Axonema

Crecimiento del axonema

El axonema se desarrolla a partir de uno de los pares de centríolos que inicialmente se encuentran cerca de la región de Golgi de la espermátida redonda. El crecimiento del axonema comienza en la espermátida redonda antes de que la reorganización citoplasmática ponga en contacto el acrosoma con la membrana celular de la espermátida. El axonema naciente, a través de la reorganización citoplasmática que está teniendo lugar en el polo del espermatozoide, se aloja en el polo opuesto del núcleo al acrosoma a través de una compleja «articulación». Esta estructura se denomina pieza de conexión y se asemeja a un cono hueco, cuya base se articula con el polo caudal del núcleo. Los lados del cono están formados por nueve columnas estriadas en cruz que se continúan con los nueve ODF, elementos citoesqueléticos de la cola. En el núcleo del cuello, el remanente del centríolo distal ancla la cola a la cabeza del espermatozoide y también da lugar al filamento axial, o axonema, de la cola (disposición de 9 + 2 microtúbulos). El centríolo proximal compañero, que permanece intacto, también está alojado dentro del cono, y su eje se encuentra a 90 grados con respecto al axonema (véanse las Figs. 136-10 y 136-11).

El axonema central que comprende dos microtúbulos simples centrales y nueve microtúbulos dobles periféricos se conserva en los cilios y flagelos desde las algas hasta los humanos. Se han definido los genes que codifican los componentes clave esenciales para la motilidad, y las mutaciones en estos genes constituyen una base genética inequívoca para la infertilidad y la disfunción respiratoria conocida como disquinesia ciliar.161,164 Otros pueden dar cuenta de una causa importante, aunque menor, de la infertilidad masculina.165

Se han identificado algunos genes y sus proteínas codificadas que componen el cuello, las ODF y el FS.166,167-169 La función precisa de las ODF no está clara, pero sus propiedades elásticas y su resistencia a la tracción pueden ser componentes integrales de la motilidad flagelar normal. La expresión de los genes que codifican algunas de estas proteínas se produce en las espermátidas redondas tempranas y alcanza niveles máximos durante la fase acrosómica. Algunas proteínas ODF parecen almacenarse en cuerpos granulados en el citoplasma de la espermátida antes de su ensamblaje en dirección proximal-distal a lo largo del axonema.166,167 En la espermatogénesis humana, estas proteínas parecen unirse a un entramado microtubular que forma una plantilla para el componente tipo costilla de la pieza principal.135 Los estudios de etiquetado inmunológico con anticuerpos anti-ODF-27 y anti-ODF-84 han mostrado la localización en el cuello de la cola, confirmando así que las columnas segmentarias y la placa basal contienen proteínas de tipo citoesqueleto similares a las del flagelo.167,168

Los componentes primarios son las proteínas de anclaje A-cinasa 3 y 4, y estudios recientes relacionan la proteína espermática ROPN1 y ROPN1L con el desarrollo y la función de las fibras densas externas. Los ratones deficientes en ambos genes tenían espermatozoides inmóviles y adelgazamiento y desgarro de la pieza principal.170

La inmunocitoquímica ha demostrado que las proteínas de las FS se ensamblan en una dirección de distal a proximal a lo largo del axonema, encontrándose finalmente y superponiéndose al ensamblaje de las FOD dentro del compartimento citoplasmático periaxonemal.166 A diferencia de la asociación de las ODF dentro de los cuerpos granulares citoplasmáticos, las proteínas FS se distribuyen aleatoriamente en el citoplasma de la espermátida caudal y luego se dirigen directamente a lo largo del axonema a su lugar de ensamblaje.

El axonema se desarrolla a partir de uno de los pares de centríolos que inicialmente se encuentran cerca de la región de Golgi de la espermátida redonda. El crecimiento del axonema comienza en la espermátida redonda antes de que la reorganización citoplasmática ponga en contacto el centriolo con el núcleo o la membrana celular de la espermátida. Esto parece contrastar con el desarrollo de los cilios primarios que comienzan el crecimiento flagelar después de acoplarse a la membrana celular.171 Se necesitan más estudios para documentar los detalles de cómo se desarrolla el axonema del espermatozoide. El axonema naciente, a través de la reorganización citoplasmática que está teniendo lugar, se aloja en el polo opuesto del núcleo al acrosoma a través de una compleja «articulación», la pieza de conexión descrita anteriormente (véase la Fig. 136-8).

El desarrollo del axonema continúa en paralelo con la elongación y la condensación de la cabeza del espermatozoide y se cree que implica un proceso denominado transporte intraflagelar (IFT).172 De nuevo, aunque se ha explorado mejor en los cilios primarios, los ratones que portan mutaciones en los genes IFT centrales son a menudo/usualmente infértiles, lo que sugiere una conservación de la función.173

Se extiende desde el cuello, es la pieza media (∼5 μm de largo en los espermatozoides humanos), que se compone del axonema rodeado por nueve ODF y finalmente la vaina mitocondrial. Algunas proteínas ODF parecen almacenarse en cuerpos granulados en el citoplasma de los espermatozoides antes de su ensamblaje en dirección proximal a distal a lo largo del axonema.166,167 Los estudios de etiquetado inmunológico con anticuerpos ODF-27 y ODF-84 han mostrado su localización en el cuello de la cola, confirmando así que las columnas segmentarias y la placa basal contienen proteínas de tipo citoesqueleto similares a las del flagelo.167,168 La pieza media termina en el anillo, que es una estructura anular que contiene septinas y que actúa como barrera para la difusión de proteínas.174 Los defectos en la formación o posicionamiento del anillo se han asociado con la infertilidad en humanos y ratones.175,176

Distal a la pieza media está la pieza principal (∼45 μm de longitud en el esperma humano) (véanse las Figs. 136-10 y 136-11). En esta región, externa a cada doblete de microtúbulos del axonema, hay un ODF modificado. Sin embargo, los ODF-3 y ODF-8 son reemplazados por las columnas longitudinales del FS. Estas columnas están a su vez conectadas por costillas transversales de la pieza principal. En conjunto, la ODF y la FS se estrechan a lo largo de la cola del espermatozoide y terminan en la unión con la pieza final. La pieza final está compuesta únicamente por el axonema rodeado por la membrana plasmática.

La función de la ODF y la vaina fibrosa aún no se ha definido con precisión; sin embargo, como mínimo, proporcionan rigidez estructural al movimiento de la cola del espermatozoide y protección contra las fuerzas de cizallamiento,177 y en el caso de la vaina fibrosa, como plataforma alternativa para la producción de ATP para la función del axonema.178 La ausencia de las proteínas glicolíticas específicas del FS, al menos en el ratón, da lugar a la esterilidad caracterizada por la astenozoospermia.179,180 Numerosos estudios han demostrado que la dependencia de los espermatozoides del ATP generado por la glucólisis en la vaina fibrosa y la fosforilación oxidativa por las mitocondrias varía significativamente entre especies.181 Curiosamente, la FOD, al igual que el axonema, se desarrolla en una dirección de proximal a distal, mientras que el FS se desarrolla desde la punta de la cola de los espermatozoides en crecimiento hacia la pieza de conexión,166 lo que sugiere que al menos los mecanismos de transporte de proteínas están involucrados dentro de la formación de la cola de los espermatozoides.

Además de su papel en la formación de la cabeza de los espermatozoides, la mancheta está siendo cada vez más implicada como una autopista de transporte para las proteínas implicadas en el desarrollo de la cola de los espermatozoides. Este proceso se ha denominado transporte intramamario,151,182 y los defectos en este proceso, evidenciados por la formación defectuosa de microtúbulos de la mancheta, tienden a dar lugar a un desarrollo anormal de la cola del espermatozoide.151,183

El citoplasma de las espermátidas en maduración contiene muchos orgánulos en gran medida no caracterizados.136 Sin embargo, el cuerpo cromatoide se ha establecido recientemente como un determinante importante de la fertilidad masculina. El cuerpo cromatoide es un tipo de matiz que aparece en las espermátidas como un único gránulo perinuclear lobulado que migra para dar lugar a varios cuerpos granulares alrededor de la pieza de conexión y que, en última instancia, también forma un anillo alrededor de la cola del espermatozoide en desarrollo justo distal al anillo.184 Los datos confirman la opinión de que el cuerpo cromatoide está implicado en el almacenamiento y el procesamiento de los microARN transcritos del genoma haploide185 y, a través de la proteína motora kinesina KIF17b, es móvil y está implicado en el metabolismo del ARN. Igualmente importante, el cuerpo cromatoide, junto con los otros tipos de nuage en las células germinales, ha demostrado ser un sitio importante para el procesamiento de pequeños RNAs, incluyendo miRNAs y piRNAs.186-188

Hacia el final de la espermiogénesis, las espermátidas experimentan el proceso de espermiación y, en última instancia, la desconexión de la célula de Sertoli de apoyo. Se trata de un proceso complejo y de varios pasos que se produce a lo largo de varios días (por ejemplo, ∼82 horas en la rata).189 La espermiación comienza en la rata y el ratón al principio de la fase VII del ciclo seminífero y en la fase II en el ser humano, momento en el que las espermátidas alargadas se alinean a lo largo del lumen del túbulo seminífero. Los periodos críticos de la espermiación son (1) la eliminación de la especialización ectoplásmica establecida para anclar la cabeza del espermatozoide a la célula de Sertoli, (2) el desarrollo y la disolución final de los complejos tubulobulbares que se han propuesto como funciones tanto para el anclaje de la célula germinal como para la eliminación del citoplasma de la célula germinal, (3) la formación del cuerpo residual que contiene el exceso de orgánulos y citoplasma de la célula germinal, y (4) la separación final de los espermatozoides del epitelio seminífero. Cada uno de estos pasos es en sí mismo muy complejo e implica el establecimiento y la eliminación de numerosas moléculas de adhesión celular, modificaciones de la membrana y la eliminación de grandes cantidades de citoplasma. No es de extrañar, por tanto, que este proceso se vea a menudo perturbado tanto en humanos como en modelos animales. Por ejemplo, la espermiación parece ser el aspecto más sensible de la espermatogénesis a la retirada de la FSH y de los andrógenos, tanto en roedores como en humanos.190-193 La espermiación se interrumpe a menudo como resultado de la exposición a tóxicos ambientales y de la ablación de genes en el ratón.189

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