Espermatoxénese

Túbulo seminífero con espermatozoides en maduración, tinguido con hematoxilina-eosina.

A espermatoxénese é o proceso de formación de espermatozoides, os gametos masculinos, polo que é un tipo de gametoxénese. Os espermatozoides proceden das células xerminais embrionarias, que se transforman en espermatogonias, e estas en espermatocitos primarios, os cales sofren meiose orixinando os espermatozoides. Por cada espermatocito primario (diploide) orixínanse catro espermatozoides (haploides).

Nos mamíferos a espermatoxénese ocorre nos testículos e epidídimo do aparato reprodutor masculino en varias fases, e nos humanos dura uns 64 días. As espermatogonias están en mitose durante 16 días, dando lugar aos espermatocitos primarios. Estes tardan 24 días en completar a primeira división meiótica e dar lugar aos espermatocitos secundarios, os cales tardarán horas en converterse en espermátidas. As espermátidas teñen que diferenciarse a espermatozoides, o que tarda outros 24 días. O total son os 64 días indicados.

A espermatoxénese é moi dependente de que existan as condicións óptimas para que se produza correctamente. A metilación do ADN e a modificación das histonas están implicadas na regulación deste proceso. A formación de espermatozoides empeza na puberdade e xeralmente continua interrompidamente ata a morte, aínda que coa idade descende o número de espermatozoides producidos. O proceso completo pode dividirse en varias fases, cada unha correspondente a un tipo de célula humana.

Espermatozoide maduro humano.

Propósito

O propósito da espermatoxénese é formar gametos masculinos haploides, que serán os que fecunden durante a reprodución sexual aos óvulos haploides, orixinando un cigoto diploide a partir do que se crea o novo individuo fillo. Deste modo cada proxenitor contribúe coa metade dos cromosomas que levará o individuo fillo e queda asegurado que este terá o número (diploide) de cromosomas propio da especie. Ademais, a mestura de cromosomas maternos e paternos e a recombinación meiótica crean variabilidade na especie, xa que se forman novas combinacións alélicas.

Cando o proceso meiótico da espermatoxénese funciona mal, poden orixinarse anormalidades cromosómicas, como poden ser nos humanos a síndrome de Down, a síndrome de Klinefelter, ou anormalidades que provocan abortos espontáneos.

Localización

A espermatoxénese ten lugar na parede dos túbulos seminíferos dos testículos e, nas súas fases madurativas finais, no epidídimo, onde os espermatozoides completan a súa maduración e son almacenados ata a exaculación. Na parte externa da parede dos túbulos seminíferos atópanse as células nai (espermatogonias) que se dividirán centripetamente dando lugar a outras células en sucesivos estados de maduración e en capas da parede do túbulo cada vez máis próximas á luz do túbulo. Na parte luminal están os espermatozoides, que se liberan á luz do túbulo e se almacenan no epidídimo, onde completan a súa maduración.

Fases

As células xerminais primordiais embrionarias emigran aos testículos nas primeiras fases da embrioxénese, diferenciándose en espermatogonias, as cales non iniciarán a espermatoxénese ata a puberdade.

Proliferación de espermatogonias

Espermatocitoxénese.

Cando chega a puberdade as espermatogonias proliferan por mitose aumentando o seu número, algunhas permanecen como espermatogonias e outras diferéncianse a espermatocitos primarios, os cales sufrirán a meiose.

Tipos de espermatogonias

• Espermatogonias de tipo A. O inicio da espermatoxénese vén marcado pola formación de espermatogonias de tipo A diploides. Estas células caracterízanse por posuír un gran núcleo redondo ou oval de cromatina condensada, no que pode distinguirse unha zona nuclear periférica e un vacúolo nuclear. Existen varios tipos de espermatogonias de tipo A segundo o aspecto dos seus núcleos celulares:
  • Espermatogonias escuras (Ad), as cales só se dividen cando ten lugar unha redución drástica de espermatogonias. Crese que representan as células nai ou troncais do sistema, e que a súa división mitótica produce máis células de tipo Ad e algunhas de tipo Ap.
  • Espermatogonias pálidas (Ap), as cales poden dar lugar a máis espermatogonias do mesmo tipo ou a espermatogonias de tipo B. As de tipo Ap dan lugar a células fillas unidas entre si por pontes citoplasmáticas, polo que poden considerarse sincitios, xa que a citocinese non é completa.
• Espermatogonias de tipo B, que se orixinaron por maduración dalgunhas das de tipo Ap e carecen de vacúolo nuclear. Divídense por mitose producindo máis células de tipo B, que son as que maduran na puberdade por grupos producindo espermatocitos primarios. Os espermatocitos primarios están tamén conectados por pontes citoplasmáticas. A proxenie dunha espermatogonia ao longo da espermatoxénese permanece unida en grupos por medio destas pontes citoplasmáticas, que non desaparecerán ata que se liberen os espermatozoides na luz do túbulo seminífero.

Meiose

Esquema da espermatoxénese. As células derivadas dunha espermatogonia están unidas por pontes citoplasmáticas.

Na puberdade as espermatogonias de tipo B aumentan de tamaño e transfórmanse en espermatocitos primarios ou de primeira orde diploides, que avanzan cara á parte luminal do túbulo seminífero e entrarán en meiose. A formación de espermatocitos denomínase espermatocitoxénese. Como ocorre na fase S da interfase de calquera división celular (tanto mitose coma meiose) o ADN dos espermatocitos primarios replícase, de modo que o número de cromosomas (en realidade máis propiamente cromatina neste estado) segue sendo o mesmo (diploide, 2N), pero agora cada cromosoma ten dúas cromátides (o número de cromátides ou cantidade de moléculas de ADN pasa de 2C a 4C); deste modo hai o dobre de ADN na célula para que sexa repartido nas dúas células fillas que se formarán. Os espermatocitos primarios recoñécense doadamente polo seu abondoso citoplasma e os seus grandes núcleos, con manchas grosas ou fibras máis finas de cromatina. Igual que pasaba coas espermatogonias, os grupos de espermatocitos primarios están unidos por pontes citoplasmáticas , e estas comunicacións entre elas facilitan que se regule o proceso de división de modo que todas as células implicadas reciban o sinal de facer a meiose á vez por medio de diferentes ións e moléculas; ditas pontes citoplasmáticas só romperán unha vez que os espermatozoides sexan liberados na luz do túbulo seminífero ao final de todo o proceso.

Primeira división meiótica

O espermatocito primario inicia a meiose. Prodúcese o emparellamento de homólogos, a formación de tétrades, o sobrecruzamento (intercambio de segmentos entre cromosomas homólogos) que dá lugar á recombinación xenética, e a separación de homólogos e formación das dúas células fillas, que son os espermatocitos secundarios. Os espermatocitos secundarios son haploides, xa que teñen un número (N) de cromosomas que é a metade do inicial, pero cada un destes cromosomas ten dúas cromátides (o número total de cromátides ou moléculas de ADN é 2C).

Segunda división meiótica

Os espermatocitos secundarios haploides (unidos entre eles por pontes citoplasmáticas) inician a segunda división meiótica, na cal se separarán as cromátides dos seus cromosomas, orixinando cada célula dúas células fillas haploides (N cromosomas) cunha soa cromátide por cromosoma (o número de cromátides ou de moléculas de ADN é C). Estas células fillas son as espermátidas. Por cada espermatocito primario que iniciou a meiose formáronse catro espermátidas haploides. As espermátidas están xa moi preto da parte luminal do túbulo seminífero e aínda unidas en grupos por pontes citoplasmáticas. Esta fase tamén se chama espermatidoxénese, xa que é na que se forman as espermátidas. A brevidade desta segunda división meiótica (horas) fai que sexan difíciles de atopar os espermatocitos secundarios nas preparacións histolóxicas de testículo.

Maduración a espermatozoides (espermioxénese)

A espermioxénese consiste na maduración das espermátidas a espermatozoides, que se liberan á luz do túbulo seminífero. Durante a espermioxénese ás espermátidas empeza a crecerlles unha prolongación citoplasmática onde se irá formando o flaxelo e forman unha peza central engrosada na que se xuntan as mitocondrias e se forma o axonema do flaxelo. O ADN das espermátidas sofre un proceso de empaquetamento, chegando a unha gran condensación. O ADN estaba asociado con histonas, pero estas son despois substituídas por protaminas durante a elongación da espermátida. Esta cromatina tan empaquetada é transcricionalmente inactiva. O aparato de Golgi rodea o núcleo e transfórmase no acrosoma. Acaba de formarse o flaxelo, que se orixinou a partir dun dos centríolos da célula .

A maduración ten lugar baixo a influencia da testosterona, e durante ela elimínase a maior parte do citoplasma da célula e orgánulos innecesarios. O exceso de citoplasma a eliminar forma gotas citoplasmáticas, que se denominan corpos residuais, que son fagocitadas polas células de Sertoli dos túbulos seminíferos. O espermatozoide resultante está practicamente maduro e libérase á luz do túbulo seminífero, aínda que é inmóbil. O proceso chámase espermiación.

Maduración final e almacenamento

Os espermatozoides non móbiles liberados na luz dos túbulos seminíferos son transportados ao epidídimo polo fluído testicular secretado polas células de Sertoli coa axuda de contraccións peristálticas dos condutos. No epidídimo os espermatozoides adquiren mobilidade e capacidade de fertilización. Porén, a expulsión dos espermatozoides durante a exaculación non ten lugar pola súa propia mobilidade senón por contraccións musculares do aparato reprodutor. Gran parte dos espermatozoides (e células intermedias) que se forman morren por apoptose e dexeneración ou son anormais.

Función das células de Sertoli

Organización das células na parede dun túbulo seminífero. Vense células de Sertoli (7, vermellas ou rosas), que forma a barreira hemato-testicular (8) e espermatocitos (3,4, azuis). As espermatogonias (2) están adxacentes á membrana basal (1), e as espermátidas (5) están na parte luminal (arriba) e dan orixe aos espermatozoides (6).

Artigo principal: Célula de Sertoli.

En todas as fases de diferenciación, as células espermatoxénicas están en estreito contacto coas células de Sertoli, as cales son células columnares que abranguen toda a sección da parede do túbulo seminífero, desde a membrana basal á luz do túbulo, e que teñen prolongacións laterais que envolven as células espermatoxénicas. A función das células de Sertoli é proporcionar apoio estrutural e metabólico ao desenvolvemento das células que están experimentando a espermatoxénese.

As células de Sertoli realizan varias funcións durante a espermatoxénese, axudando ao desenvolvemento dos gametos das seguintes maneiras:

• Manteñen o ambiente necesario para o desenvolvemento e maduración a través da barreira hematotesticular.
• Segregan substancias que inician a meiose, como diversos factores proteicos.
• Segregan fluído testicular.
• Segregan a proteína de unión aos andróxenos, a cal concentra a testosterona (formada polas células de Leydig) nas proximidades dos gametos en desenvolvemento. A testosterona é necesaria en grandes cantidades para manter o tracto reprodutivo, e a proteína de unión aos andróxenos (ABP) facilita un grao de fertilidade moito maior.
• Segregan hormonas. Liberan a hormona peptídica inhibina, que afecta ao control da espermatoxénese feito pola hipófise ou pituitaria. Na fase embrionaria, liberan a hormona antimülleriana, que impide a formación do conduto de Müller/oviduto no embrión. Tamén producen algo de estradiol.
• Fagocitan o citoplasma residual das células que realizan a espermatoxénese.
• Protexen as espermátidas da acción do sistema inmunitario masculino.

Factores que inflúen na espermatoxénese

O proceso da espermatoxénese é moi sensible a flutuacións no ambiente celular, particularmente ás hormonas e a temperatura. Requírese testosterona en grandes concentracións locais para manter o proceso, o cal se consegue fixando a testosterona á proteína de unión aos andróxenos presente nos túbulos seminíferos. A testosterona prodúcena as células de Leydig situadas nos intersticios que hai entre os túbulos seminíferos.

O epitelio seminífero é sensible ás temperaturas elevadas nos humanos e outras especies, e vese afectado por temperaturas como a temperatura corporal normal, polo que os testículos deben estar un pouco máis fríos ca o resto do corpo. En consecuencia, os testículos están localizados fóra do corpo nun saco de pel chamado escroto, onde están algo máis frescos. A temperatura óptima mantense de 2 °C (no home) a 8 °C (no rato) por debaixo da temperatura corporal. Isto conséguese pola regulación do fluxo sanguíneo e colocando os testículos a máis ou menos distancia do resto do corpo pola acción do músculo cremáster e do músculo liso dartos do escroto.

As deficiencias na dieta de vitaminas (como a B, E e A), e os esteroides anabólicos, os metais pesados (cadmio e chumbo), a exposición aos raios X, a dioxina, o alcohol, e as enfermidades infecciosas teñen tamén efectos adversos sobre a espermatoxénese.

Control hormonal

O control hormonal da espermatoxénese varía entre especies. Nos humanos o mecanismo non se comprende totalmente; porén, sábese que o inicio da espermatoxénese que ten lugar na puberdade débese á interacción endócrina do hipotálamo, hipófise e células de Leydig. Se se extirpa a hipófise, a espermatoxénese pode aínda ser iniciada pola hormona estimulante dos folículos (FSH) e a testosterona.

A hormona estimulante dos folículos (FSH) estimula tanto a produción de proteína de unión aos andróxenos polas células de Sertoli coma a formación da barreira hematotesticular. A proteína de unión aos andróxenos é esencial para concentrar a testosterona a niveis 20-50 veces maiores ca a concentración no plasma sanguíneo, que permitan iniciar e manter a espermatoxénese. A FSH pode iniciar o secuestro de testosterona nos testículos, pero unha vez iniciada a espermatoxénese, xa só se require testosterona para mantela. Porén, o incremento de FSH incrementa a produción de espermatozoides ao impedir a apoptose das espermatogonias de tipo A. A hormona inhibina actúa facendo decrecer os niveis de FSH. Os estudos feitos con roedores suxiren que as hormonas gonadotropinas (LH e FSH) sosteñen o proceso da espermatoxénese ao suprimiren os sinais apoptóticos e así promover a supervivencia das células espermatoxénicas.

As propias células de Sertoli median en parte da espermatoxénese por medio da produción de hormonas, producindo estradiol e inhibina. As células de Leydig poden producir tamén certas cantidades do estróxeno estradiol ademais do seu principal produto a testosterona.

Historia

O comezo das investigacións sobre o desenvolvemento das células reprodutivas masculinas coincide case exactamente coa chegada da teoría celular, que naturalmente comportou o recoñecemento da natureza “celular” dos espermatozoides, palabra que aparece en 1827 por primeira vez, pero non está claro quen foi o primeiro en pronunciar a idea de que os espermatozoides proviñan de células testiculares. Albert Koelliker (1841), que recompilou as primeiras evidencias importantes sobre isto, mantivo que foi Rudolph Wagner, posto que foi este investigador o que estudou os fluídos frescos procedentes dos túbulos testiculares en mamíferos, e examinounos ao microscopio observando “gránulos peculiares ou esférulas” de formas e tamaños moi variables. Wagner tamén observou “Samenthierchen”, ou animáculos de esperma, espermatozoides, e estaba seguro de que os varios tipos de esférulas vistos con anterioridade eran estados anteriores ao espermatozoide. O seu traballo, no que a palabra “célula” non aparece nin unha soa vez, é característico do uso dos conceptos que precederon á teoría celular. Anos máis tarde, Albert Koelliker presentou un tratado no que explica por primeira vez os aspectos fundamentais da espermatoxénese:

• No seme de todos os animais, con algunhas excepcións, encóntranse partículas móbiles “Thelie”, espermatozoides.
• Os espermatozoides son a parte esencial do seme.
• Os espermatozoides desenvólvense individualmente en paquetes a partir de células que se formaron en momentos de madurez sexual ou de actividade testicular a través de procesos análogos ao desenvolvemento celular, pero significativamente diferentes do desenvolvemento cigótico dos animais.
• As formas dos espermatozoides son dunha variedade bastante limitada. Xeralmente son similares dentro de xéneros de animais, e frecuentemente tamén dentro de clases e familias taxonómicas. Cada animal parece posuír só un tipo de espermatozoide, con só algunhas excepcións.

Koelliker deixa claro que a visión do espermatozoide como condición primaria dun animal en desenvolvemento, sostida por Leeuwenhoek e moitos outros antes, debía ser abandonada. Os organismos animais non se orixinan a partir de espermatozoides senón de cigotos.

A partir dese momento, as investigacións sobre a espermatoxénese comezaron a avanzar con moita máis rapidez e eficiencia. Finalmente, o descubrimento máis importante neste campo e no dos tecidos espermatoxénicos foi a demostración da existencia das células de soporte (células de Sertoli) nos túbulos seminíferos de humanos feita por Sertoli.

Actualmente, estúdanse os factores hormonais e proteicos que interveñen na regulacion da espermatoxénese.

Véxase tamén

Bibliografía

• Johnson, L; Blanchard, TL; Varner, DD; Scrutchfield, WL (1997). "Factors affecting spermatogenesis in the stallion". Theriogenology 48 (7): 1199–1216. PMID 16728209. doi:10.1016/S0093-691X(97)00353-1. Arquivado dende o orixinal o 13 de febreiro de 2009. Consultado o 22 de febreiro de 2012. 
• BARDIN CW: Pituitary-testicular axis. In: YEN SS , JAFFEE RB , eds: Reproductive Endocrinology, 3rd ed. Philadelphia: WB Saunders, 1991
• CHAMBERS CV , SHAFER MA , ADGER H , et al.: Microflora of the urethra in adolescent boys: relationships to sexual activity and nongonococcal urethritis. J Ped 110:314-321, 1987
• CZYBA JC , GIROD C: Development of normal testis. In: HAFEZ ESE , ed: Descended and Cryptorchid Testis. The Hague, Martinus Nijhoff, 1980.
• Whitmore WF, Kars L, Gittes RF: The role of germinal epithelium and spermatogenesis in the privileged survival of intratesticular grafts. J Urol 1985;134:782.

Outros artigos

• Foliculoxénese
• Célula xerminal
• Ovoxénese

Ligazóns externas

• Spermatogenesis - male reproductive physiology - Am Fam Physician 2000;62:1095.