Decía el recientemente fallecido Eduardo Galeano que "a veces conocía gente y se preguntaba: ¿éste fue el espermatozoide más rápido?". Más allá de la ironía del comentario, sus palabras describen uno de los procesos más complejos, desconocidos y fascinantes en biología: la fecundación del óvulo.
Como en toda carrera -también en la de la vida-, la competición no arranca con el pistoletazo de salida de los jueces de pista. Los atletas han de prepararse, colocarse sobre la línea y esperar atentos el disparo. Algo así sucede a nivel biológico. La fecundación no empieza con la unión del óvulo y del espermatozoide. En la escala molecular, ocurren una serie de pasos previos imprescindibles, que sirven para preparar a nuestros gametos sexuales para su peculiar encuentro.El óvulo y el espermatozoide viven una cita muy compleja a nivel molecular
Tras la liberación de los espermatozoides, comienza una carrera frenética hasta llegar al óvulo, situado en la trompa de Falopio. En este camino, los gametos sexuales sufren una serie de cambios a nivel morfológico, estructural y funcional. El objetivo es claro: sólo uno de los espermatozoides podrá llegar y fusionarse con el óvulo. De este modo, los 23 cromosomas procedentes del padre logran "entremezclarse" con los 23 de la madre, formando así el zigoto. Esta célula diploide contiene el juego completo de cromosomas (46 en el caso de la especie humana), dando lugar posteriormente al embrión.
La fecundación, por tanto, ha sido definida como un proceso complejo que cuenta con múltiples etapas. Las tres más importantes son, por este orden, la fusión de las membranas de los gametos sexuales (óvulo y espermatozoide) y la creación de una única célula resultante gracias a la unión a nivel genómico y citoplasmático (aunque el esperma prácticamente no tiene citosol, lo cierto es que cede algunos componentes al futuro zigoto). Por poner un ejemplo, si comparásemos la fecundación con rellenar un vaso con una botella de agua, diferenciaríamos, por un lado, la combinación de los recipientes externos (las membranas) y, por otro, la mezcla del contenido interno.
El objetivo: una sola célula
La primera fase de la fecundación consiste en la fusión de membranas del óvulo y del espermatozoide, un proceso que también puede observarse en la respuesta inmune o en la comunicación entre neuronas. En los tres casos, el objetivo es similar: la combinación de las bicapas de fosfolípidos que integran las membranas.Las células deben fusionar sus membranas para crear el zigoto
Imaginemos, por ejemplo, que la fusión de membranas fuera una especie de "apretón de manos" entre las células. Éstas deben reconocerse, acercarse y por último hacer el gesto de encuentro y proximidad. Para que este proceso se lleve a cabo, necesitamos que las células "se hagan competentes" a la fusión. Por otro lado, debe producirse el reconocimiento, el anclaje, la inducción y la activación de las moléculas de membrana. La combinación de las capas lipídicas es el último paso que ocurre en esta etapa.
El apretón de manos o fusión de membranas es el primer requisito para que se produzca la fecundación. Continuando con la metáfora, si nos cruzamos con un desconocido, deberemos saludarnos antes de iniciar una conversación. Lo mismo ocurre a nivel biológico y de hecho, ya se han identificado moléculas fundamentales en esta etapa. Por ejemplo, la proteína Gp41 parece ser clave en la fusión viral, mientras que los complejos SNAREs juegan un papel importante en la liberación de neurotransmisores por parte de las vesículas sinápticas. Si cualquiera de estas moléculas falla, la fusión de las membranas no se producirá. Y por tanto, también se bloqueará la fecundación -o los procesos que estuvieran llevándose a cabo, como la fusión de un virus o la sinapsis entre neuronas-.
En los primeros instantes del vídeo, podemos ver los óvulos de erizo de mar como células de gran tamaño. A su lado, los espermatozoides revolotean como pequeños puntos brillantes, buscando ganar la carrera de la fecundación y penetrar en el gameto femenino. Sin embargo, ninguno de ellos puede "cantar victoria" todavía.
La maduración de los gametos
Como decíamos al principio, tanto los espermatozoides como los óvulos sufren cambios importantes en cuanto a forma, función y estructura se refiere. En el caso de los óvulos, los gametos femeninos están listos cuando comienzan a alcanzar un diámetro mínimo de 20 micrómetros (aunque pueden llegar a los 120 µm según la especie). Sin embargo, son los espermatozoides las células sexuales que más modificaciones sufren.Los espermatozoides maduran antes de llegar al óvulo
Al pasar por el tracto reproductivo femenino, los gametos masculinos deben pasar obligatoriamente por dos etapas: la capacitación y la reacción acromosómica. La primera sirve como maduración funcional de los espermatozoides, y en ella se han observado cambios en el potencial y la fluidez de membrana o la inducción de la hiperactivación.
Es decir, en el momento de la eyaculación, los espermatozoides no están completamente listos para afrontar la carrera, sino que terminan de prepararse mientras nadan hacia el óvulo. Además de la capacitación, los gametos masculinos deben afrontar la conocida como reacción acromosómica. Ésta permite la unión de dos membranas, la plasmática del espermatozoide y la externa del acromosoma, como se observa en el siguiente dibujo. De este modo, el gameto masculino ya puede entrar en línea de meta y ganar la carrera de la fecundación.
La llegada a línea de meta
Se han identificado proteínas clave en el anclaje del espermatozoide al óvulo
Óvulo y espermatozoide están listos para su cita sexual. ¿Pero cómo se reconocen? La investigación no ha sido capaz de desentrañar por completo el misterio que rodea a este particular encuentro. Sin embargo, sí hemos podido identificar algunas proteínas que podrían ser clave.
La más conocida es Izumo1, una proteína del espermatozoide denominada así en honor a un templo japonés dedicado al matrimonio. En un artículo publicado en Nature en 2005, científicos de la Osaka University identificaron esta molécula como la "señal" necesaria para el reconocimiento y la unión de los dos gametos.
Nueve años más tarde, investigadores del Wellcome Trust Sanger Institute de Cambridge dieron a conocer en Nature la segunda proteína clave en este proceso. Se trataba del receptor de folato 4 del óvulo, más conocido como Juno, que en la mitología romana representa a la diosa de la maternidad. Izumo1, por tanto, debe anclarse a Juno para que se produzca la unión efectiva entre espermatozoide y óvulo.
¿Pero quién ha ganado la carrera?
En las carreras de atletismo, suele ser habitual utilizar la photo-finish para discernir quién ha ganado la competición. ¿Pero qué ocurre a nivel biológico? ¿Cómo saben los espermatozoides que el óvulo ya ha sido fecundado?
Una vez que el gameto masculino ha entrado en línea de meta, comienza una etapa llamada bloqueo de la polispermia. El objetivo no es otro que evitar que un segundo espermatozoide penetre el óvulo, y para ello, éste se rodea de una cubierta protectora, como vemos en el siguiente instante del vídeo:
El óvulo del centro aparece rodeado por una capa que impide la entrada de un segundo espermatozoide. Como nos podemos imaginar, la creación de esta cubierta debe ser casi instantánea. Pero en realidad ocurre en dos fases, mediante un bloqueo rápido seguido de uno más lento. El primer proceso sucede gracias a un cambio en el potencial eléctrico de la membrana plasmática del óvulo. En otras palabras, el bloqueo rápido ocurre variando la concentración de iones a un lado y otro de la membrana del gameto femenino.El óvulo fecundado forma una cubierta protectora para evitar que entre un segundo espermatozoide
Sin embargo, este bloqueo inicial no puede perdurar para siempre. Y es entonces cuando sucede la etapa lenta, mediada por una onda de calcio. Ésta comienza justo en el punto donde entró la cabeza del primer espermatozoide. Algunas hipótesis sugieren que, de algún modo, una proteína de este gameto puede impulsar el proceso. El resultado es que se genera una cubierta protectora, también conocida como membrana de fertilización. La carrera ha terminado: sólo ha podido ganar uno.
Posteriormente, los pronúcleos de óvulo y espermatozoide deben fusionarse, permitiendo luego la activación metabólica del huevo. De este modo, el zigoto contará con un juego completo de cromosomas, recibiendo además los centriolos del gameto masculino y las mitocondrias del gameto femenino, componentes que formarán parte del nuevo citoplasma. También se determinará el sexo del futuro embrión, en función de si el espermatozoide portaba un cromosoma X o Y.
Termina así la fecundación, un proceso complejo y fascinante que dará lugar al desarrollo del embrión, fruto de la progresiva división del zigoto. Como muestran en esta animación publicada en Journal of Assisted Reproduction and Genetics, resulta extrañamente asombroso volver la vista atrás hacia el lugar donde comenzó todo. Donde comenzamos todos.
