto como un potencial blanco  para la anti-concepción y el tratamiento de la infertilidad masculina.

   El canal Catsper es codificado por al menos siete genes. La estructura y distribución de las subunidades Catsper son esenciales para la función del canal. Las subunidades Catsper1-3 son expresadas específicamente en el testículo, mientras la subunidad Catsper4 es expresada predominantemente en el testículo  y también, aunque en menor expresión, en la placenta y los pulmones. La familia Catsper está confinada a la pieza principal del espermatozoide flagelar maduro en humanos y animales. No hay organelos en la pieza principal del espermatozoide y los investigadores especulan que las subunidades Catsper1-4 están localizadas  en la membrana plasmática de la pieza principal  e involucradas en la regulación flagelar. Seis segmentos transmembrana  (S1-S6) son detectados  en las subunidades α que forman dos sitios fisiológicamente  activos: el dominio sensor de voltaje (S1-S4) y el dominio que forma el poro (S1-asaP-S6). Los segmentos S1-S4 están conectados a una corta estructura cíclica y hay varios residuos de aminoácidos cargados positivamente  (lisina/argina) en el cuarto segmento transmembrana (S4) funcionando como un sensor de voltaje. Los segmentos S5 y S6 están conectados a una corta e hidrofóbica estructura cíclica y esta región permite selectivamente la entrada de Ca²⁺ a través de la membrana celular. La subunidad Catsper1 contiene seis aminoácidos neutros en canales sensibles a voltaje, mientras la subunidad Catsper2 contiene cuatro de esos aminoácidos y las subunidades Catsper3 y Catsper4  solo contienen dos residuos de aminoácidos. Las cuatro subunidades α tienen proteínas enrolladas en sus extremos C-terminal formando un tetrámero funcional. La subunidad Catsper β es la primera proteína auxiliar  identificada en el canal Catsper y es expresada predominantemente en el testículo y la cola del espermatozoide.

   Dos canales de Ca²⁺ regulan la fertilidad masculina. El canal Orail, el cual regula la entrada de calcio operada por depósito y el canal Catsper que es el más extensamente estudiado de los canales de Ca²⁺ en espermatozoides de mamíferos. El canal Catsper controla la concentración intracelular  de Ca²⁺. En la mayoría de mamíferos, la motilidad hiperactiva del espermatozoide depende del flujo de calcio en el citoplasma desde el espacio extracelular  o liberado por organelos intracelulares. Por lo tanto, el canal Catsper controla, al menos, la conducta nadadora del espermatozoide. El canal Catsper es sensible a pH y para la hiperactivación del espermatozoide es necesario un pH alto. Entonces, los factores que regulan las propiedades acido-base también afectan  el grado de apertura del canal Catsper en el espermatozoide. En este contexto, algunos estudios demuestran que la progesterona,  las prostaglandinas y la glucoproteína de la zona pelúcida 3 (ZP3) pueden inducir la capacitación  y la reacción acrosómica en el espermatozoide a través de un  incremento en la [Ca²⁺]i. Sin embargo, un trabajo reciente  demuestra que el incremento de Ca²⁺ disparado por estas moléculas bioactivas es influenciado por el pH del microambiente en el espermatozoide.  No está completamente claro como la alcalinización influye en el canal Catsper. El H⁺ es el principal regulador del microambiente ácido-base, mientras los intercambiadores Na⁺/H⁺ (NHE) y el canal de H⁺ dependiente de voltaje 1 (Hv1) son canales H⁺-relativos. Los NHE importan Na⁺ en la membrana plasmática y exportan H⁺ fuera del espermatozoide  mientras el Hv1 remueve H⁺ intracelulares para mantener el valor de pH en el espermatozoide. Adicionalmente, las bombas Ca²⁺-adenosina trifosfatasa (Ca²⁺ATPasa) remueven Ca²⁺ intracelular del espermatozoide mientras permiten la entrada de H⁺ a través de la membrana plasmática. Por su parte, el canal Catsper importa Ca²⁺ para mantener la homeostasis de Ca²⁺ en el espermatozoide. El intercambiador Na⁺/Ca²⁺ (NCX) y la Na,K-ATPasa (NKA) también influyen en el medio iónico del espermatozoide humano. En efecto, altos niveles intracelulares de Ca²⁺ y  bajos niveles intracelulares de H⁺ contribuyen a la hiperactivación  del espermatozoide.

   Los NHE, responsables del intercambio de Na⁺ e H⁺, son proteínas integrales de la membrana que se encuentran ampliamente distribuidos  en organismos procariotes y eucariotes. Los NHE incluyen 13 isoformas codificadas por la familia de genes SLC9, pero solo tres subtipos (NHE1, NHE5 y sNHE) existen el espermatozoide. El sNHE es una isoforma crucial para la fertilidad. El sNHE está localizado en la pieza principal del espermatozoide flagelar y ayuda a mantener el ambiente alcalino que permite al canal Catsper  regular la hiperpolarización. Adicionalmente, el sNHE también regula la maduración del espermatozoide y promueve la absorción de sal y agua en células epiteliales. El Hv1 también está localizado en la pieza principal del espermatozoide flagelar. En término de sus funciones, la principal diferencia con el sNHE es que mantiene la alcalinización intracelular solamente removiendo H⁺. El Hv1 está asociado con la capacitación del espermatozoide humano.

   La hiperpolarización de la membrana celular se correlaciona con la capacitación del espermatozoide. El K⁺ ayuda a mantener el balance del potencial de membrana en el espermatozoide. Los canales de K⁺ que intervienen en este balance son SLO3 y Kir. Entre ellos, el SLO3 es un canal sensible a pH, específico del espermatozoide y al igual que el canal Catsper, está relacionado con la hiperactividad y la motilidad del espermatozoide. Otra función crucial del SLO3 que afecta al canal Catsper  es mantener el balance de corriente en el espermosporo del flagelo. El potencial transmembrana del espermatozoide en reposo es aproximadamente de -35 a -45 mV, pero cuando el K⁺ se mueve hacia afuera de la célula e inicia la hiperpolarización, el potencial transmembrana disminuye a -70 mV y se dispara una serie de procesos fisiológicos, incluyendo la activación del intercambiador Na+/H+, la capacitación del espermatozoide y la unión del espermatozoide a la proteína ZP3.

   En el espermatozoide hay tres canales relacionados con Ca²⁺ (canal Catsper, Ca²⁺ATPasa e intercambiador Na⁺/Ca²⁺). El canal Catsper es responsable de la entrada de Ca²⁺ en el espermosporo, lo cual promueve la motilidad del espermatozoide. La Ca²⁺ATPasa es un intercambiador Ca²⁺/H⁺ que remueve Ca²⁺ intracelular y permite la entrada de H⁺ en el espermatozoide. La Ca²⁺ATPasa puede regular negativamente al canal Catsper y por consiguiente la fertilización masculina. El intercambiador Na⁺/Ca²⁺ exporta un ion Ca²⁺ fuera del espermatozoide y permite la entrada de tres iones Na⁺, lo cual es esencial para mantener el balance  de Ca²⁺ del ambiente intracelular.

   El HCO₃ es indispensable para la capacitación, a menudo considerada como el inicio  de la activación de la motilidad del espermatozoide. El transporte de HCO₃ afecta la motilidad del espermatozoide incrementando el pH intracelular. Más aún, el HCO₃ activa a la adenilato ciclasa soluble (sAC), lo cual incrementa los niveles de AMP cíclico (cAMP) y las rutas mediadas por cAMP que aumentan la frecuencia de latidos flagelares. Los transportadores de HCO₃ son codificados por las familias de genes SLC4, SLC26 y CFTR en el espermatozoide y constituyen las  principales familias  de proteínas transmembrana asociadas con la regulación del pH en las células de los mamíferos. El CFTR es un transportador transmembrana de Cl^- y HCO₃ que está asociado con la capacitación del espermatozoide humano. El CFTR controla muchos procesos de transporte de proteínas modulando rutas de señalización activadas por cAMP. La supresión del transportador CFTR afecta el incremento de cAMP inducido por HCO₃, provocando disminución de la actividad de la proteína quinasa A (PKA). La disminución de la actividad del CFTR también causa disminución de la fosforilación de tirosinas y de la motilidad hiperactivada. El CFTR y los transportadores de HCO₃ se localizan en la pieza media del flagelo, pero no se co-localizan con el canal Catsper. La generación de HCO₃ la llevan a cabo las anhidrasas carbónicas (AC), las cuales son esenciales para el espermatozoide durante la fertilización. Las AC participan directamente en el mantenimiento del balance de iones durante la motilidad del espermatozoide. Los estudios demuestran que las AC funcionan de tres maneras: (1) catalizando la producción de HCO₃, (2) regulando el pH intracelular en el espermatozoide, y (3) regulando la reacción acrosómica del espermatozoide. Es concebible que las AC puedan afectar la reacción acrosómica del espermatozoide modulando al canal Catsper. Las subunidades ACII y ACIV son las que tienen actividad catalítica. La ACII  se localiza en la membrana de la pieza principal del espermatozoide flagelar donde también se localiza el canal Catsper, mientras la ACIV se localiza en la membrana plasmática de la cola del espermatozoide.

   La ruta de señalización cAMP/PKA es usada en los mamíferos para regular la transcripción de genes. En efecto, la capacitación del espermatozoide es un proceso dependiente de cAMP que regula hacia arriba la concentración de Ca²⁺ y los niveles de fosforilación de tirosinas. El cAMP es sintetizado por AC que comúnmente se dividen en  dos grupos: adenilil ciclasas transmembrana  (tmAC) y sAC. La cascada de señalización cAMP/PKA mediada por sAC es esencial para la capacitación del espermatozoide. La sAC no solo juega un rol en la producción de cAMP, también participa en otros mecanismos involucrados en el proceso de fertilización. Específicamente, la sAC tiene tres roles en la fertilización: (1) La sAC trabaja como sensor de HCO₃. (2) La sAC actúa como sensor de pH. (3) La sAC funciona como sensor de Ca²⁺ o calmodulina. El cAMP está involucrado en la quimiotaxis del espermatozoide hacia el oocito y la capacitación.

   La proteína ZP rodea al oocito en el tracto reproductor femenino y es importante en el proceso de fertilización porque el espermatozoide, solamente cuando pasa a través  de la ZP para completar la reacción acrosómica,  puede participar en la fertilización. Las glucoproteínas ZP consisten de cuatro subunidades (ZP1, ZP2, ZP3, ZP4) en el espermatozoide humano. El espermatozoide necesita la capacitación (la cual es activada por un incremento en la [Ca²⁺]i)  para pasar a través de la ZP cuando contacta al oocito. En seguida, ocurre la exocitosis  de vesículas secretoras y se lleva a cabo la reacción acrosómica. En humanos, el espermatozoide requiere la unión a ZP3 y ZP4. Por otra parte, las proteínas receptor transitorio potencial de mamíferos (Trp) son receptores canal de Ca²⁺ esenciales para la regulación de la entrada de Ca²⁺ en espermatozoides de ratón. El Trp es activado por proteína G y fosfolipasa C dependientes de ZP3. La entrada de Ca²⁺ inducida por ZP en el espermatozoide ayuda a generar la reacción acrosómica y cambia la motilidad del espermatozoide. Ambas funciones se llevan a cabo con la ayuda de proteínas beta-defensinas expresadas en el epidídimo. Estudios recientes demuestran que el canal Catsper juega un rol crítico en la entrada de Ca²⁺ inducida por ZP en espermatozoides de ratón. El incremento en [Ca²⁺]i inducido por ZP comienza en la cola y se propaga hacia la cabeza del espermatozoide.

   La progesterona rodea al oocito en el tracto reproductor femenino, es liberada por las células del cumulus e induce la entrada de Ca²⁺ en el espermatozoide  a través del canal Catsper y por lo tanto promueve la reacción acrosómica. La entrada de Ca²⁺ inducida por progesterona es mediada por la liberación de Ca²⁺ almacenado en el espermatozoide. Un mecanismo del canal Catsper para incrementar la [Ca2+]i es liberar Ca²⁺ almacenado. El canal Catsper es sensible a la progesterona tempranamente en el desarrollo del espermatozoide  y la sensibilidad incrementa gradualmente hasta alcanzar un pico cuando los espermatozoides son eyaculados. Hay evidencia que las proteínas quinasas y las fosfatasas participan en el incremento de Ca²⁺ inducido por progesterona. Por ejemplo, la adición de inhibidores de la PKA o de la tirosina fosfatasa reducen la entrada de Ca²⁺ y la reacción acrosómica. En 2010, dos grupos de investigadores propusieron que el canal Catsper funciona como receptor de progesterona en espermatozoides de pez para incrementar la concentración intracelular de Ca²⁺. Adicionalmente, en 2011, un estudio demostró que la progesterona activa al canal Catsper en espermatozoides humanos regulando la expresión del gen Catsper a través de receptores nucleares de progesterona. De acuerdo con este estudio, la proteína Catsper es un receptor no genómico de la progesterona y la entrada de Ca²⁺ es estimulada por pH alcalino y progesterona, pero bloqueada por los inhibidores Catsper NNC55-0396 y mibefradil.

   El canal Catsper es esencial para la fertilidad en humanos y roedores. Los pacientes con astenozoospermia carecen del gen Catsper2. Varios estudios demuestran que las cuatro subunidades Catsper son esenciales para la motilidad hiperactiva y la fertilidad masculina, pero la carencia de las subunidades Catsper3 y Catsper4 no influye en la espermatogénesis o la motilidad inicial del espermatozoide. Más aún, el número de espermatozoides con motilidad progresiva y reacción acrosómica inducida por progesterona es significativamente bajo en los individuos con supresión de la subunidad Catsper1. La expresión normal del canal Catsper está asociada con motilidad progresiva y reacción acrosómica, mientras la expresión anormal puede estar involucrada en la patogénesis  de la astenozoospermia. Específicamente la disrupción de la sNHE o de los genes Catsper2 en ratones causa infertilidad masculina con hallazgos de espermatozoides inmóviles y falla en la motilidad hiperactiva, pero sin otras anormalidades aparentes. Estos hallazgos sugieren que las subunidades Catsper1 y Catsper2 son esenciales para la fertilidad normal en humanos o roedores. Aunque las subunidades Catsper3 y Catsper4 juegan un importante rol en la reacción acrosómica  y la fertilidad masculina, las subunidades Catsper1 y Catsper2 son más importantes en el espermatozoide.

   El canal Catsper es un quimiosensor polimodal que puede ser blanco de anticonceptivos. La incubación de espermatozoides con IgG anti-Catsper1 produce disminución de la motilidad progresiva, lo cual demuestra que la subunidad Catsper1 puede ser un potencial blanco para inmunocontracepción. Un estudio reciente evalúa las capacidades anticonceptivas de dos epitopes de células B en los dominios transmembrana y la región del poro de Catsper1 en ratones. En estos ratones se observó una significativa reducción de la fertilidad, sin enfermedad sistémica evidente o anormalidades de la conducta. Esta observación sugiere que los miembros Catsper pueden ser blancos efectivos y viables para la inmunocontracepción. Los dos epitopes en Catsper1 exhibieron alta identidad entre ratón y humano y por lo tanto pueden ser efectivos para regular la fertilidad en humanos.

   En conclusión, el canal Catsper es específico de espermatozoides, permeable a Ca²⁺, dependiente de pH y dependiente de bajo voltaje que es esencial para la hiperactividad del flagelo del espermatozoide, la quimiotaxis  hacia el oocito, la capacitación y la reacción acrosómica. Todos estos eventos fisiológicos requieren la entrada de calcio en el espermatozoide. El canal Catsper juega un rol crítico en la fertilidad masculina  controlando la entrada de Ca²⁺ en el espermatozoide. Los genes Catsper son expresados exclusivamente en los testículos durante la espermatogénesis y son sensibles a cambios en el pH inducidos por canales iónicos, incluyendo NHE, Ca²⁺-ATPasa, canal de K⁺, canal Hv1 y transportadores de HCO₃. Estos canales alteran el pH del espermatozoide cambiando la concentración de iones H⁺. El canal Catsper es regulado por algunos estimulantes fisiológicos, como progesterona, nucleótidos cíclicos y glucoproteínas de la zona pelúcida. Estos factores normalmente estimulan la entrada de Ca²⁺ en el espermatozoide a través del canal Catsper. El canal Catsper puede ser un potencial blanco para anticonceptivos y el tratamiento de la infertilidad masculina.

Fuente: Sun XH et al (2017). The Catsper channel and its roles in male fertility: a systematic review. Reproductive Biology and Endocrinology 15: 65.