FSH y ácido retinoico en la espermatogénesis

La espermatogénesis es un proceso continuo altamente regulado de proliferación y diferenciación  de células germinales masculinas. Este proceso tiene lugar en los túbulos seminíferos de los testículos para la generación de espermatozoides a través de la vida.  La diferenciación de espermatozoides ocurre a través de un proceso lineal que incluye expansiones mitóticas, divisiones de reducción meiótica y transformaciones morfológicas. La ruta de diferenciación de las espermatogonias comienza cuando las espermatogonias indiferenciadas entran en una transición irreversible (roedores) o división (primates) para producir espermatogonias diferenciadas.

   En mamíferos, la espermatogénesis se inicia en la vida postnatal, en la pubertad con la diferenciación de espermatogonias indiferenciadas y su entrada en meiosis. Las espermatogonias son capaces no solo de auto-renovarse y proliferar para mantener las poblaciones de stem cells sino también son capaces de generar células progenitoras   que entran en el proceso de espermatogénesis para formar espermatozoides maduros.  La población de espermatogonias está determinada por complejas interacciones entre las células germinales, las células somáticas y diferentes tipos de factores de crecimiento.

   La transformación de espermatogonias indiferenciadas en  espermatogonias diferenciadas y la espermatogénesis normal requieren la acción de gonadotropinas. La secreción de gonadotropinas, incluyendo hormona luteinizante (LH) y hormona folículo-estimulante (FSH) por la hipófisis está bajo el control de la hormona liberadora de gonadotropinas (GnRH) del hipotálamo. La espermatogénesis está regulada por señales de los efectos de las gonadotropinas sobre las células de Leydig y Sertoli que expresan receptores para LH y FSH, respectivamente. En ausencia de FSH y LH solamente células germinales y células de Sertoli están presentes en los túbulos seminíferos de los testículos. La fase prepuberal o juvenil del desarrollo de los testículos se caracteriza por un estado hipogonadotrópico en el cual el epitelio de los túbulos seminíferos solo tiene células de Sertoli y células germinales indiferenciadas. Todas las células germinales en el testículo juvenil son espermatogonias indiferenciadas que proliferan de una manera relativamente independiente de gonadotropinas. 

   Desde 1925, está demostrado que la vitamina A es requerida para la espermatogénesis normal y los animales con deficiencia de vitamina A (VAD) son infértiles. La deficiencia de vitamina A detiene la espermatogénesis en los estadios tempranos de la meiosis. En los animales VAD, solamente células de Sertoli y espermatogonias indiferenciadas están presentes en los túbulos seminíferos del testículo. Sin embargo, el bloqueo de la diferenciación en los animales VAD puede ser removido con retinol. Los estudios recientes, especialmente en roedores, revelan que el ácido retinoico (AR), una forma biológicamente activa de vitamina A, juega un rol esencial en el proceso de espermatogénesis. El AR es considerado responsable de la diferenciación cíclica de células germinales en el testículo adulto y la producción continua de espermatozoides. El AR es crítico para  la inducción de la diferenciación de células germinales, el inicio de la meiosis y la espermiogénesis normal. El AR es necesario para la transición de espermatogonia A a espermatogonia A1 y el inicio de la meiosis. Los estudios sugieren que el AR puede activar células blanco adyacentes de una manera paracrina. En el testículo de ratón, las células de Sertoli pueden generar AR y la espermatogonia A puede responder al AR. Si el AR, como factor extrínseco, contribuye a controlar el ciclo del epitelio seminífero en los testículos, la pregunta es: ¿cuáles células, enzimas y receptores son responsables de generar, responder y degradar el pulso de AR?

   Las gonadotropinas pueden disparar la diferenciación de espermatogonias y su entrada en la meiosis a través de la regulación de la señal AR en el epitelio seminífero de los testículos. Esto ha dado lugar a una nueva hipótesis acerca de los mecanismos de las gonadotropinas para el control de la espermatogénesis vía AR. Un estudio reciente revela que la expresión de algunas moléculas de señalización AR incluyendo todo-trans-retinol deshidrogenasa 7 (ADH7), factor de diferenciación inducido por todo-trans-ácido retinoico (ATRAID), retinol deshidrogenasa 10 (RDH10) y proteína de unión de ácido retinoico celular 2 (CRABP2) cambian significativamente después de la estimulación con LH y FSH por 48 y 96 horas. Otro estudio demuestra que CRABP1 y CRAPB2 son reguladas a la baja y al alza, respectivamente, después de estimulación con LH y FSH por 11 días.

   En ratones, la formación de los linajes de células somáticas y germinales ocurre independientemente en el testículo. Durante el desarrollo embrionario, las células gonadales bipotenciales se convierten en las células de Sertoli del testículo. La ausencia de expresión de la proteína Y determinante del sexo (SRY) provoca la formación de células granulosas en el ovario en desarrollo en las hembras. Las células germinales  primordiales (CGP) aparecen en el epiblasto y migran a la cresta gonadal en desarrollo. La interacción entre CGP y células de Sertoli provoca la formación de los cordones seminíferos embrionarios. Las CGP experimentan una proliferación mitótica y se convierten en gonocitos o pro-espermatogonias. En el testículo juvenil, las pro-espermatogonias están localizadas en la parte media de los cordones seminíferos y después de varias transiciones migran a la periferia para formar espermatogonias.

   En la espermatogénesis, en el testículo de ratón, las pro-espermatogonias negativas a neurogenina 3 (NGN3) se transforman en espermatogonias A1, mientras las pro-espermatogonias positivas a NGN3 permanecen como “stem cells”/progenitoras indiferenciadas.  Las espermatogonias A1 luego se diferencian en espermatogonias A2, A3, A4 y tipo B. La espermatogénesis prosigue con la expansión mitótica de las stem cells/progenitoras, lo cual permite la continua producción de células germinales más indiferenciadas definidas como espermatogonias A apareadas (Apr). Las Apr se dividen para formar espermatogonias A alineadas (Aal). Las células Apr y Aal son consideradas como células germinales transitorias que posteriormente se diferencian en espermatogonias A1 que entran en la ruta de diferenciación y meiosis. En ratones, las células Aal se transforman en espermatogonias A1 diferenciadas sin división celular. La transición de células Aal a espermatogonias A1 parece ser irreversible. La transformación de células Aal en espermatogonias A1 es seguida por seis divisiones celulares para producir espermatogonias A2, A3, A4, In, espermatogonia B y espermatocitos preleptotene.

   La espermatogénesis normal en mamíferos requiere actividad neuroendocrina del eje hipotálamo-hipófisis-testículo (HHT). En roedores, la primera etapa de la espermatogénesis y la diferenciación de espermatogonias ocurren inmediatamente después del nacimiento. Mientras, en primates superiores hay tres diferentes fases de actividad postnatal antes de la adultez que incluyen las etapas neonatal, juvenil y pubertad. La fase neonatal exhibe actividad del eje HHT como el adulto, pero sin espermatogénesis. Durante la fase juvenil, el eje HHT es quiescente. En la fase de la pubertad, la actividad del eje HHT es reiniciada y comienza la espermatogénesis.

   La GnRH es una señal hipotalámica central para la hipófisis que expresa receptores para GnRH. Dos gonadotropinas distintas, LH y FSH, son liberadas de manera pulsátil en respuesta a la GnRH. En los testículos, dos receptores transmembrana específicos, FSHR y LHR, median las acciones de  FSH y  LH, respectivamente. En el testículo, el FSHR es expresado selectivamente por las células de Sertoli en los túbulos seminíferos, mientras el LHR es expresado por las células de Leydig en el espacio intersticial. Por tanto, la FSH directamente y la LH indirectamente vía  receptor de andrógenos (AR) actúan en la espermatogénesis a través de la regulación de factores de las células de Sertoli. En respuesta a la señal LH, la testosterona es producida por las células de Leydig de una manera pulsátil. En respuesta a FSH, inhibina α, una hormona no esteroide, es producida por las células de Sertoli de una manera no pulsátil. Las hormonas gonadales, testosterona e inhibina, actúan como señales de retroalimentación para mantener la acción fisiológica del eje hipotálamo-hipófisis. El mayor rol de la FSH y la LH es establecer la espermatogénesis normal y la producción de espermatozoides durante la pubertad y la adultez.  En hombres y primates no humanos, la FSH actúa a través de las células de Sertoli para facilitar la proliferación y auto-renovación de espermatogonias y su transición a espermatocitos. La FSH es esencial para mantener la fertilidad en hombres. La pubertad no ocurre en varones con pérdida de la función en el FSHR. Los estudios de hombres con deficiencia de FSH de etiología desconocida demuestran que la FSH está asociada con el inicio de la espermatogénesis y la fertilidad.

   El ciclo del epitelio seminífero es definido como el continuo ingreso de la espermatogonias indiferenciadas a la meiosis y la formación de espermátides alargadas. En el testículo de ratón, el inicio del proceso espermatogénico ocurre cada 8,6 días y la duración del desarrollo de espermatogonias A1 a la espermiación es de 35 días. En primates, dos tipos de espermatogonias indiferenciadas, A-oscuras y A pálidas, están presentes en el testículo. En monos Rhesus, el ciclo del epitelio de túbulo seminífero comprende 12 estadios distintos y la diferenciación de espermatogonias Apr a espermatogonias B1 diferenciadas ocurre durante una rápida división en el estadio IX del ciclo del epitelio de túbulo seminífero.

   La actividad del AR en el testículo provoca la generación del ciclo del epitelio seminífero y la onda espermatogénica normal. Estudios recientes revelan que el AR actúa de manera pulsátil y periódicamente maneja el inicio de la meiosis. La vitamina A en la forma de retinol en la sangre es transportada a los testículos a través de la proteína de unión a retinoides 4 (RBP4). Una proteína de la membrana plasmática, estimulada por AR (Stra6) es el receptor para el complejo RBP4/retinol en el testículo. La Stra6 media la captación del retinol de la sangre en las células. La Stra6 solamente es expresada en la superficie de la membrana basal de células de Sertoli en el testículo de ratón adulto de manera específica en los estadios VIII-IX. El análisis de la expresión de genes involucrados en la señal AR en testículos de monos juveniles revela que la expresión de Stra6 aumenta en los testículos tratados con gonadotropinas después de 11 días. Sin embargo, está demostrado que la Stra6 no es esencial para el mantenimiento de la homeostasis de vitamina A en el tejido testicular y los ratones con deficiencia de Stra6 son fértiles.

   La vitamina A (retinol) es importante para la reproducción y el desarrollo de la vida postnatal. El retinol (ROH) es transportado en la circulación sanguínea  como  retinil ester unido a la proteína ligadora de retinol (RBP), codificada por el gen Rbp4. La FSH promueve la biosíntesis de AR a partir de retinol y también el almacenamiento de retinol ester en las células de Sertoli. En las células granulosas del ovario, la FSH induce la diferenciación y el desarrollo folicular a través de un incremento en la captación de retinol sanguíneo y la biosíntesis de AR. La primera etapa de la oxidación de ROH es controlada por la retinol deshidrogenasa 10 (RDH10), una enzima crítica para la señal AR en la embriogénesis. El testículo tiene una capacidad intrínseca para producir AR, tanto las células de Sertoli como las células germinales contienen RDH10 para oxidar el ROH a retinal. Estudios recientes revelan que la expresión de RDH10 es regulada al alza después de 48 y 96 horas de estimulación con LH y FSH en testículos de mono Rhesus juvenil. Estos hallazgos demuestran que la RDH10 puede jugar un rol importante en la biosíntesis y señal de AR y está involucrada en el desarrollo de células germinales masculinas y la espermatogénesis en testículo de monos.

   Tres enzimas retinaldehido deshidrogenasa, ALDH1A1, ALDH1A2 y ALDH1A3, son expresadas en testículo de ratón. En los testículos de ratones en desarrollo y adultos, los transcriptos Aldh1a1y Aldh1a3 son expresados en células de Leydig y de Sertoli, mientras los transcriptos Aldh1a2 están localizados en un estadio específico (VII-XI) en espermatocitos paquitene después del día 20 postnatal. Sobre la base de la abundancia y localización específica de Aldh1a1 en las células de Sertoli, se ha sugerido que la ALDH1A1 es la principal fuente de AR en el epitelio seminífero. Las localizaciones celulares únicas de Aldh1a1 y Aldh1a2 en el tejido intratesticular implica que pueden tener roles específicos en la formación de AR. La acción paracrina del AR de las células de Sertoli sobre las células germinales es esencial para iniciar la transición de espermatogonias A en A1.

   Los niveles elevados de LH y FSH están asociados con niveles bajos de la proteína ALDH1A2 en los testículos. La ALDH1A2 ha sido detectada en espermatogonias indiferenciadas, espermatocitos y espermatides en testículos humanos. Un estudio que investigó la expresión de enzimas que metabolizan el AR durante el desarrollo testicular postnatal en perros revela que el nivel de mARN de ALDH1A2 en los testículos peripuberales es mayor que en los testículos de adulto. Otro estudio demuestra que la expresión de mARN de ALDH1A2 es regulada a la baja en testículo de mono adulto después de tratamiento con gonadotropinas por 11 días. La ALDH1A2 es la principal enzima involucrada en la biosíntesis de AR en células germinales humanas, y niveles relevantes de esta proteína se correlacionan con el número de células germinales y la fertilidad masculina.

   El AR es inactivado por tres formas de enzimas citocromo P-450 que incluye a citocromo P450, familia 26, subfamilia a, polipéptido 1 (CYP26A1); citocromo P450, familia 26, subfamilia b, polipéptido 1 (CYP26B1) y citocromo P450, familia 26, subfamilia c, polipéptido 1 (CYP26C1). La degradación de AR es crítica para la regulación de las concentraciones  de AR en el testículo y la diferenciación normal de espermatogonias. El balance entre síntesis de AR por enzimas retinaldehido deshidrogenasas y la degradación oxidativa de AR por enzimas citocromo P450 controla las concentraciones de AR en los tejidos. En testículo embrionario de ratón, la expresión de CYP26B1 en las células de Sertoli es responsable de la degradación de AR y, por tanto, previene que las células germinales inmaduras entre en meiosis. En testículo de ratón postnatal y adulto, la expresión de CYP26B1 está restringida a células miodes peritubulares. Un estudio reciente demuestra que la proteína CYP26B1 es detectada en el citoplasma de espermatogonias indiferenciadas de testículo de monos en desarrollo y, por tanto, puede prevenir su diferenciación y la entrada en meiosis. El patrón de expresión de la proteína CYP26B1 es estadio-especifica en el epitelio seminífero de testículo de mono adulto, con el más alto nivel de expresión en células germinales en estadios VII-IX del ciclo del epitelio seminífero donde las espermatogonias tipo A indiferenciadas y las espermatogonias tipo B diferenciadas entran en meiosis. Estos hallazgos sugieren que la expresión estadio-específica de CYP26B1 en el testículo de mono adulto es responsable de la señal pulsátil de AR en la espermatogénesis.

   La familia de proteínas ligadoras de AR (CRABP) son pequeñas proteínas citoplasmáticas que unen específicamente AR en diferentes tejidos y ayudan con la solubilización de sus ligandos hidrofóbicos. Las CRABP 1 y 2 son exclusivamente proteínas intracelulares y juegan roles importantes en el control del nivel intracelular de AR.  La CRABP1 está localizada exclusivamente en el citoplasma de gonocitos y espermatogonias de testículo postnatal y adulto, pero no en células de Sertoli. La exclusiva expresión de CRABP1 en gonocitos y espermatogonias indica su posible rol en la degradación de AR en células germinales y, por tanto, previene la activación de receptores de AR en espermatogonias. La CRABP 2 contribuye en la transferencia de AR en el núcleo y es considerada como un mediador molecular para los efectos biológicos del AR. La CRABP 2 puede ser responsable de la activación de la señal AR en las células de Sertoli y el inicio de la diferenciación de espermatogonias.

   Los efectos del AR son mediados por los receptores nucleares para AR (RAR) y retinoide X (RXR). RAR y RXR son proteínas que se unen a ADN y modulan la transcripción, involucradas en los mecanismos moleculares de las respuestas transcripcionales  en los genes. El AR interactúa con el heterodímero RAR/RXR y se une a los elementos de respuesta en los genes blanco y regula la transcripciones de genes. En los testículos, las célula de Sertoli y las células germinales responden al AR vía receptores RAR/RXR. Todas las isoformas de receptores RAR (RARA, RARB y RAR)  son expresadas en células de Sertoli y germinales. El RARα es responsable de la colonización,  proliferación y progresión a través de  la meiosis  de las células germinales. En las células de Sertoli,  el RAR es responsable de la diferenciación celular. De los RXR, solamente el RXRβ es crítico para la espermatogénesis normal. La FSH puede estimular la mitosis de células de Sertoli  antes de la pubertad vía control del  RARα. Un incremento en los niveles de FSH durante la pubertad estimula el traslado de RARα al núcleo donde es importante para la diferenciación de células de Sertoli.

   En roedores, la proteína STRA8 es considerada como un marcador para la acción del AR en células germinales y su función es requerida para iniciar la transición entre mitosis y meiosis. La STRA8 es expresada principalmente en espermatogonias conforme a su rol en el inicio de la meiosis.  El AR induce Strat8 en células germinales neonatales y causa el inicio de la meiosis. La proteína STRA8 solamente es expresada por la población de espermatogonias diferenciadas y es requerida para su entrada en la meiosis. El patrón de expresión de STRA8 en células testiculares de primates no parce ser el mismo de roedores. Por otra parte, la expresión de STRA8 no es detectada en  células testiculares humanas, aunque un estudio reporta una detección débil en el núcleo de espermtogonias B diferenciadas y espermatocitos en testículo de humano adulto.

   La barrera hemato-testicular (BTB) divide el epitelio seminífero en las partes basal y adluminal. La renovación y diferenciación de espermatogonia más allá  del estadio de espermatocito preleptotene tiene lugar fuera de la BTB en el compartimento basal del epitelio, pero la meiosis, la espermiogénesis y la espermiación tienen lugar en un microambiente detrás de la BTB en la parte adluminal. La expresión de genes asociados con el establecimiento de la BTB es regulada al alza siguiendo la estimulación con gonadotropinas por 48 o 96 horas en testículo de mono juvenil. Por ejemplo, claudina 11, un componente de la BTB es sobre expresada debido a la estimulación con gonadotropinas.

   La FSH se une a FSHR expresados en las células de Sertoli en los túbulos seminíferos y provoca la activación de genes necesarios para la regulación de la espermatogénesis. La diferenciación de espermatogonias  y su entrada en la meiosis también es controlada por varios factores de crecimiento que actúan en los estadios tempranos de la espermatogénesis de mamíferos. Las células de Sertoli producen factores de crecimiento que estimulan la auto-renovación y diferenciación  de espermatogonias en el testículo postnatal, incluyendo activina A, factor neurotrófico derivado de células gliales (GDNF), ligando kit KL), proteína morfogenética de hueso 4 (BMP4) y neuroregulinas (NRG).

   En conclusión, la espermatogénesis es un proceso complejo de producción de espermatozoides que es controlado por interacciones entre células germinales y somáticas. En mamíferos, este proceso se inicia en la pubertad con la diferenciación de espermatogonias indiferenciadas y su entrada en meiosis. Las células espermatogénicas están en contacto con las células de Sertoli que proporcionan soporte estructural y factores paracrinos para regular la auto-renovación y diferenciación de las espermatogonias. El AR es responsable de la diferenciación cíclica de células germinales y la producción continua de espermatozoides en el testículo adulto. El AR es sintetizado primariamente por las células de Sertoli en el testículo. La FSH induce la activación de la ruta de señalización del AR a través del incremento de Rdh10, Aldh1a1, Crabp2 en las células de Sertoli y disminución de Crabp1 en las espermatogonias, proporcionando un factor paracrino necesario para la inducción de la diferenciación de espermatogonias. Durante la pubertad, la FSH induce componentes de las rutas de señalización reguladas por AR como GDNF, Kl, BMP4 y NRG que son importantes para la proliferación y diferenciación de espermatogonias y su entrada en la meiosis. La señal FSH puede causar la expresión periódica de genes involucrados en la señal AR y, por tanto, disparar el inicio del ciclo de epitelio seminífero de una manera estadio-específica.

Fuente: Khanehzad M et al (2021). FSH regulates RA signaling to comming spermatogonia into differentiation pathway and meiosis. Reproductive Biology and Endocrinology 19:4.