Reproducción, meiosis, células germinales y fecundacion
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Reproducción, meiosis, células germinales y fecundacion Reproducción, meiosis, células germinales y fecundacion Document Transcript

  • Capítulo 21 21La reproducción sexual:meiosis, células germinalesy fecundaciónEl sexo no es imprescindible para la reproducción. Los organismos unicelulares pueden re- En este capítuloproducirse mediante una simple división mitótica y la mayoría de las plantas se propaganvegetativamente formando agregados pluricelulares que después se separan de la planta ma- LA REPRODUCCIÓN 1269dre. De manera semejante, en el mundo animal un solo individuo pluricelular de Hydra pue- SEXUALde producir descendientes por gemación (Figura 21–1) y las anémonas y los gusanos marinosse dividen en dos mitades, cada una de las cuales regenera la mitad que falta. Así mismo, exis- MEIOSIS 1272ten algunas especies de lagartos, constituidas exclusivamente por hembras, que se reprodu-cen sin apareamiento. Esta reproducción asexual, que es sencilla y directa, da lugar a una CÉLULAS GERMINALES 1282descendencia que es idéntica en términos genéticos al organismo progenitor. Por el contra- PRIMORDIALES Y DETERMINACIÓNrio, la reproducción sexual implica la mezcla de los genomas procedentes de dos individuos DEL SEXO EN LOSdistintos produciendo descendientes que se diferencian genéticamente entre sí y también MAMÍFEROSde los padres. Parece que la reproducción sexual presenta grandes ventajas, ya que hasido adoptada por la gran mayoría de plantas y animales. Incluso muchos procariotas OOCITOS 1287y eucariotas que por lo general se reproducen de manera asexual, de vez en cuando adoptanel intercambio genético, dando lugar así a descendencia con nuevas combinaciones de ge- ESPERMATOZOIDES 1292nes. En este capítulo se describe la maquinaria celular de la reproducción sexual. Antes deestudiar con detalle cómo funciona esta maquinaria, consideraremos lo que implica la re- FECUNDACIÓN 1297producción sexual y las ventajas que aporta.LA REPRODUCCIÓN SEXUALLa reproducción sexual tiene lugar en organismos diploides, en los que cada célula contie-ne dos juegos de cromosomas, heredados, respectivamente, de cada uno de los progenito-res. Sin embargo, las células especializadas que llevan a cabo la reproducción sexual, sonhaploides; cada una de ellas contiene una sola dotación cromosómica. En la etapa final de lareproducción sexual, se fusionan dos células haploides procedentes de dos individuos dis-tintos, se mezclan los dos genomas y se restablece el estado diploide. La reproducción sexualrequiere, por lo tanto, un tipo especial de división celular denominado meiosis, medianteel cual, a partir de células precursoras diploides se producen células germinales haploides, adiferencia de lo que ocurre en la mitosis normal de las células diploides. En la reproducción sexual de los organismos pluricelulares, las células haploides pro-ducidas por meiosis se diferencian en gametos muy especializados: oocito (u óvulo), esper-matozoide, polen o esporas. En general, las hembras producen oocitos grandes e inmóviles,mientras que los machos producen espermatozoides pequeños y móviles (Figura 21–2). Lafecundación consiste en la fusión de un espermatozoide y un oocito, ambos haploides, paraformar una célula diploide (un oocito maduro fecundado o zigoto) que contiene una nuevacombinación de cromosomas. A partir del zigoto se forma un nuevo organismo pluricelular,mediante sucesivas mitosis seguidas por procesos de especialización celular, entre los que seincluye la producción de los gametos (Figura 21–3A). 0,5 mm Figura 21–1 Fotografía de una Hydra enEn los eucariotas superiores, la fase haploide es breve la que se están formando dos nuevos organismos por gemación (flechas).En la mayor parte de los organismos que se reproducen sexualmente, las células diploides Los descendientes, genéticamente idénticosproliferan por divisiones mitóticas, y las células haploides, formadas mediante meiosis, no pro- al individuo progenitor, se separarán de élliferan. Algunos de los organismos más sencillos, como las levaduras de fisión, son ex- y vivirán de forma independiente. (Cortesíacepcionales en el sentido que son las células haploides las que proliferan por mitosis y las de Amata Hornbruch.) 1269
  • 1270 Capítulo 21: La reproducción sexual: meiosis, células germinales y fecundación Figura 21–2 Electromicrografía de barrido de un oocito con numerosos espermatozoides humanos adheridos a su superficie. El oocito está inmóvil, pero los espermatozoides presentan una gran movilidad. Como se describirá más adelante, a pesar de que se hayan adherido muchos espermatozoides al oocito, sólo uno lo fecundará. (Cortesía de D. Phillips/ Biblioteca de Photo Science.)células diploides formadas por la fusión de células haploides entran de forma directa enmeiosis dando lugar a nuevas células haploides (Figura 21–3B). En las plantas se da una si-tuación menos extrema, debido a que se producen divisiones mitóticas tanto en la fase ha-ploide como en la diploide. Sin embargo en la mayor parte de las plantas primitivas, comomusgos y helechos, la fase haploide es muy breve y sencilla, mientras que la fase diploideabarca un periodo largo del desarrollo y de la proliferación celular. En la mayoría de los animales pluricelulares, incluidos los vertebrados, sólo proliferanlas células diploides: los gametos haploides tienen una existencia corta, no se dividen y estáncompletamente especializados para realizar la fusión sexual. En estos organismos se esta- (A) organismos diploides (B) organismos haploides células células somáticas de la línea germinal FUSIÓN MEIOSIS Figura 21–3 Células haploides y diploides en el ciclo vital de algunos eucariotas espermatozoide sencillos y eucariotas complejos. oocito haploide haploide zigoto diploide (A) Las células haploides se representan en rojo y las diploides en azul. Normalmente, las MEIOSIS células de la mayoría de animales y plantas FECUNDACIÓN proliferan durante la fase diploide, formando un organismo pluricelular; sólo los gametos células haploides (oocitos y espermatozoides en los animales) zigoto diploide son haploides, los cuales se fusionan en la fecundación dando lugar a un zigoto diploide, a partir del cual se desarrolla un MITOSIS MITOSIS nuevo individuo. Los gametos se forman en las gónadas a partir de las células diploides de la línea germinal (gris); todas las demás células son células somáticas. (B) En cambio, organismos haploides en algunos organismos eucariotas sencillos, como las levaduras de fisión y el alga verde organismo diploide Chlamydomonas, son las células haploides las que proliferan, de forma que la única MUCHOS ORGANISMOS ALGUNOS ORGANISMOS célula diploide es el zigoto que subsiste EUCARIOTAS SUPERIORES EUCARIOTAS INFERIORES transitoriamente después de la fecundación.
  • LA REPRODUCCIÓN SEXUAL 1271blece una clara distinción entre las células de la línea germinal (o células germinales) queincluyen los gametos y sus células precursoras específicas diploides y las células somáticas,que forman el resto del organismo y que mueren sin dejar descendencia. (Figura 21–3A) Encierto sentido, las células somáticas solamente existen para ayudar a las células de la líneagerminal a sobrevivir, desarrollarse y transmitir su DNA a la generación siguiente.La meiosis genera diversidad genéticaLos organismos que se reproducen sexualmente heredan dos juegos de cromosomas, unode cada progenitor. Cada juego contiene los autosomas, que son comunes para todos losmiembros de la especie, y los cromosomas sexuales, que se encuentran distribuidos de formadistinta según el sexo del individuo. Por consiguiente, cada núcleo diploide contiene dos ver-siones muy similares de cada autosoma, más un juego de cromosomas sexuales propios delsexo del individuo. Las dos copias de cada autosoma, una procedente de la madre la otra delpadre, se denominan cromosomas homólogos, o simplemente homólogos, y en la mayoríade células se mantienen de forma separada como cromosomas independientes. Sin embargo,durante la meiosis cada cromosoma puede comunicarse con su par homólogo medianteapareamiento físico y experimentar la recombinación genética. Esta comunicación es esen-cial para que los homólogos se segreguen correctamente a cada una de las dos células hijas,durante la meiosis. La principal característica de la meiosis es que a partir de dos células haploides forma-das en el organismo, se generan células haploides genéticamente diferentes unas de otras.Las diferencias genéticas se producen por dos mecanismos. En primer lugar, cada uno delos gametos contiene la versión materna o paterna de cada cromosoma; debido a que laelección materna o paterna tiene lugar de forma independiente y al azar para cada par dehomólogos, los cromosomas originales maternos y paternos se reorganizan formando nue-vas combinaciones en las células haploides. En segundo lugar, aunque las versiones mater-na y paterna de cada cromosoma tienen secuencias de DNA similares, pero no idénticas, yhan experimentado recombinación genética durante la meiosis –proceso denominado en-trecruzamiento (descrito en el Capítulo 5)–, se producen versiones nuevas híbridas de cadacromosoma; de modo que cada cromosoma de un gameto contiene una única mezcla deinformación genética procedente de ambos progenitores. Estos dos mecanismos serán es-tudiados en profundidad más adelante (Figura 21–13).La reproducción sexual proporciona a los organismosuna ventaja competitivaLa maquinaria de la reproducción sexual es complicada y los recursos que se le dedican sonimportantes (Figura 21–4) ¿Por qué se desarrolló y qué beneficios aporta? Los individuosque se reproducen sexualmente presentan una descendencia variada, cuyos genotipos tienentantas probabilidades de representar un cambio para mejorar como para empeorar. Porlo tanto, ¿por qué estos individuos deben tener una ventaja competitiva frente a los quenormalmente se reproducen por un proceso asexual? Este problema continúa dejando per-plejos a los biólogos evolucionistas. Una ventaja de la reproducción sexual parece ser la reorganización de los genes, queayuda a las especies a sobrevivir en un medio ambiente que cambia de modo imprevisible.Si unos progenitores producen muchos descendientes con una amplia variedad de combi-naciones genéticas, aumenta la probabilidad de que como mínimo uno de sus descendien-tes tenga la combinación de caracteres necesarios para sobrevivir a los cambios del medio.En efecto, una población de levaduras de gemación manipuladas genéticamente de mane-ra que no se produzcan recombinaciones durante la meiosis y, por lo tanto, no se pueden re-producir sexualmente, se adapta mucho menos en un mismo periodo de tiempo a lascondiciones adversas del medio que una población salvaje que se reproduce sexualmente. Otra ventaja de la reproducción sexual parece ser que permite eliminar genes perjudi-ciales de una población: por lo general las hembras se aparean con el macho más adecuado, Figura 21–4 Un pavo real desplegandode modo que el macho menos conveniente no engendra descendencia y sólo es una especie de su vistosa cola. El exagerado plumajecontenedor de basura genética. Esta rigurosa selección de los machos significa que los genes tiene la finalidad de atraer a las hembras para“buenos” se transmiten mientras que los genes “malos” se pierden. El resultado es que los in- la reproducción sexual. Este plumaje sedividuos de la población que se reproducen de forma sexual presentan, por término medio, ha desarrollado para que sólo los machosmejores competencias que los individuos de una población equivalente que se reproducen más adecuados y más atractivos dejende forma asexual. descendencia. (Cortesía de Cyril Laubscher.)
  • 1272 Capítulo 21: La reproducción sexual: meiosis, células germinales y fecundación Cualquiera que sean las ventajas de la reproducción sexual, sorprende que casi todoslos organismos complejos actuales han evolucionado tras generaciones de reproducción se-xual y no de reproducción asexual. Los organismos asexuados, aunque muy abundantes,han permanecido comparativamente sencillos y primitivos. Vamos a examinar ahora con detalle los mecanismos de la reproducción sexual, co-menzando con los procesos de la meiosis. Centraremos nuestro estudio en los mamíferos.De qué forma las células diploides de la línea germinal dan lugar a los gametos y cómo sedetermina el sexo en un mamífero. Más adelante se considerarán los gametos en sí mismos.Por último describiremos cómo es el proceso de la fecundación, en el que los dos gametos sefusionan formando un nuevo organismo diploide.ResumenEl ciclo de la reproducción sexual comprende una alternancia de estados haploide y diploide: lascélulas diploides se dividen por meiosis formando células haploides, y las células haploides proce-dentes de dos individuos distintos, se fusionan de dos en dos formando un zigoto diploide. En esteproceso, los genomas se mezclan y se recombinan dando lugar a individuos con nuevas combina-ciones genéticas. En la mayoría de los eucariotas superiores, las células diploides proliferan median-te mitosis y sólo una pequeña proporción de ellas (las células de la línea germinal) experimentanmeiosis produciendo células haploides; las células haploides se transforman en gametos –células es-pecializadas para la reproducción sexual– de corta existencia y que no se dividen. La reproducciónsexual es ventajosa porque además de producir individuos con combinaciones genéticas nuevas,algunas de las cuales podrán sobrevivir y procrear en condiciones ambientales imprevisibles, pro-porciona una vía eficaz para eliminar mutaciones perjudiciales para la población.MEIOSISLa constatación de que los gametos son células haploides se obtuvo a partir de una obser-vación que también fue la primera en sugerir que los cromosomas son los portadores de lainformación genética. En 1883, se descubrió, estudiando gusanos, que tanto el núcleo de unoocito no fecundado como el de un espermatozoide tienen dos cromosomas, mientras queel huevo fecundado (zigoto) tiene cuatro. Esto llevó a la teoría cromosómica de la herencia lacual permite explicar la antigua paradoja de que las contribuciones materna y paterna a lanaturaleza de la progenie son aparentemente iguales, a pesar de la enorme diferencia de ta-maño entre el oocito y el espermatozoide (véase Figura 21–2). Este descubrimiento implica también que las células germinales se forman según un tipoespecial de división nuclear en la cual los cromosomas se dividen exactamente por la mitad.En los animales, este tipo de división llamada meiosis –palabra de origen griego que signifi-ca disminución o reducción– se inicia en las células diploides de la línea germinal dentro delos ovarios o de los testículos. Podría parecer como si la meiosis se tratase de una simple mo-dificación de la mitosis en la que se omitiese la síntesis de DNA (fase S), de forma que unasola división celular produjera dos células haploides. La meiosis es mucho más complejaque esto e implica dos divisiones celulares, pero sólo una ronda de síntesis de DNA. No fuehasta el inicio de la década de 1930 que, gracias a minuciosos trabajos citológicos y genéti-cos, se pudieron establecer las características básicas de la meiosis. Estudios más recientesen el campo de la biología molecular y de la genética, han permitido identificar varias pro-teínas específicas de la meiosis, responsables del distinto comportamiento de los cromoso-mas en comparación con los cromosomas mitóticos y de la recombinación genética, dos delos procesos que tienen lugar durante la meiosis. Veremos que los pasos de la recombinaciónson importantes, no sólo por la mezcla genética sino también para la correcta segregacióncromosómica durante la meiosis.Los gametos son el resultado de dos divisiones meióticasLos mecanismos moleculares y los sistemas de control de la meiosis son, en su mayor parte, losmismos que actúan en la mitosis normal. No obstante, este capítulo se centrará en las ca-racterísticas especiales de la meiosis que la distinguen de la mitosis. Al iniciarse la meiosis, lomismo que en la mitosis, los cromosomas han replicado su DNA (en la fase S de la meiosis)y las dos copias están estrechamente unidas entre ellas por los complejos de cohesinas a lo
  • MEIOSIS 1273 (A) MEIOSIS (B) MITOSIS Figura 21–5 Comparación entre la mitosis y la meiosis homólogos celular. Para una mejor FASE MEIÓTICA S paternos comprensión, solamente homólogos se representa un par de maternos cromosomas homólogos (u homólogos). (A) Durante REPLICACIÓN DEL DNA REPLICACIÓN la meiosis, después de la DEL DNA replicación del DNA, son necesarias dos divisiones nucleares (y celulares) para producir gametos haploides. En la meiosis I, APAREAMIENTO los homólogos duplicados, DE LOS HOMÓLOGOS DUPLICADOS constituidos por las cromátidas hermanas estrechamente unidas, se aparean y se segregan a distintas células hijas; solamente en la meiosis II ALINEACIÓN DE LOS PARES se separan las cromátidas DE HOMÓLOGOS EN EL HUSO hermanas. Tal como indica la representación de los MEIOSIS I cromosomas, que son parcialmente rojos y parcialmente grises, el CROMOSOMAS SEPARACIÓN DE DUPLICADOS apareamiento de los LOS HOMÓLOGOS ALINEADOS homólogos da lugar a la EN LA ANAFASE I INDIVIDUALMENTE recombinación genética EN EL HUSO (entrecruzamiento) durante la meiosis I, como se explica más adelante. Cada célula diploide que entra en meiosis produce cuatro células haploides genéticamente distintas. <AGTG> (B) En la mitosis en cambio, los homólogos no se aparean y las cromátidas SEPARACIÓN DE hermanas se separan durante SEPARACIÓN DE LAS LAS CROMÁTIDAS CROMÁTIDAS HERMANAS una sola división. De esta HERMANAS EN EN LA ANAFASE I LA ANAFASE manera, cada célula diploide que se divide por mitosis da lugar a dos células hijas diploides idénticas en términos genéticos. MEIOSIS II células hijas haploides células hijas diploideslargo de toda su longitud (véase Figura 17–24) constituyendo las llamadas cromátidas her-manas. Sin embargo, a diferencia de la mitosis, la meiosis da lugar a gametos conla mitad de cromosomas que sus células precursoras diploides. Este hecho se consigue me-diante la modificación del programa mitótico, ya que a una única ronda de replicación deDNA le siguen dos rondas sucesivas de segregación cromosómica (Figura 21–5A). Cabe re-cordar que en la mitosis (tratada en el Capítulo 17), los cromosomas duplicados se alinean alazar en el ecuador del huso mitótico y que las cromátidas hermanas son arrastradas y segre-gadas a las dos células hijas, de manera que cada célula hija hereda un juego diploide com-pleto de cromosomas y es genéticamente idéntica a la célula madre (Figura 21–5B). Por elcontrario, en la primera división de la meiosis (meiosis I), los homólogos duplicados pater-
  • 1274 Capítulo 21: La reproducción sexual: meiosis, células germinales y fecundaciónno y materno (incluidos los dos cromosomas sexuales replicados) se sitúan uno al lado del cromosoma cromosoma paterno 1 materno 1otro en toda su longitud e intercambian información genética mediante la recombinación ge- replicado replicadonética. Entonces se alinean en el ecuador del huso meiótico, después de lo cual los homó-logos duplicados son arrastrados y segregados a las dos células hijas, en lugar de las cromá-tidas hermanas. Sólo en la segunda división de la meiosis (meiosis II), que tiene lugar sin re-plicación de DNA, las cromátidas hermanas son arrastradas y segregadas produciendocélulas hijas haploides. De esta manera, cada célula diploide que entra en meiosis producecuatro células haploides, cada una de las cuales hereda una copia materna o una copia pa-terna de cada cromosoma, pero no las dos (véase Figura 21– 5 A). centrómeroLos cromosomas homólogos duplicados (y los cromátidas hermanascromosomas sexuales) se aparean durantela profase I tempranaEn la mitosis de la mayoría de organismos, los cromosomas homólogos se comportan de (A) (B) bivalente quiasmaforma independiente unos de otros. Sin embargo, durante la meiosis I, es fundamental que loshomólogos se reconozcan uno a otro y se asocien físicamente para que los homólogos pa-terno y materno experimenten la recombinación genética y se segreguen a las distintas cé- Figura 21–6 Alineación de los homólogoslulas hijas en la anafase I. Mecanismos especiales intervienen en estas íntimas interacciones y entrecruzamiento. (A) La estructura formada por dos cromosomas homólogosentre los cromosomas homólogos. estrechamente alineados se denomina La progresiva yuxtaposición de los homólogos tiene lugar durante una profase meiótica un bivalente. Igual que en la mitosis, lasmuy larga (profase I), que puede durar horas en las levaduras, días en los ratones y semanas cromátidas hermanas de cada homólogoen las plantas superiores. Como en la mitosis, los cromosomas duplicados de la profase están estrechamente conectadas en todameiótica aparecen al inicio como estructuras filamentosas, en las que las cromátidas her- su longitud, así como en los centrómeros.manas están tan estrechamente unidas entre sí que parecen una sola. Es durante la profase En este estadio, por lo general los homólogosI temprana que los homólogos empiezan a asociarse longitudinalmente en un proceso que están unidos entre sí por un complejose denomina apareamiento, en algunos organismos se produce, en principio, mediante inte- proteico denominado complejo sinaptinémicoracciones entre secuencias de DNA complementario (llamadas zonas de apareamiento) de (no representado; véase Figura 21–9). (B) Bivalente en un estadio más avanzado enlos homólogos; en la mayoría de organismos, el apareamiento estable requiere la recom- el que se ha producido un entrecruzamientobinación genética entre los dos homólogos. Durante la progresión de la profase I, la yuxta- entre dos cromátidas no hermanas. Sóloposición de los homólogos se vuelve más estrecha y forma una estructura de cuatro cuando el complejo sinaptinémico secromátidas o bivalente (Figura 21–6A). Como se verá más adelante, la recombinación ge- desorganiza y los pares de homólogos senética empieza durante el apareamiento en la profase I temprana, con la rotura programada separan un poco, al final de la profase I,de la doble hebra del DNA de las cromátidas; algunos de estos procesos de recombinación el entrecruzamiento se ve como una finase resolverán más tarde en entrecruzamientos, en los que un fragmento de una cromátida conexión entre los homólogos llamadamaterna se intercambia con un fragmento correspondiente de la cromátida paterna homó- quiasma, como aparece en la imagen.loga (Figura 21–6B; véase también la Figura 5–64). El apareamiento de los homólogos requiere movimientos de los cromosomas, pero sedesconoce qué es lo que guía estos movimientos. Durante la profase I, los cromosomas du-plicados experimentan una importante redistribución dentro del núcleo. Sus extremos (lostelómeros) están estrechamente unidos a la superficie interna de la envoltura nuclear.Inicialmente los cromosomas se encuentran repartidos de forma difusa por el núcleo, peroluego se unen de forma transitoria a una región de la envoltura nuclear, para más adelantedispersarse otra vez (Figura 21–7). El mecanismo y la función de estas redistribuciones sedesconocen, aunque se cree que hacen que la profase I sea más rápida y eficiente. Una posi- Figura 21–7 Reordenación de los telómeros durante la profase en oocitos bovinos. El núcleo está teñido en azul y los telómeros en rojo. Durante la profase I, los telómeros se adhieren a la superficie interna de la envoltura nuclear. Al principio, están dispersos por toda la envoltura nuclear (no se observa). Después, se unen estrechamente a una región de la envoltura (A); al llegar al final de la profase I, se dispersan de nuevo (B). (De C. Pfeifer et al., Dev. Biol. 255: 206-215, (A) (B) 5 μm 2003. Con la autorización de Elsevier.)
  • MEIOSIS 1275bilidad es evitar que durante la profase I los cromosomas se enreden entre sí. En laslevaduras de fisión es necesario que los telómeros estén estrechamente adheridos para quelos homólogos se apareen y se entrecrucen. En otros organismos este hecho ocurre despuésde que se haya producido el apareamiento. Hemos descrito el apareamiento de los autosomas homólogos durante la profase I, pero¿qué sucede con los cromosomas sexuales? El hecho es que este proceso varía según los or-ganismos. Las hembras de los mamíferos tienen dos cromosomas X, los cuales se aparean ysegregan igual que los demás homólogos. Pero los machos tienen un cromosoma X y un cro-mosoma Y. Aunque estos cromosomas no son homólogos, también tienen que aparearse yexperimentar entrecruzamiento durante la profase para segregarse con normalidad en laanafase I. Apareamiento, entrecruzamiento y segregación son posibles porque existe una pe-queña región de homología entre uno o ambos extremos de los cromosomas X e Y. Los doscromosomas se aparean y se entrecruzan en esta región durante la profase I, asegurandoque cada espermatozoide recibe un cromosoma Y o un cromosoma X y no los dos o ningu-no de los dos. De este modo, normalmente se producen dos tipos de espermatozoides: losque contienen un cromosoma Y, los cuales originarán embriones macho, y los que contie-nen un cromosoma X, que originarán embriones hembra.El apareamiento de los cromosomas homólogos culminacon la formación del complejo sinaptinémicoEl apareamiento de los homólogos se produce en una estrecha yuxtaposición de sus ejesestructurales (ejes internos) separados unos 400 nm, mediante un mecanismo que en la ma-yoría de especies depende de la rotura programada de la doble hebra del DNA de las cro-mátidas hermanas. ¿Qué es lo que atrae a los dos ejes? Una posibilidad es que la granmaquinaria proteica, llamada complejo de la recombinación, se ensamble sobre una roturade la doble hebra de una cromátida, se una a la secuencia de DNA similar del homólogo máspróximo y facilite su enrollamiento con él. Es el llamado alineamiento presináptico de loshomólogos, seguido por la sinapsis, en la cual el eje interno de un homólogo se une íntima-mente al eje interno de su pareja mediante un conjunto comprimido y ordenado de filamen-tos transversos formando un complejo sinaptinémico: se trata de puentes que determinanahora una distancia de sólo 100 nm entre los homólogos (Figura 21–8). Aunque el entrecru-zamiento empieza antes de que se organice el complejo sinaptinémico, el último paso seproduce mientras el DNA permanece unido al complejo (véase Capítulo 5). Los cambios morfológicos que ocurren durante el apareamiento de los cromosomasmeióticos permiten dividir la profase I en cinco estadios consecutivos: leptoteno, zigoteno,paquiteno, diploteno y diacinesis. Como se muestra en la Figura 21–9, la profase I empiezacon el leptoteno, cuando los homólogos se condensan y se aparean y comienza la recombi-nación genética. En el zigoteno, el complejo sinaptinémico empieza a ensamblarse en regio-nes localizadas a lo largo de los homólogos; se inicia en los lugares donde los homólogosestán estrechamente asociados y se han producido procesos de recombinación. En el pa-quiteno, se completa el ensamblaje y los homólogos se encuentran en sinapsis en toda su filamentos transversos Figura 21–8 Esquema simplificado 100 nm eje interno de un complejo sinaptinémico. Antes de de los que se forme el complejo sinaptinémico, homólogos los complejos de recombinación se unen en los puntos de rotura de la doble hebra del complejo DNA de las cromátidas hermanas y catalizan de las cohesinas los entrecruzamientos entre los bucles de las cromátidas no hermanas desde los lados opuestos del complejo (no mostrado en el dibujo). (Modificación a partir de K. Nasmyth, bucle de cromatina de las cromátidas Annu. Rev. Genet. 35:673-745, 2001. Con hermanas de un homólogo la autorización de Annual Reviews.)
  • 1276 Capítulo 21: La reproducción sexual: meiosis, células germinales y fecundación LEPTOTENO PAQUITENO cromátida 1 cromátidas hermanas ensamblaje desensamblaje paternas del complejo del complejo cromátida 2 sinaptinémico sinaptinémico cromátida 3 cromátidas hermanas maternas cromátida 4 INTERFASE ZIGOTENO DIPLOTENO SEGUIDO (A) POR LA DIACINESIS (B) 0,1 μm Figura 21–9 Sinapsis y desinapsis de los cromosomas homólogos durante los diferentes estadios de la profase meiótica I. (A) Esquema de un sólo bivalente. En el leptoteno, las dos cromátidas hermanas están condensadas y los bucles de cromatina de ambas se extienden a partir de un eje interno común. El complejo sinaptinémico empieza a ensamblarse en el zigoteno temprano. El ensamblaje continúa durante todo el zigoteno y se completa en el paquiteno. (C) (D) El complejo se desorganiza en el diploteno. 5 μm (B) Electromicrografía de un complejo sinaptinémico de una célula meiótica de una flor de lirio, en paquiteno. (C y D) Micrografía de inmunofluorescencia de células del hongo Sordaria, en profase I. En C, se ve la sinapsislongitud, El estadio de paquiteno puede durar varios días o más, hasta que la desinapsis em- parcial de los bivalentes en zigoteno y en D, lapieza en el diploteno con el desensamblaje del complejo sinaptinémico y la consiguiente sinapsis completa. Las puntas de flecha rojascondensación y acortamiento de los cromosomas. Únicamente en este estadio, después de en (C) indican los puntos donde la sinapsis esque los complejos se hayan desorganizado, se pueden ver cada uno de los entrecruzamien- incompleta. (B, cortesía de Brian Wells; C y Dtos entre cromátidas no hermanas como conexiones interhomólogas que se denominan de A. Storlazzi et al. Genes Dev.17: 2675-2687,quiasmas, los cuales desempeñan un papel fundamental manteniendo unidos los 2003. Con la autorización de Cold Springhomólogos compactados (Figura 21–10). En este momento, los homólogos están a punto Harbor Laboratory Press.)para iniciar la segregación. La profase I acaba con la diacinesis, el estado de transición haciala metafase I. En algunas especies de levaduras, gusanos, moscas y mamíferos se han identificado lasproteínas que forman los puentes de filamentos transversos entre los ejes internos de los ho-mólogos. Se trata de homodímeros que interactúan entre sí a través de la hendidura de 100 nmque separa los homólogos, como se muestra en la Figura 21–11. En la mayoría de eucariotas,estas proteínas son muy importantes para que se produzcan los entrecruzamientos, de ma-nera que no se producen entrecruzamientos en mutantes que no las tienen. Los principalescomponentes del eje interno de cada homólogo son los complejos de cohesinas que en-samblan el DNA durante la fase S y unen las cromátidas hermanas entre sí durante la meio-sis (Figura 21–8). Algunas subunidades de las cohesinas que actúan en la meiosis son lasmismas que actúan en la mitosis, mientras que otras son específicas de la meiosis. Amboscomplejos, los entrecruzadores y las cohesinas, tienen un papel crucial en la segregaciónde los homólogos durante la primera división meiótica (meiosis I), como se explicará a con-tinuación. Figura 21–10 Bivalente con tres quiasmas resultado de tres entrecruzamientos. (A) Microfotografía de un bivalente de saltamontes. (B) Dibujo que muestra la disposición de los entrecruzamientos en (A). La cromátida 1 ha experimentado un intercambio con la cromátida 3, y la cromátida 2 con las cromátidas 3 y 4. Se observa cómo la combinación de los quiasmas y de las uniones estrechas de los brazos de las cromátidas hermanas de cada uno (mediadas por los complejos de cohesinas) mantienen los dos homólogos juntos después del desensamblaje de los complejos sinaptinémicos; si fallan los quiasmas o la adhesión de las cromátidas hermanas, los 4 homólogos se separaran en este estadio y no se segregarán correctamente cuando 3 2 la célula se divida al final de la meiosis I. (A, cortesía de Bernard John.) (A) (B) 1
  • MEIOSIS 1277 proteína de los filamentos Figura 21–11 Modelo molecular transversales bucles de cromatina de que representa cómo los filamentos una cromátida hermana región sobreenrollada transversales pueden estar formados del homodímero por un solo tipo de proteína. (A) Dibujo (A) de una cadena de polipéptidos donde se muestran los dominios terminales globulares N y C, conectados por una región enrollada. (B) En este caso se propone que la proteína forma homodímeros que interactúan en una hendidura de 100 nm que separa los ejes internos de los dos homólogos. (Adaptado de S.L. Page y R.S. Hawley, Science 301: 785-789, 2003. Con la autorización de AAAS.) filamentos transversales 100 nm (B) eje internoLa segregación de los cromosomas homólogos en la meiosisdepende de proteínas asociadas al cinetocoroUna de las diferencias fundamentales entre la meiosis I y la mitosis (y la meiosis II) es que enla meiosis I los homólogos se separan antes de que se produzca la segregación de las cromá-tidas hermanas en las dos células hijas (Figura 21–5). Esta diferencia depende de tres carac-terísticas de la meiosis I que la distinguen de la mitosis (Figura 21–12). En primer lugar, loscinetocoros (complejos proteicos asociados a los centrómeros; tratado en los Capítulos 4 y 17),de las dos cromátidas hermanas de un homólogo se unen a los microtúbulos que emergen delmismo polo del huso meiótico I y, en consecuencia, se segregan juntos a cada célula hijadurante la anafase I; por el contrario, en la mitosis (y meiosis II), los cinetocoros de las doscromátidas hermanas de un cromosoma se unen a los polos opuestos del huso y se segreganen dos células hijas distintas durante la anafase. En segundo lugar, se mantiene una uniónfísica muy estrecha entre los homólogos que resiste las fuerzas de arrastre del huso meió-tico I mientras que los bivalentes se alinean en el ecuador del huso y los homólogos se sepa-ran en la anafase I. Los quiasmas formados entre las cromátidas no hermanas y la cohesiónentre los brazos de las cromátidas hermanas ayudan a mantener los homólogos unidos(Figura 21–10). En tercer lugar, los brazos de las cromátidas hermanas se separan en la ana-fase I, finalizando los quiasmas y permitiendo la separación de los homólogos en toda sulongitud, pero las cromátidas hermanas se mantienen unidas en la región de los centróme-ros hasta la anafase II y, por consiguiente, no se separan en la anafase I. Los cromosomas de la meiosis I, transferidos a un huso meiótico II mediante experi-mentos de micromanipulación, funcionan como si estuvieran en meiosis I, lo cual indicaque el comportamiento especial de los cromosomas de la meiosis I viene determinado porellos mismos y no por el huso u otros factores citoplasmáticos. Varias proteínas meióticasespecíficas asociadas a los cromosomas de la meiosis I explican este comportamiento espe-cial, aunque funcionan juntamente con proteínas no específicas de la meiosis que intervienentanto en la mitosis como en la meiosis. Los complejos proteicos específicos de la meiosis seunen a los dos cinetocoros de cada homólogo replicado y aseguran que las dos cromátidashermanas capturen los microtúbulos que emergen de un sólo polo del huso. Otras proteínas(denominadas shugoshinas) asociadas a los cinetocoros determinan que los cinetocoroshermanos no se separen en la anafase I, cuando la enzima proteolítica separasa (véase Ca-pítulo 17) rompe los complejos de cohesinas que mantienen unidos los brazos de las cromá-tidas hermanas. Las shugoshinas protegen los complejos de cohesinas en los centrómerosmediante el reclutamiento de una proteína fosfatasa específica de éstos; la fosfatasa evita lafosforilación de los complejos de cohesinas lo cual es indispensable para que la separasaactúe fragmentándolos. De esta manera, en la anafase I los brazos de las cromátidas seseparan pero los centrómeros no. Las cromátidas hermanas sólo se separan cuando la se-
  • 1278 Capítulo 21: La reproducción sexual: meiosis, células germinales y fecundación (A) MEIOSIS microtúbulos cinetocóricos + complejo de cohesinas cinetocoro complejos células hijas haploides centrómero de cohesinas cinetocoro cromátida + METAFASE I ANAFASE I METAFASE II ANAFASE II TELOFASE II (B) MITOSIS complejo de cohesinas cromátida células hijas diploides centrómero + microtúbulos cinetocóricos cinetocoro METAFASE ANAFASE TELOFASEFigura 21–12 Comparación del comportamiento de los cromosomas en la meiosis I, la meiosis II y la mitosis. Los cromosomas se comportande manera similar en la mitosis y en la meiosis II, pero de forma muy diferente en la meiosis I. (A) En la meiosis I, los dos cinetocoros hermanos se localizanuno al lado del otro en los centrómeros hermanos de cada homólogo y sujetan los microtúbulos que emergen del mismo polo del huso. La proteolisis delos complejos de cohesinas a lo largo de los brazos de las cromátidas hermanas despega los brazos y determina los entrecruzamientos, permitiendoque los homólogos duplicados se separen en la anafase I, mientras que los complejos residuales de cohesinas mantienen los centrómeros hermanos unidos.La destrucción proteolítica de los complejos residuales de cohesinas de los centrómeros permite la separación de las cromátidas hermanas en la anafase II.(B) Por el contrario, en la mitosis, los dos cinetocoros hermanos sujetan los microtúbulos que emergen de distintos polos del huso; las cromátidas hermanasse separan al comenzar la anafase y se segregan hacia las dos células hijas (tratado en el Capítulo 17).parasa rompe los complejos de cohesinas remanentes en los centrómeros en la anafase II(Figura 21–12 A), y las shugoshinas han desaparecido. A diferencia de la meiosis I, la meiosis II dura poco tiempo y se parece mucho a unadivisión mitótica, aunque tiene lugar sin la replicación del DNA. La profase II es corta: se de-sorganiza la envoltura nuclear y se forma un huso nuevo, después de lo cual se sucedenrápidamente, la metafase II, la anafase II y la telofase II. Una vez se ha formado la envolturanuclear alrededor de los cuatro núcleos diploides producidos en la telofase II, tiene lugar lacitocinesis y concluye la meiosis.A menudo la meiosis no funciona correctamenteLa clasificación de los cromosomas que tiene lugar durante la meiosis significa un gran es-fuerzo de contabilidad intracelular. En cada meiosis humana se requiere que la célula con-trole 92 cromátidas (46 cromosomas duplicados), distribuyendo un juego completo de cadatipo de cromosomas a cada una de las cuatro células hijas resultantes. No sorprende que du-rante un proceso tan complejo puedan ocurrir errores en la distribución de los cromosomas.Los errores son frecuentes, en general, en la meiosis de los oocitos humanos que se detienendespués del diploteno y permanecen así durante años; la meiosis I acaba con la ovulación y lameiosis II sólo se completa si el oocito es fecundado. En efecto los errores en la segregación delos cromosomas durante el desarrollo de los oocitos son las causas más comunes en huma-nos tanto de abortos espontáneos como problemas de discapacidades mentales.
  • MEIOSIS 1279 Cuando los homólogos no se separan correctamente –un fenómeno denominado nodisyunción–, el resultado es que alguno de los gametos haploides producido pierde un de-terminado cromosoma, mientras que otro tiene más de una copia de éste. (Las células conun número anormal de cromosomas se llaman aneuploides, mientras que las que tienen unnúmero correcto son euploides.) Después de la fecundación, los gametos aneuploides formanembriones anormales, la mayoría de los cuales mueren. Sin embargo, algunos sobreviven:por ejemplo, el síndrome de Down humano, que es la primera causa de discapacidad mental,se debe a la presencia de una copia extra del cromosoma 21, consecuencia de la no disyun-ción durante la meiosis I en el ovario. Los errores en la segregación durante la meiosis I au-mentan con la edad de la madre. A pesar de los fallos, la mayoría de los eucariotas utiliza la meiosis, al menos de formaintermitente, para mezclar su información genética antes de transmitirla a la generaciónsiguiente. Los entrecruzamientos contribuyen en gran manera a este proceso de mezcla ge-nética, como vamos a ver a continuación.Los entrecruzamientos aumentan la redistribución genéticaA menos que se trate de mellizos idénticos, que se han desarrollado a partir de un único zi-goto, los descendientes de unos mismos padres nunca son genéticamente iguales. Comohemos indicado, este fenómeno se debe a que mucho antes de la fusión de los dos gametosse han producido dos tipos de redistribuciones genéticas en la meiosis I, durante el procesode la formación de los gametos: la distribución aleatoria de los homólogos maternos y pa-ternos y los entrecruzamientos. La distribución al azar de los homólogos maternos y paternos(Figura 21–13A) podría, en principio, producir 2n gametos genéticamente distintos, siendo nel número haploide de cromosomas. Por ejemplo, en la especie humana cada individuopuede producir por lo menos 223 = 8,4 × 106 gametos genéticamente diferentes. Sin em-bargo el número real de variantes es mucho más elevado debido al entrecruzamiento cro-mosómico (o simplemente entrecruzamiento), que es el resultado de la recombinación(tratado en el Capítulo 5), durante la cual se producen intercambios de segmentos de DNAentre los homólogos. En la meiosis, cuando el intercambio ocurre entre cromátidas no her-manas, se mezclan componentes genéticos de cada uno de los cromosomas (Figura 21–13B). tres pares de cromosomas un par de cromosomas homólogos homólogos materno materno paterno paterno ENTRECRUZAMIENTO DURANTE DISTRIBUCIÓN INDEPENDIENTE LA PROFASE I DE LOS HOMÓLOGOS MATERNO Y PATERNO DURANTE LA MEIOSIS I Figura 21–13 Los dos mecanismos principales de redistribución del material genético que intervienen en la producción MEIOSIS II de los gametos durante la meiosis. (A) La distribución independiente de los homólogos materno y paterno durante la meiosis produce 2n gametos haploides DIVISIONES MEIÓTICAS I Y II diferentes para un organismo con n cromosomas. En este caso n = 3, por lo que existen 8 posibles gametos diferentes. (B) El entrecruzamiento durante la profase I permite el intercambio de segmentos de DNA entre cromosomas homólogos y de ese modo la redistribución de los genes en cada uno de ellos. Debido a la gran cantidad de pequeñas diferencias que presentan las secuencias de DNA de cualquier par de homólogos, ambos mecanismos aumentan la variabilidad genética de los organismos que se (A) gametos posibles (B) gametos posibles reproducen sexualmente.
  • 1280 Capítulo 21: La reproducción sexual: meiosis, células germinales y fecundación Figura 21–14 Entrecruzamientos entre homólogos en el testículo humano. En estas micrografías de inmunofluorescencia, se han utilizado anticuerpos para teñir los complejos sinaptinémicos (rojo), los centrómeros (azul) y los puntos de entrecruzamiento (verde). Obsérvese que todos los bivalentes tienen por lo menos un entrecruzamiento y ninguno de ellos tiene más de tres. (Modificado a partir de A. Lynn et al., Science 296: 2222-2225. Con la autorización de AAAS.) 10 μmEn cada par de homólogos humanos se producen por término medio dos o tres entrecruza-mientos (Figura 21–14). Los detalles moleculares de los entrecruzamientos se estudian en el Capítulo 5 (véaseFigura 5–64). Brevemente, el entrecruzamiento lo empieza una proteína muy conservada es-pecífica de la meiosis llamada Spo11, provocando una rotura de la doble hebra de DNA en lacromátida materna o en la paterna. Un gran complejo multienzimático, el complejo recom-binante, que contiene enzimas reparadoras de la doble hebra de DNA, se ensambla sobre larotura y cataliza la recombinación de los homólogos. En la mayoría de casos, el resultado deeste proceso no es un entrecruzamiento. Sin embargo, en algunas ocasiones la recombi-nación conduce a un entrecruzamiento en el que los segmentos de DNA se intercambianrecíprocamente entre dos cromátidas no hermanas. Como se ha descrito, después de ladesinapsis se puede observar al microscopio cada entrecruzamiento como un quiasma(Figura 21–10A). La Figura 21–10B muestra cómo cada una de las dos cromátidas hermanas deun homólogo puede formar uno o más entrecruzamientos con una de las dos cromátidasde su homólogo correspondiente.El entrecruzamiento está muy reguladoEl entrecruzamiento tiene dos funciones distintas en la meiosis: ayuda a mantener los ho-mólogos unidos, para que se segreguen correctamente en las dos células hijas resultantes dela meiosis I, y contribuye a la diversificación genética de los gametos que se producen. Comoera de esperar, el entrecruzamiento está muy regulado: el número y localización de las rotu-ras de las dobles hebras a lo largo de cada cromosoma están controlados. Las roturas de ladoble hebra que tienen lugar en la meiosis I pueden localizarse en cualquier parte a lo largo delcromosoma (Figura 21–14), pero no presentan una distribución regular: están estrechamen-te unidas a los “puntos calientes” donde la cromatina es accesible y en pocas ocasiones seunen a los “puntos fríos”, como las regiones de heterocromatina situadas alrededor de loscentrómeros y de los telómeros. Por lo menos dos tipos de regulación influyen en la localización y en el número de en-trecruzamientos que se forman, aunque todavía no se comprende por completo ningunode los dos. Ambos actúan antes de que se ensamble el complejo sinaptinémico. Uno de ellosasegura que como mínimo se forme un entrecruzamiento entre los dos miembros de cadapar de homólogos, necesario para que se produzca la segregación correcta de los homólogosen la meiosis I. En el otro, llamado interferencia del entrecruzamiento, la presencia de un pro-ceso de entrecruzamiento inhibe la formación de otro, quizás mediante la inhibición localde las proteínas necesarias para convertir una rotura de la doble hebra de DNA en un entre-cruzamiento estable.La regulación de la meiosis es distinta en los machosy en las hembras de los mamíferosLos mecanismos básicos de la meiosis se han conservado a lo largo de la evolución en todos loseucariotas que se reproducen sexualmente. Por ejemplo, en todos ellos la mayor parte de lameiosis la ocupa la profase I, aunque los detalles de la duración de los diferentes estadios
  • MEIOSIS 1281varían entre las diferentes especies (Figura 21–15). Sin embargo, existen algunas dife- (A) RATÓNrencias destacables en la regulación de la meiosis tanto de especies distintas como de sexos 0diferentes en una misma especie. La diferencia entre los dos sexos es muy notable en los LEPTOTENOmamíferos. En las hembras de los mamíferos, los oocitos empiezan la meiosis en el ovario fetal perose paran después del diploteno, cuando se ha desensamblado el complejo sinaptinémico en ZIGOTENOla meiosis I. La meiosis I sólo se completa cuando la hembra alcanza la madurez sexual y el 3oocito sale del ovario durante la ovulación; sin embargo, el oocito liberado completa la meio-sis II sólo en el caso de que sea fecundado. En las hembras de los mamíferos existen meca-nismos especiales de parada y reactivación durante la meiosis. En las mujeres, algunos tiempo (días) profase Ioocitos permanecen parados en meiosis I durante 40 años o más lo cual podría ser, en parte,una de las causas por la que aumentan significativamente las no disyunciones en las mujeres 6 PAQUITENOde más edad. Por el contrario, en los mamíferos macho la meiosis comienza en las célulasprecursoras de los espermatozoides (espermatocitos) dentro de los testículos, al iniciarse lapubertad y se mantiene de forma continua, sin mecanismos de parada y reactivación comoen la meiosis femenina. Son necesarios alrededor de 24 días para que un espermatocito hu-mano complete la meiosis. 9 También existe una gran diferencia en la proporción de errores en la meiosis entre lashembras y los machos de los mamíferos; este hecho es especialmente notable en la especie DIPLOTENOhumana. Alrededor del 20% de los oocitos humanos son aneuploides, comparados con el 3- +4 % de los espermatozoides, y el resultado es que más de un 25% de todos los fetos humanos DIACINESIS finalización de la meiosis Ison aneuploides y la mayoría de ellos son el resultado de la no disyunción en los oocitos du- 12 y toda larante la meiosis I. La fecundación en los mamíferos comprende la ovulación de un número meiosis IIreducido de oocitos en un extremo del tracto reproductivo de la hembra y la entrada de mi-llones de espermatozoides por el otro extremo. Dada la escasa cantidad de oocitos cabría (B) LIRIOesperar que su desarrollo estuviese sometido a un control de calidad más estricto que en el 0caso de los espermatozoides, pero ocurre justo lo contrario. Si la meiosis no se desarrolla co-rrectamente en las células masculinas, se activa un mecanismo de control del ciclo celular(tratado en el Capítulo 17) que para el proceso y conduce a la muerte celular por apoptosis. LEPTOTENO 1Aparentemente, este mecanismo de control no actúa en la meiosis de las células femeninas:si no se produce la segregación de un homólogo, hecho que se da con frecuencia, las células 2continúan la meiosis y producen oocitos aneuploides. Por otro lado, parece que la línea ger-minal masculina puede ocasionar otro tipo de errores genéticos. Debido a que se producen ZIGOTENO tiempo (días)muchas más mitosis en el proceso de la producción de un espermatozoide y a que en cada 3ronda de replicación del DNA hay posibilidades de error, los padres contribuyen en mayor profase Iproporción a la aparición de mutaciones nuevas que las madres. 4 La producción de los gametos no sólo comprende la meiosis y en otros procesos PAQUITENOtambién existen diferencias entre oocitos y espermatozoides. Al final de la meiosis un oo-cito de mamífero es completamente maduro, mientras que un espermatozoide está ini- 5 DIPLOTENOciando su diferenciación. Antes de estudiar los gametos, vamos a considerar cómo +algunas células del embrión de los mamíferos se diferencian inicialmente de manera es- 6 DIACINESIS finalizaciónpecífica desarrollándose como células germinales y cómo estas células quedan compro- de la meiosis I y toda lametidas, para transformarse en un espermatozoide o en un oocito, dependiendo del sexo meiosis II 7del individuo. Figura 21–15 Comparación entre los tiempos necesarios para cada unaResumen de las etapas de la meiosis. (A) Tiempos aproximados para un mamífero machoLos gametos haploides (oocitos, espermatozoides, polen y esporas) se forman mediante la meiosis, (ratón). (B) Tiempos aproximados para elproceso en el que dos divisiones celulares sucesivas después de una sola replicación del DNA dan lugar tejido masculino de una planta (lirio).a cuatro células haploides a partir de una célula diploide. La meiosis está dominada por una pro- Los tiempos difieren para los gametoslongada profase I, que ocupa el 90% o más del periodo meiótico total. En cuanto empieza la profase I masculino y femenino (espermatozoidelos cromosomas se han replicado y están constituidos por dos cromátidas hermanas estrechamente y oocito, respectivamente) de una misma especie, así como para los mismos gametosunidas entre sí. Los cromosomas homólogos se aparean uno al lado del otro y van estrechando pro- de especies diferentes. Por ejemplo, engresivamente su yuxtaposición a medida que progresa la profase I. Los cromosomas homólogos la especie humana la meiosis masculinaestrechamente alineados (bivalentes) experimentan la recombinación genética y forman entrecru- dura 24 días en comparación con los 12 díaszamientos que más adelante pueden verse como quiasmas, que mantienen cada par de homólogos de la del ratón. En las mujeres, pueden pasarunidos durante la metafase I. El entrecruzamiento y la segregación independiente de las copias ma- más de 40 años, ya que la meiosis I se paraterna y paterna de cada cromosoma durante la meiosis I desempeñan un papel muy importante en después del diploteno. Sin embargo, enla producción de gametos distintos uno de otro desde un punto de vista genético y distintos también todas las especies la profase meiótica I es mucho más larga que el resto de lasde sus progenitores. Unas proteínas específicas de la meiosis y proteínas asociadas a los cinetocoros etapas meióticas juntas.aseguran que ambas cromátidas hermanas estén unidas al mismo polo del huso; otras proteínasasociadas a los cinetocoros determinan que los homólogos permanezcan conectados a sus centró-
  • 1282 Capítulo 21: La reproducción sexual: meiosis, células germinales y fecundaciónmeros durante la anafase I, para que sean segregados en lugar de las cromátidas hermanas al aca-bar la meiosis I. Después de esta larga meiosis I, rápidamente sigue la meiosis II, sin que se produz-ca replicación de DNA, en un proceso parecido a la mitosis, en el que las cromátidas hermanas seseparan en la anafase.CÉLULAS GERMINALES PRIMORDIALESY DETERMINACIÓN DEL SEXO EN LOS MAMÍFEROSLas estrategias de la reproducción sexual pueden variar muchísimo de unas especies a otras.Este apartado se centrará principalmente en las estrategias utilizadas por los mamíferos. En todos los embriones de los vertebrados, durante el desarrollo tiene lugar una selec-ción temprana de determinadas células como progenitoras de los gametos. Estas célulasgerminales primordiales diploides (PGC: primordial germ cells) migran a las gónadas endesarrollo, que se convertirán en los ovarios en las hembras y los testículos en los machos.Después de un periodo de proliferación mitótica en las gónadas diferenciadas, las PGC ex-perimentan la meiosis y se diferencian en gametos maduros haploides: oocitos o esperma-tozoides. Más adelante, la fusión del oocito y del espermatozoide tras el apareamientoconduce al inicio de la embriogénesis. Con la posterior producción de nuevas PGC en el em-brión comienza otra vez el ciclo (Figura 21–3A). En este apartado se analizará cómo aparecen las PGC en los mamíferos, cómo se de-termina el sexo en ellos y de qué manera la determinación sexual establece que lasPGC se diferencien en espermatozoides o en oocitos. Figura 21–16 Determinantes de la segregación de las células germinalesSeñales específicas de las células vecinas a las PGC en el nematodo C. elegans. Las micrografíasen los embriones de los mamíferos de la fila superior muestran el patrón de división de las células, en las que el núcleoEn la mayoría de animales, incluidos muchos vertebrados, el oocito no fecundado contiene está teñido de color azul; abajo las mismasmoléculas específicas localizadas en una región concreta del citoplasma que determinan células teñidas con un anticuerpo que marcaqué células se convertirán en las células germinales. Cuando el oocito es fecundado y se di- (en verde) pequeños gránulos (llamados gránulos P) que actúan como determinantesvide de forma repetida produciendo las células del embrión temprano, las que finalmente de células germinales. Los gránulos P estánheredan estos determinantes de células germinales se transforman en PGC (Figura 21–16). constituidos por moléculas de RNA yAunque la naturaleza molecular y la función de los determinantes son desconocidas, unas moléculas de proteínas, y están distribuidosproteínas de la familia Vasa son un componente presente en todos estos animales. Las pro- al azar, por todo el citoplasma del oocito noteínas Vasa tienen una estructura similar a la de las RNA helicasas dependientes de ATP pero , fecundado (no se muestra). Como se observasu función en la determinación de las células germinales constituye todavía un misterio por en las imágenes de la izquierda, después dedilucidar. la fecundación, los gránulos se acumulan en un polo del zigoto. En cada división, los Por el contrario, en otros animales y entre ellos los mamíferos, el citoplasma del oocito gránulos se segregan a una de las dosno contiene determinantes de células germinales localizados. En lugar de ello, unas señales células hijas. La única célula del embriónprocedentes de células vecinas determinan qué células se convertirán en PGC. En los ma- que contiene los gránulos P, visible en lasmíferos, todas las células resultantes de las primeras divisiones del oocito fecundado son imágenes de la derecha, es la precursora depluripotentes, es decir, son capaces de producir cualquier tipo de células del organismo, in- la línea germinal. (Cortesía de Susan Strome.)
  • CÉLULAS GERMINALES PRIMORDIALES Y DETERMINACIÓN DEL SEXO EN LOS MAMÍFEROS 1283 Figura 21–17 Migración de las PGC en los mamíferos. (A) Micrografía de fluorescencia notocorda tubo en la que se observan las PGC que migran neural células en una sección transversal de un embrión germinales temprano de ratón. Las PGC están teñidas primordiales con un anticuerpo monoclonal (en verde) somita que las marca específicamente en este estado de la embriogénesis. Las otras células del embrión están teñidas con una lectina (en rojo) que se une al ácido siálico, localizado en la superficie de todas las células. (B) futura Esquema correspondiente a la micrografía intestino posterior gónada que se muestra en (A). (A, cortesía de Robert(A) (B) Anderson y Chris Wylie.) 100 μm cluidas las germinales y células de los tejidos extraembrionarios así como las de la placenta. Únicamente más adelante, un pequeño grupo de células es inducido a convertirse en PGC a consecuencia de las señales que reciben de sus células vecinas. En el ratón, por ejemplo, 6 días después de la fecundación, determinadas señales (incluida la proteína morfogénica ósea 4; BMP4: bone morphogenic protein) secretadas por las células del tejido extraembrio- nario situado junto al embrión, inducen a unas 10 células embrionarias adyacentes a trans- formarse en precursoras de las PGC. Estas células se dividen y maduran transformándose en PGC, inhibiendo la expresión de genes somáticos y activando la expresión de genes im- plicados en mantener las características especiales de las células germinales. Aunque los diferentes mecanismos de las PGC son específicos de los distintos grupos de animales, algunos de los mecanismos que controlan la proliferación y el desarrollo se han conservado a lo largo de la evolución, desde los gusanos hasta el hombre. Por ejemplo, el desarrollo de PGC en todos los animales estudiados depende tanto de la supresión del des- tino de las células somáticas por represión génica, como de la inhibición de la traducción de determinados mRNA por proteínas de unión a Nano RNA. Las PGC migran a las gónadas en desarrollo En los mamíferos, después de su desarrollo, las PGC proliferan y migran hacia su destino final que son las gónadas en desarrollo (Figura 21–17). Mientras las células germinales primor- diales migran a través del embrión, varias proteínas extracelulares producidas por las célu- las somáticas adyacentes las señalan para sobrevivir, proliferar y migrar. Entre las proteínas señal secretadas que colaboran atrayendo a las PGC hacia las gónadas en desarrollo están las quimioquinas, que se unen a receptores acoplados a proteínas G (GPCR: G-protein coupled receptors) y conducen la migración de varios tipos celulares, como las PGC y los glóbulos blancos sanguíneos (tratado en el Capítulo 23). Después de que las PGC hayan entrado en la gónada en desarrollo, que en este estadio se denomina cresta genital, experimentan unas cuantas mitosis más en el curso de las cuales se especializan para seguir una vía de desarrollo que les llevará a diferenciarse en oocitos o en espermatozoides. Sin embargo, cuando las PGC inician la migración hacia las gónadas embrionarias, no están comprometidas de manera irreversible a transformase en gametos. Extraídas del em- brión y cultivadas en presencia de proteínas señal extracelulares adecuadas, se transfor- man en células que se pueden mantener en cultivo indefinidamente como una línea celular capaz de producir cualquier tipo celular del organismo, excepto las células extraembriona- rias que formarán estructuras como la placenta; por esta razón, a estas células se les deno- mina pluripotentes, y no totipotentes. A este respecto, estas células llamadas células germinales embrionarias (EG: embryonic germ cells) se parecen a las células madre embrio- narias (ES: embryonic stem cells) (tratado en el Capítulo 23). Tanto las células EG como las células ES son fuentes prometedoras de varios tipos celulares humanos –tanto para probar fármacos como para el tratamiento de enfermedades como ataques cardíacos, apoplejías y varias enfermedades neurodegenerativas en las se produce la muerte de determinadas células. ¿Qué determina que las PGC que migran a las gónadas en desarrollo se diferencien en oocitos o en espermatozoides? Sorprendentemente no es su propia constitución cromo- sómica sexual sino que depende de si la cresta genital se ha empezado a desarrollar en un ovario o en un testículo, respectivamente. Los cromosomas sexuales de las células somáticas
  • 1284 Capítulo 21: La reproducción sexual: meiosis, células germinales y fecundación Figura 21–18 Cromosomas de un hombre normal. Los cromosomas se han teñido con la técnica de Giemsa. Véanse también las Figuras 4–10 y 4–11. Obsérvese la diferencia en el tamaño de los dos cromosomas sexuales. El cromosoma X contiene más de 1000 genes, mientras que el cromosoma Y sólo unos 80. 1 2 3 4 5 (Cortesía de Julie Robertson del Wisconsin State Laboratory of Hygiene.) 6 7 8 9 10 11 12 17 18 13 14 15 16 19 20 21 22 X Yde la cresta genital determinan el tipo de gónada que se va a formar a partir de ella. Aunquehay muchos genes que influyen en el resultado del proceso, un solo gen del cromosoma Ydesempeña un papel especialmente importante en esta decisión.En los mamíferos, el gen Sry conduce el desarrollo de la gónadahacia la formación de un testículoAristóteles creía que la temperatura del macho durante el contacto sexual determinaba elsexo de la descendencia: a temperatura más alta, mayor era la probabilidad de producir ma-chos. Si en lugar de referirse a humanos se hubiese referido a los lagartos y a los caimanes,casi hubiese acertado ya que en muchos reptiles la temperatura de incubación de los huevosdetermina el sexo de la descendencia; en lagartos y caimanes los machos se desarrollan aaltas temperaturas y las hembras a bajas temperaturas. En la actualidad sabemos que el se-xo de un mamífero lo determinan sus cromosomas sexuales más que la temperatura de losprogenitores o del embrión. Las hembras de los mamíferos tienen dos cromosomas X en todas sus células somá-ticas, mientras que los machos tienen un cromosoma X y un cromosoma Y. La presenciao ausencia del cromosoma Y, que es el más pequeño de todos los cromosomas humanos(Figura 21–18) determina el sexo del individuo. Los individuos que tienen un cromosoma Yse desarrollan como machos siendo indiferente el número de cromosomas X que presenten,mientras que los individuos que no tienen ningún cromosoma Y se desarrollan como hem-bras, incluso aunque sólo tengan un cromosoma X. El espermatozoide que fecunda el ooci-to determina el sexo del zigoto resultante: el oocito maduro tiene un solo cromosoma Xmientras que el espermatozoide puede tener un cromosoma X o un cromosoma Y. El cromosoma Y determina el sexo del individuo induciendo a las células somáticas dela cresta genital a desarrollar un testículo en lugar de un ovario. Los embriones de los mamí-feros están programados para desarrollarse como hembras a menos que lo impida la pre-sencia de los testículos, que dirigen al embrión a que se desarrolle como macho. Si se extraela cresta genital antes de que se haya empezado a desarrollarse como testículo o como ovario,un mamífero se desarrolla como una hembra independientemente de los cromosomassexuales que tenga. Este hecho no significa que en los mamíferos no sean necesarias señalespara el desarrollo de los órganos específicos de las hembras: por ejemplo, para el desarrollonormal del ovario se requiere la secreción de la proteína señal Wnt4. El gen crucial del cromosoma Y que dirige la cresta genital a que se diferencie en tes-tículo en lugar de en ovario se llama Sry (sex-determining region of Y). Cuando este gen se in-troduce en el genoma de un zigoto XX de ratón, el embrión transgénico resultante se
  • CÉLULAS GERMINALES PRIMORDIALES Y DETERMINACIÓN DEL SEXO EN LOS MAMÍFEROS 1285desarrolla como un macho, aunque falten todos los demás genes del cromosoma Y. Sin em-bargo, este ratón sexualmente invertido no puede producir espermatozoides porque le faltanlos otros genes del cromosoma Y que son necesarios para la diferenciación de los esperma-tozoides. De forma similar, los humanos XY que tienen una mutación en Sry que lo inactivase desarrollan como hembras aunque genéticamente son machos. El gen Sry sólo se expresa en una subpoblación de las células somáticas de la gónada endesarrollo y determina la diferenciación de estas células en células de Sertoli que constitu-yen el principal tipo de células de soporte en el testículo (véase la Figura 21–29). Las célulasde Sertoli dirigen el desarrollo sexual de una línea masculina influyendo sobre otras célulasde la cresta genital y de otras partes del embrión, por lo menos de cuatro maneras: 1. Estimulan a las PGC recién llegadas a que se transformen en espermatozoides. Este fenómeno se consigue inhibiendo la entrada de las células en la meiosis y su posterior desarrollo como oocitos, como se describirá más adelante. 2. Segregan la hormona antimülleriana, que circula por la sangre y bloquea el desarrollo del tracto genital femenino, produciéndose la regresión del conducto de Müller (en caso contrario este conducto daría lugar al oviducto, al útero y a la parte superior de la vagina). 3. Estimulan la migración de células endoteliales y musculares lisas del tejido mesen- quimático adyacente hacia el interior de la gónada. Estas células constituyen elementos imprescindibles del testículo para la producción normal de espermatozoides, que em- pieza cuando el organismo alcanza la madurez sexual. 4. Colaboran en la inducción de otras células somáticas de la gónada en desarrollo para que se transformen en células de Leydig, que secretan a la sangre la hormona sexual masculina testosterona. Esta hormona es la responsable de la aparición de todos los caracteres sexuales secundarios de los machos, incluyendo las estructuras anexas del tracto reproductor masculino, como la próstata y las vesículas seminales que se for- man a partir de otro conducto, denominado sistema conductor de Wolffian. Este sis- tema degenera durante el desarrollo del sistema reproductor femenino porque para sobrevivir y desarrollarse requiere testosterona. La testosterona también masculiniza el desarrollo temprano del cerebro, influyendo en la identidad y orientación sexual y, por consiguiente, en el comportamiento sexual: por ejemplo, ratas hembra que han sido tratadas con testosterona durante el periodo perinatal, muestran más tarde un com- portamiento sexual masculino. El gen Sry codifica una proteína reguladora de genes (Sry) que se une al DNA e intervie-ne en la transcripción de otros genes involucrados en el desarrollo de las células de Sertoli.Un importante gen corriente abajo que codifica otra proteína reguladora relacionada conSry es el llamado Sox9. El gen Sox9 no está en el cromosoma Y, pero se expresa en los machosde todos los vertebrados, a diferencia de Sry, que sólo se encuentra en los mamíferos. Si Sox9se expresa de manera ectópica en las gónadas en desarrollo de un embrión XX de ratón, elembrión se desarrolla como un macho, aunque carezca del gen Sry, lo cual sugiere que Srynormalmente actúa induciendo la expresión de Sox9. La proteína Sox9 activa de forma di-recta la transcripción de algunos genes específicos de la células de Sertoli, incluido el genque codifica la hormona antimülleriana. En ausencia de Sry o de Sox9, la cresta genital de un embrión XY se desarrolla en ova-rios en lugar de hacerlo en testículos. Las células de soporte se transforman en células fo-liculares en lugar de hacerlo en células de Sertoli. Otras células somáticas se transforman enlas células de la teca (en lugar de hacerlo en las células de Leydig) y, al llegar a la pubertad,segregan estrógeno, que es la hormona sexual femenina. Las PGC se diferencian en oocitos,en vez de hacerlo en espermatozoides (Figura 21–19), y el animal de desarrolla como unahembra. ¿De qué forma las células de Sertoli inducen a las PGC a migrar a las gónadas en desa-rrollo en los machos para seguir el proceso que conduce a la formación de espermatozoidesen lugar de a la producción de oocitos? El mecanismo depende de una pequeña moléculaseñal, el ácido retinoico (véase la Figura 15–13), que, en ambos sexos está producida por unaestructura tubular transitoria llamada el mesonefros localizada junto a las gónadas en desa-rrollo. En el ovario embrionario, el ácido retinoico induce la proliferación de las células de lalínea germinal para entrar en la meiosis y comenzar el proceso que conduce a la producciónde oocitos; las células quedan paradas después del diploteno de la profase I, en la que per-manecen hasta la ovulación, que comienza cuando la hembra alcanza la madurez sexual.Por el contrario, en los testículos embrionarios las células de Sertoli producen una enzimaque degrada el ácido retinoico y evita que el ácido retinoico procedente del mesonefros in-
  • 1286 Capítulo 21: La reproducción sexual: meiosis, células germinales y fecundación Figura 21–19 Influencia de Sry en el cresta genital desarrollo gonadal. Las células de la línea germinal están coloreadas en rojo y las células somáticas en verde y azul. El cambio célula germinal de color claro a oscuro indica que las células primordial (PGC) se han diferenciado. El gen Sry actúa en una desarrollo gonadal no subpoblación de células somáticas durante determinado el desarrollo gonadal induciendo su diferenciación en células de Sertoli o células MACHO HEMBRA foliculares. Las células de Sertoli impiden que las células de la línea germinal se desarrollen como oocitos y, al llegar a la pubertad, las dirige a la espermatogénesis. Estas células también segregan la hormona célula somática antimülleriana, que determina la regresión expresando del conducto de Müller e induce a otras el gen Sry células somáticas a diferenciarse en células en el cromosoma Y de Leydig, que son las células secretoras de testosterona (véase Figura 21–29). En TESTÍCULO OVARIO ausencia de Sry, las células germinales espermatogénesis oogénesis primordiales se involucran en el desarrollo espermatozoide oocito de los oocitos y las células somáticas se transforman en células foliculares, que actúan células germinales de soporte al oocito durante su desarrollo célula célula o en células de la teca secretoras de de Sertoli folicular progesterona; la progesterona se transforma células de soporte en estrógeno mediante las células foliculares. célula célula de Mientras que en el testículo empieza la de Leydig la teca secreción de testosterona en el feto, en el células secretoras ovario no comienza la secreción de de hormonas sexuales estrógenos hasta la pubertad. hormona anti- mülleriana testosterona estrógenoduzca a las células de la línea germinal a entrar en meiosis y comenzar el desarrollo de losoocitos. Sólo mucho más tarde, cuando el macho alcanza la madurez sexual, las células de lalínea germinal de los testículos empiezan a producir espermatozoides.Muchos aspectos de la reproducción sexual varían en gran medidaentre las especies animalesAunque la meiosis está muy conservada en todos los organismos eucariotas que se repro-ducen sexualmente, otros aspectos de la reproducción sexual son muy variables. El sexo deun animal depende o de sus cromosomas o del entorno en el cual se desarrolla. Pero inclusolos mecanismos genéticos determinantes del sexo varían muchísimo. En C. elegans y enDrosophila, por ejemplo, el sexo viene determinado por la proporción entre los cromosomasX respecto a los autosomas y no por la presencia o ausencia de un cromosoma Y, como ocu-rre en los mamíferos. En C. elegans, la determinación del sexo depende principalmente de loscontroles de transcripción y de traducción en la expresión de los genes, mientras que enDrosophila, depende de una cascada de procesos regulados maduración del RNA, como sedescribe en el Capítulo 7. Además, en Drosophila el carácter sexual específico de cada célu-la del organismo está programado de forma individual por los propios cromosomas en lugarde estar controlado principalmente por hormonas. No sabemos por qué algunos aspectosde la reproducción sexual se han conservado durante la evolución mientras que otros sontan distintos.ResumenEn los embriones tempranos de los mamíferos, un pequeño número de células son señaladas por suscélulas vecinas para que se transformen en células de la línea germinal. Las células germinales pri-mordiales resultantes (PGC) proliferan y migran hacia las gónadas en desarrollo. En esta zona, lascélulas germinales primordiales están destinadas a desarrollarse como oocitos si la gónada se trans-forma en un ovario, o como espermatozoides si la gónada se transforma en un testículo. La gónada
  • OOCITOS 1287se desarrollará en un ovario a menos que sus células somáticas contengan un cromosoma Y, en cu- óvulo humanoyo caso se desarrollará como un testículo. El gen Sry del cromosoma Y de los mamíferos es crucial pa-ra el desarrollo de los testículos; se expresa en una subpoblación de células somáticas de las gónadasen desarrollo y dirige su diferenciación en células de Sertoli, las cuales producen moléculas señalque promueven el desarrollo de las características masculinas e inhiben el desarrollo de las caracte-rísticas femeninas. Los embriones de los mamíferos están programados para seguir una vía femeni-na de desarrollo a menos que sean desviados por las células de Sertoli a seguir la vía masculina.OOCITOSLos oocitos son las células animales más extraordinarias que existen, al menos en un aspecto:una vez activados pueden dar lugar a un nuevo individuo completo tan sólo en cuestión dedías o semanas. Ninguna otra célula de un animal superior tiene esta capacidad. Normal-mente, la activación es la consecuencia de la fecundación –la fusión de un espermatozoidecon un oocito– pero los oocitos pueden ser activados de forma artificial mediante diferentestratamientos químicos o físicos no específicos. En efecto, algunos organismos, incluidos al-gunos vertebrados como por ejemplo determinadas especies de lagartija, normalmente sereproducen a partir de oocitos que se han activado en ausencia de espermatozoides o sea de huevo de gallinaforma partenogénica. Los mamíferos son los únicos animales que no se pueden reproducirde forma partenogénica; debido a la huella genética (se describe en el Capítulo 7), requierenlas dos contribuciones genéticas, la materna y la paterna. huevo de rana A pesar de que el oocito maduro da lugar a todos los tipos celulares de un organismo, noes más que una célula altamente especializada, destinada en exclusiva a generar un nuevoindividuo. El citoplasma de un oocito puede llegar a reprogramar el núcleo de una célula so- Figura 21–20 Tamaño real de tres óvulos diferentes. El diámetro de un óvulo humanomática, haciéndolo capaz de dirigir el desarrollo de un nuevo individuo, aunque todavía des- es de 0,1 mm.conocemos la mayoría de los componentes del oocito responsables de este proceso. De estemodo se produjo la famosa oveja Dolly. Con una micropipeta de vidrio se extrajo el núcleode un oocito no fecundado de una oveja y se reemplazó por el núcleo de una célula somáticaadulta. Se activó el oocito mediante un pulso eléctrico y el embrión resultante se implantó enel útero de una madre “adoptiva”. La oveja resultante tenía el genoma del donante de la cé-lula somática. Por lo tanto era un clon de esta oveja dadora. Con una aproximación parecida, denominada reproducción por clonación, se han obte-nido clones de diferentes mamíferos, como ratones, ratas, gatos, perros, cabras, cerdos, va-cas y caballos (véase la Figura 21–38). En todos los casos, la eficiencia es baja: la mayoría declones mueren antes de nacer y menos del 5% de ellos llega a adulto, probablemente debido célula somática característicaa que el núcleo somático trasplantado no se reprograma totalmente y expresa muchos genesde forma incorrecta. En esta apartado vamos a considerar brevemente algunas de las características espe-ciales de un oocito y después se estudiará cómo se prepara para la fecundación. oocito humano o de erizo de marUn oocito es una célula altamente especializadapara seguir un desarrollo independienteLos oocitos de la mayoría de animales son células gigantes. Contienen una gran cantidad dereservas de todos los nutrientes necesarios para el desarrollo inicial del embrión hasta quealcanza el estadio en el que el nuevo individuo sea capaz de alimentarse por sí mismo. Antes núcleode alcanzar este punto, la célula gigante se divide en muchas células más pequeñas, sin quese produzca crecimiento. El embrión de los mamíferos es una excepción. En este caso, el cre-cimiento del embrión se puede iniciar antes, ya que toma los nutrientes de la madre a través citoplasmade la placenta. Por esto los oocitos de mamífero, a pesar de ser células voluminosas, no ne-cesitan serlo tanto como, por ejemplo, los de una rana o los de un ave. En general, los ooci-tos son esféricos u ovoides, con un diámetro de 0,1 mm en los humanos y en los erizos demar (que son comestibles), de 1 mm a 2 mm en anfibios y peces, y de varios centímetros enaves y reptiles (Figura 21–20). Por el contrario, normalmente las células somáticas tienen un huevo característico de rana o de pezdiámetro de tan sólo entre 10 y 30 μm (Figura 21–21). 1 mm = 1000 μm El citoplasma de los oocitos maduros contiene reservas de nutrientes en forma de vitelo,el cual es rico en lípidos, proteínas y polisacáridos y por lo general se encuentra formando Figura 21–21 Tamaños relativos de variosunas estructuras específicas que se denominan plaquetas vitelinas. En algunas especies las oocitos comparados con el tamaño de unaplaquetas vitelinas presentan una membrana a su alrededor. En los oocitos que se desarro- célula somática típica.
  • 1288 Capítulo 21: La reproducción sexual: meiosis, células germinales y fecundación Figura 21–22 La zona pelúcida. (A) Electromicrografía de barrido de un oocito de hámster, mostrando la zona pelúcida. (B) Electromicrografía de barrido de un oocito similar en el que la zona pelúcida (a la que están adheridos muchos espermatozoides) se ha separado para poner de manifiesto la membrana plasmática subyacente que presenta numerosos microvillis. La zona ha sido sintetizada exclusivamente por el oocito en desarrollo. (De D.M. Phillips, J. Ultrastruct. Res.72:1-12, 1980. Con autorización de Elsevier.) (A) (B) 20 μm 20 μmllan fuera del cuerpo de la madre y dan lugar a organismos más o menos grandes, el vitelopuede constituir hasta el 95% del volumen de la célula. En los mamíferos, cuyos embrionesson alimentados durante bastante tiempo por sus madres a través de la placenta, hay muypoco vitelo si es que lo hay. La cubierta del oocito es otra de las características de los oocitos. Se trata de una espe-cialización de la matriz extracelular que está formada, en gran parte, por glucoproteínas, unassecretadas por el propio oocito y otras por las células acompañantes. En muchas especies, lacubierta principal es una capa adyacente a la membrana plasmática del oocito; en animalesno mamíferos, tales como los erizos de mar o las gallinas, se llama cubierta vitelina, mientrasque en los oocitos de los mamíferos se denomina zona pelúcida (Figura 21–22). Esta capaprotege al oocito de agresiones mecánicas y, en muchos casos, también actúa como una ba-rrera específica de cada especie para los espermatozoides, de forma que solamente admite losespermatozoides de la misma especie del oocito o de especies muy próximas. Muchos oocitos (incluidos los de los mamíferos) contienen vesículas secretoras espe-cializadas situadas inmediatamente por debajo de la membrana plasmática en la región másperiférica o córtex del citoplasma. Cuando un espermatozoide activa un oocito, se producela exocitosis de dichos gránulos corticales; el contenido liberado de los gránulos modifica lacubierta del oocito, de tal manera que impide que se fusione con más de un espermatozoi-de, evitando la polispermia. Los gránulos corticales están distribuidos de forma regular por todo el córtex del oocito.En muchos organismos, sin embargo, otros componentes citoplasmáticos del oocito pre-sentan una sorprendente distribución asimétrica. Algunos de estos componentes localiza-dos actuarán como determinantes de las células germinales (véase la Figura 21–16) oayudarán a establecer la polaridad del embrión, como se describirá en el Capítulo 22.Los oocitos se desarrollan por etapasUn oocito es un óvulo en desarrollo que se diferencia formando un óvulo maduro a través deuna serie de cambios progresivos. La duración de estos cambios está coordinada con las eta-pas de la meiosis, mediante la cual las células germinales experimentan dos divisiones ex-traordinariamente especializadas. Como se ha explicado los oocitos se mantienen en laprofase I durante un periodo largo de tiempo mientras crecen en tamaño y progresa su dife-renciación; en muchos casos, después de completar la meiosis I se paran de nuevo en meta-fase II esperando la fecundación (aunque también pueden detenerse en otros momentosdistintos, dependiendo de la especie de que se trate). Los detalles del desarrollo del oocito (oogénesis) varían según la especie. Sin embargo,las etapas principales son muy parecidas entre sí, como se muestra en la Figura 21–23. Lascélulas germinales primordiales migran hacia la gónada en formación convirtiéndose enoogonias, que proliferan mediante sucesivas mitosis antes de que comience la meiosis I, mo-mento en el que se denominan oocitos primarios; en los mamíferos este fenómeno se pro-duce por lo general antes del nacimiento. Como hemos indicado, antes de iniciarse lameiosis I, se produce la replicación del DNA, de manera que cada cromosoma está formadopor dos cromátidas hermanas; al inicio de la profase I, los cromosomas homólogos duplica-dos se emparejan a lo largo de su eje longitudinal y se producen los entrecruzamientos entrecromátidas no hermanas de cada par de cromosomas (véase la Figura 21–10). A continua-
  • OOCITOS 1289ción, la célula se mantiene parada después del diploteno de la profase I durante un periodo detiempo que varía desde algunos días hasta varios años, según la especie. Durante este largoperiodo (o en algunos casos, al llegar a la madurez sexual), los oocitos primarios sintetizanuna cubierta y los gránulos corticales. En el caso de los grandes oocitos de los animales nomamíferos, también se acumulan ribosomas, vitelo, glucógeno, lípidos y el mRNA que pos-teriormente dirigirá la síntesis de las proteínas necesarias para el crecimiento embrionariotemprano y el desarrollo. En muchos de estos oocitos, la gran actividad biosintética se reflejaen la estructura de los cromosomas, que se descondensan y forman bucles laterales, adqui-riendo un aspecto “plumulado” característico, lo que indica que los genes de los bucles estántranscribiendo de forma activa (véase Figuras 4–54 y 4–55). CÉLULA GERMINAL PRIMORDIAL ENTRADA EN LA GÓNADA OOGONIA MITOSIS LAS OOGONIAS DIPLOIDES PROLIFERAN POR DIVISIONES MITÓTICAS DENTRO DEL OVARIO INICIO DE LA MEIOSIS Figura 21–23 Etapas de la oogénesis. Las oogonias se forman a partir de las OOCITO PRIMARIO células germinales primordiales (PGC), que al principio de la embriogénesis migran LA MEIOSIS SE DETIENE DESPUÉS DEL DIPLOTENO DE LA PROFASE I, hacía la gónada en desarrollo. Para una mejor MIENTRAS CRECE EL OOCITO comprensión sólo se representan un par PRIMARIO de cromosomas homólogos. Tras un cierto número de divisiones mitóticas, las oogonias empiezan la división meiótica I, recibiendo entonces el nombre de oocitos primarios. MEIOSIS I CRECIMIENTO Y POSTERIOR En los mamíferos, los oocitos primarios se DESARROLLO DEL OOCITO forman muy temprano (entre los 3 y los 8 PRIMARIO meses de gestación en el embrión humano) y permanecen detenidos después del gránulos corticales diploteno de la profase I hasta que la hembra cubierta del oocito es sexualmente madura. En este momento, periódicamente un pequeño número de oocitos madura bajo influencia hormonal MADURACIÓN DEL OOCITO y completa la meiosis I convirtiéndose en PRIMARIO; CONCLUSIÓN DE LA MEIOSIS I oocitos secundarios, los cuales por último experimentan la división meiótica II primer y se transforman en óvulos maduros. corpúsculo El momento en que el oocito es liberado polar OOCITO SECUNDARIO del ovario y es fecundado varía de una especie a otra. En la mayoría de los vertebrados, la maduración de los oocitos CONCLUSIÓN DE LA MEIOSIS II está detenida en la metafase de la meiosis II; el oocito secundario sólo completa la meiosis II si es fecundado. Finalmente, los MEIOSIS II segundo corpúsculos polares degeneran. En la corpúsculo mayoría de animales, el oocito en polar ÓVULO desarrollo está rodeado por células accesorias especializadas que ayudan a aislarlo y a nutrirlo (no se muestran).
  • 1290 Capítulo 21: La reproducción sexual: meiosis, células germinales y fecundación La fase siguiente de la oogénesis, la maduración de los oocitos, por lo general no se pro- célula nodrizaduce hasta la madurez sexual, cuando las hormonas estimulan al oocito. Bajo la influencia célula folicular oocitohormonal, la célula reanuda la meiosis I. Los cromosomas vuelven a condensarse, se rompela envoltura nuclear, se ensambla el huso meiótico y los cromosomas homólogos replicadosse segregan en la anafase I en dos juegos cada uno de los cuales contiene la mitad del nú-mero inicial de cromosomas. Al finalizar la meiosis I, el citoplasma se divide, asimétrica-mente en dos, dando lugar a dos células de tamaño muy diferente: una es un pequeñocorpúsculo polar y la otra es un gran oocito secundario, el precursor del óvulo. En esta eta-pa, cada cromosoma está formado por dos cromátidas hermanas unidas entre sí por suscentrómeros. Las cromátidas hermanas no se separan hasta la anafase II, después de lo cualel citoplasma del gran oocito secundario se vuelve a dividir de forma asimétrica producien-do el óvulo (u oocito maduro) y un segundo corpúsculo polar, cada uno con una dotaciónhaploide de cromosomas (véase Figura 21–23). A causa de estas divisiones asimétricas de su 20 μm puente citoplasmáticocitoplasma, los óvulos mantienen su gran tamaño a pesar de experimentar dos divisionesmeióticas. Los dos corpúsculos polares son pequeños y, finalmente, degeneran. Figura 21–24 Células nodriza y células En la mayoría de los vertebrados, la oogénesis se desarrolla hasta la metafase de la meio- foliculares asociadas a un oocito desis II, momento en el que se detiene. En la ovulación, el oocito secundario se desprende del Drosophila. Las células nodriza y el oocitoovario apto para ser fecundado. Si se produce la fecundación, el oocito se desbloquea y se proceden de una misma oogonia, que dacompleta la meiosis transformándose en un óvulo. Cuando es fecundado se llama zigoto. lugar a un oocito y a 15 células nodriza (de las cuales en esta figura se observan solamente 7). Estas células permanecen unidas por puentes citoplasmáticos, queLos oocitos alcanzan su gran tamaño mediante mecanismos son el resultado de una división celularespeciales de crecimiento incompleta. Finalmente, las células nodriza descargan el contenido de su citoplasma enNormalmente, una célula somática de un diámetro de entre 10 y 20 μm necesita unas 24 horas el oocito y se autodestruyen. Las célulaspara duplicar su masa como preparación para la división. A esta velocidad de biosíntesis, esta foliculares se desarrollan de forma independiente a partir de las célulasmisma célula necesitaría mucho más tiempo para alcanzar la masa miles de veces mayor de del mesodermo.un oocito de mamífero de 100 μm de diámetro. Tardaría mucho más aún para tener la masaun millón de veces superior de un oocito de insecto de 1000 μm de diámetro. Sin embargoalgunos insectos viven sólo unos cuantos días y consiguen producir oocitos de un diámetroincluso más grande. Los oocitos necesitan mecanismos especiales para alcanzar su grantamaño. Una estrategia sencilla para crecer con rapidez consiste en disponer de copias extra degenes. La mayor parte del crecimiento de un oocito tiene lugar después de la replicación delDNA, durante la prolongada parada después del diploteno en la profase I, cuando el juego decromosomas diploides se ha duplicado (véase Figura 21–23). De esta forma dispone de doblecantidad de DNA para la síntesis de RNA en comparación con una célula somática en fase G1del ciclo celular. Los oocitos de algunas especies van más allá, acumulando DNA extra: pro-ducen muchas copias extras de determinados genes. En el Capítulo 6 hemos visto que lascélulas somáticas de la mayoría de organismos contienen de 100 a 500 copias de los genesque codifican el RNA ribosómico para producir suficiente cantidad de ribosomas para la sín-tesis proteica. Los oocitos necesitan más ribosomas para atender el incremento de la sínte-sis proteica durante la embriogénesis temprana, por lo que en los oocitos de muchosanimales los genes del RNA ribosómico están especialmente amplificados; por ejemplo, losoocitos de algunos anfibios contienen entre 1 y 2 millones de copias de estos genes. Los oocitos, para su crecimiento, también dependen de la actividad sintetizadora deotras células. El vitelo, por ejemplo, se sintetiza por lo general fuera del ovario y luego el oo-cito lo incorpora. En aves, anfibios e insectos, las proteínas del vitelo se sintetizan en el hí-gado (o en un órgano equivalente) y son vertidas a la sangre. En los ovarios, los oocitosimportan las proteínas vitelínicas de la matriz extracelular a través de un mecanismo de en-docitosis mediada por receptor (véase Figura 13–46). Los nutrientes también pueden proce-der de las células accesorias del ovario. Existen dos tipos de estas células. En algunosinvertebrados, determinadas células de la progenie de las oogonias se transforman en célu-las nodriza en lugar de convertirse en oocitos. Estas células están conectadas al oocito me-diante puentes citoplasmáticos permitiendo que las macromoléculas pasen de formadirecta desde las células nodriza al oocito (Figura 21–24). Las células nodriza de los oocitosde los insectos sintetizan muchos de los productos –ribosomas, mRNA, proteínas y otrasmoléculas– que los oocitos de los vertebrados tienen que sintetizar por sí mismos. Tanto en invertebrados como en vertebrados, otras células accesorias del ovario quecolaboran en la nutrición de los oocitos en desarrollo son células somáticas denominadascélulas foliculares, que rodean cada uno de los oocitos,. Se disponen como una capa de cé-lulas epiteliales alrededor del oocito (Figura 21–25 y véase la Figura 21–24) y están conecta-
  • OOCITOS 1291 tejido conjuntivo lámina basal citoplasma del oocito núcleo del oocito células de la granulosa zona pelúcida células foliculares(A) (B) 10 μm 50 μmdas entre sí y con el oocito mediante uniones de tipo gap que permiten el intercambio de Figura 21–25 Electromicrografía de oocitosmoléculas pequeñas pero no de macromoléculas (tratado en el Capítulo 19). Estas células no primarios en desarrollo en el ovario de unapueden proporcionar macromoléculas al oocito a través de estas uniones de comunicación, hembra de conejo. (A) Estadio inicial de un oocito primario en desarrollo. Todavía nopero pueden colaborar suministrando los precursores, de menor tamaño, a partir de los cua- se han formado ni la zona pelúcida ni losles se sintetizan las macromoléculas. La importancia crítica de las uniones en hendidura se gránulos corticales y el oocito está rodeadoha demostrado en el ovario de ratón, donde las proteínas de estas uniones (conexinas) im- por una monocapa de células folicularesplicadas en la conexión de las células foliculares entre sí son distintas de las que conectan a planas. (B) Oocito primario más maduro,las células foliculares con los oocitos. Si, en el ratón se bloquean los genes que codifican observado a un aumento seis veces menor,alguna de estas proteínas, ni las células foliculares ni los oocitos se desarrollan con nor- debido a que es mucho más grande quemalidad y la hembra resulta estéril. En muchas especies, las células foliculares secretan ma- el oocito de (A). Este oocito presenta unacromoléculas que contribuyen a la formación de la cubierta del oocito, o son incorporadas delgada zona pelúcida y está rodeadopor el oocito en crecimiento por endocitosis mediada por receptor o actúan como recepto- por varias capas de células folicularesres de la superficie celular del oocito controlando el patrón espacial y las asimetrías axiales (denominadas células de la granulosa) y una lámina basal que lo aíslan de las otras célulasde los oocitos (se trata en el Capítulo 22). del ovario. Las células de la granulosa están La comunicación entre los oocitos y sus células foliculares se produce en ambos senti- conectadas entre sí y con el oocito mediantedos. El patrón temporal del proceso de desarrollo en los dos grupos de células está coordi- uniones de tipo gap. (De The Cellular Basis ofnado y parece que depende de las señales emitidas por el oocito hacia las células foliculares. Mammalian Reproduction [J. Van BlerkomEn experimentos en los que se han combinado oocitos jóvenes con células foliculares más y P. Motta eds.]. Baltimore-Munich: Urban &maduras, o viceversa, se observa que un programa intrínseco de desarrollo del oocito con- Schwarzenberg, 1979.)trola la velocidad del desarrollo de las células foliculares.La mayor parte de los oocitos humanos muerensin llegar a madurarLa Figura 21–26 resume los estadios del desarrollo de los oocitos humanos en el ovario. Enlas niñas recién nacidas la mayoría de los oocitos están rodeados por una capa de una solafila de células foliculares. Uno de estos oocitos junto con sus células foliculares se denominafolículo primordial (véase la Figura 21–25A). De forma periódica, empezando algunas vecesantes del nacimiento, una pequeña proporción de los folículos primordiales comienzan acrecer convirtiéndose en folículos en desarrollo, en los que hay muchas capas de células fo-liculares (ahora reciben el nombre de células de la granulosa) rodeando al oocito en creci-miento (véase la Figura 21– 25B). Se desconocen las causas por las cuales algunos folículosprimordiales empiezan a crecer. Algunos de estos folículos en desarrollo llegan a formar unacavidad llena con un líquido folicular, el antro, y se convierten en folículos antrales. Después de la pubertad, aproximadamente una vez cada mes, la pituitaria secreta unaola de la hormona folículo estimulante (FSH: follicle stimulating hormone), que acelera elcrecimiento de unos 10 o 12 folículos antrales. Uno de ellos domina sobre los demás y, haciala mitad del ciclo menstrual, la secreción de FSH y de la hormona luteinizante (LH: luteini-
  • 1292 Capítulo 21: La reproducción sexual: meiosis, células germinales y fecundación lámina cuerpo células basal lúteooocito primario de la teca gránulosdetenido en la corticales antroprofase I antro la ola de la ola de FSH induce FSH+LHcélulas foliculares células de la el crecimiento desencadena de 10-12 la maduración zona pelúcida granulosa folículos y la ovulación primer oocito corpúsculo antrales, del oocito primario polar uno de ellos dominante domina sobre los demás oocito secundario superficie del ovario FOLÍCULO FOLÍCULO PRIMORDIAL EN CRECIMIENTO FOLÍCULO ANTRAL FOLÍCULO ANTRAL DOMINANTE FOLÍCULO ROTOzing hormone) desencadena la ovulación: el oocito primario dominante concluye la meiosis Figura 21–26 Las fases del desarrollo de unI, y el oocito secundario resultante se detiene en la metafase II; rápidamente el folículo au- oocito humano. Obsérvese que durante lamenta de volumen y se rompe en la superficie del ovario, liberando el oocito secundario, ro- mayor parte de su desarrollo el oocito estádeado por una cubierta de células de la granulosa envueltas por una matriz gelatinosa rica rodeado por las células de la granulosa (en verde), separadas de la capa interna deen ácido hialurónico. El oocito desprendido sólo completa la meiosis II, en un día o poco células de la teca (en azul) por una láminamás, si es fecundado por un espermatozoide. basal intermedia (en negro). Después de la Hasta ahora se ignora por qué en el momento de la ola mensual de FSH sólo son esti- ovulación, el folículo vacío se transforma enmulados a acelerar su crecimiento una pequeña proporción de los numerosos folículos an- una estructura endocrina, el cuerpo lúteo, quetrales presentes en los ovarios, y por qué solamente uno de ellos madura liberando su oocito, secreta progesterona preparando el úteromientras que el resto degeneran. Cuando el folículo ha alcanzado un determinado grado de para el embarazo. Si no se produce lamaduración, actúan algunos mecanismos de retroalimentación asegurando que ninguno fecundación, el cuerpo lúteo degenerade los demás folículos complete la maduración y sea ovulado durante este ciclo. Sea cual sea y la mucosa del útero se desprende en elel mecanismo, el resultado es que durante los 40 años o más que dura el periodo fértil de la transcurso de la menstruación.vida de una mujer sólo serán ovulados de 400 a 500 oocitos. Los otros millones de oocitosprimarios restantes presentes en el momento del nacimiento mueren sin madurar. Todavíano comprendemos por qué se han formado tantos oocitos sólo para morir en los ovarios.ResumenLos oocitos se desarrollan por etapas a partir de las células germinales primordiales (PGC) que mi-gran a la gónada en formación, donde se transforman en oogonias. Después de la proliferaciónmitótica, las oogonias inician la división meiótica I, momento en el que se denominan oocitos pri-marios. Después del diploteno de la profase I se mantienen paradas durante días o años, según lasespecies. Durante este periodo de paro, los oocitos primarios crecen, sintetizan una cubierta, y acu-mulan ribosomas, mRNA y proteínas, a menudo con la colaboración de otras células, como las cé-lulas foliculares que los rodean. Para que se produzca un crecimiento y un desarrollo correctos esnecesario que se establezca una señalización en ambos sentidos entre los oocitos y sus células folicu-lares. El proceso de maduración de los oocitos es inducido por hormonas. Los oocitos primarios com-pletan la meiosis I formando un pequeño corpúsculo polar y un gran oocito secundario, queprosigue hasta la metafase de la meiosis II. En la mayoría de los vertebrados, el oocito secundario semantiene en esta fase hasta que, estimulado por la fecundación, completa la meiosis e inicia eldesarrollo embrionario.ESPERMATOZOIDESEn la mayoría de especies existen dos tipos de gametos que son radicalmente distintos. Eloocito es una de las células más voluminosas del organismo, mientras que el espermato-zoide es probablemente una de las células más pequeñas. El oocito y el espermatozoide es-tán optimizados en sentidos diferentes para la transmisión de los genes que transportan. Eloocito es una célula inmóvil que asegura la supervivencia de los genes maternos medianteuna gran cantidad de materia prima para el crecimiento y el desarrollo del embrión, juntocon una eficaz cubierta protectora. El espermatozoide, por el contrario, está preparado pa-
  • ESPERMATOZOIDES 1293ra la propagación de los genes paternos utilizando las reservas maternas: es una célula ex-traordinariamente móvil e hidrodinámica lo que le proporciona velocidad y eficacia para la vesícula acrosómica cabezafecundación. La competencia entre los espermatozoides es intensa y la mayoría de ellos núcleo haploidefracasan en su misión: de los miles de millones de espermatozoides que son liberados du-rante el periodo fértil de la vida de un hombre, sólo unos cuantos llegarán a fecundar unoocito. pieza mediaLos espermatozoides están extraordinariamenteespecializados para transmitir su DNA a un oocito mitocondriaEn general, los espermatozoides son células “despojadas” de estructuras celulares. Presentanun potente flagelo que les impulsa para desplazarse en un medio acuoso, pero carecen deorgánulos citoplasmáticos como ribosomas, retículo endoplasmático o complejo de Golgi, membrana plasmáticaya que no los necesitan para transmitir el DNA al oocito. Sin embargo, contienen muchasmitocondrias colocadas de forma estratégica donde pueden proporcionar, con una gran efi- colaciencia, la energía que necesita el flagelo para su movimiento. Un espermatozoide está for-mado normalmente por dos regiones distintas en términos morfológicos y funcional,limitadas por una membrana plasmática única. Estas regiones son la cola, que impulsa elespermatozoide hacia el oocito y le ayuda a atravesar la cubierta oocitaria, y la cabeza, don-de se encuentra el núcleo haploide (Figura 21–27). El DNA del núcleo está fuertemente em-paquetado, de modo que su volumen queda reducido al mínimo facilitando su transporte flageloy no permitiendo la transcripción. En muchas especies, los cromosomas de los espermato-zoides carecen de las histonas que presentan las células somáticas y en su lugar están em-paquetados por unas proteínas de elevada carga positiva llamadas protaminas, así como porhistonas espermáticas específicas. En la cabeza de los espermatozoides de muchos animales existe una vesícula secretora 10 μmmuy especializada, en estrecha aposición con la parte anterior de la envoltura nuclear, es lavesícula acrosómica. Esta vesícula contiene enzimas hidrolíticas que facilitan el paso del es-permatozoide a través de la envoltura externa del oocito. Cuando un espermatozoide entra Figura 21–27 Espermatozoide humano. Esquema de la sección longitudinal.en contacto con la cubierta del oocito, el contenido de la vesícula se libera por exocitosis, esla denominada reacción acrosómica. Esta reacción es necesaria para que el espermatozoidese una a la cubierta, pase a su través y se fusione con el oocito. La cola móvil de un espermatozoide es un largo flagelo, cuyo axonema emerge de un microtúbulos del axonemacorpúsculo basal situado justo detrás del núcleo. Como se describe en el Capítulo 16, el axo- mitocondrianema está formado por dos microtúbulos centrales rodeados por nueve dobletes de micro-túbulos dispuestos en orden. El flagelo de algunos espermatozoides (incluido el de losmamíferos) se diferencia de los otros flagelos en que el habitual patrón 9+2 microtúbulosestá rodeado además por nueve fibras densas externas (Figura 21–28). Las fibras densas sonrígidas, no se contraen y parece que reducen la flexibilidad del flagelo y lo protegen de posi-bles roturas: defectos en estas fibras determinan espermatozoides de morfología anormal yconducen a la infertilidad. El movimiento flagelar se produce por el deslizamiento entre losdobletes adyacentes de microtúbulos y está impulsado por la dineína, proteína motora queutiliza la energía de la hidrólisis del ATP para el deslizamiento de los microtúbulos. El ATP logeneran las mitocondrias especializadas de la parte anterior de la cola del espermatozoide(denominada la pieza intermedia), que es donde se necesita. membrana plasmática fibras densas exterioresLos espermatozoides se producen en los testículos 0,5 μmde los mamíferos de manera continuada Figura 21–28 Dibujo de la sección transversalA diferencia de los oocitos, que comienzan la meiosis antes del nacimiento y se paran después de la pieza media de un espermatozoide dedel diploteno de la profase I hasta que la mujer llega a la pubertad, en el hombre la meiosis y la mamífero. El centro del flagelo está formadoproducción de espermatozoides (espermatogénesis) no se inicia hasta la pubertad. A partir por un axonema rodeado por nuevede este momento se producen de manera continua en el epitelio que forma la pared de unos fibras densas. El axonema comprendelargos y enrollados tubos del testículo, llamados tubos seminíferos. Las células germinales in- dos microtúbulos sencillos rodeadosmaduras, las espermatogonias, se localizan alrededor del límite externo de estos tubos junto a por nueve dobletes de microtúbulos. Las mitocondrias (en verde) están bienla lámina basal (Figura 21–29A). La mayoría de estas células se dividen un número limitado de situadas para proporcionar el ATP necesarioveces por mitosis, antes de dejar de proliferar e inician la meiosis I, momento en el que se de- para el movimiento flagelar; se distribuyennominan espermatocitos primarios. Los espermatocitos primarios dan lugar a los espermatoci- en una disposición espiral poco habitual,tos secundarios que se diferencian en espermátidas y finalmente en espermatozoides alrededor del axonema (véase Figura 21–27).
  • 1294 Capítulo 21: La reproducción sexual: meiosis, células germinales y fecundación célula de Sertoli espermatogonia lámina basal MITOSIS espermatogonia espermatocito primario MEIOSIS I 200 μm lumen espermatocito secundario espermátida MEIOSIS II espermátida diferenciándose célula lámina basal células de Leydig de Sertoli espermatozoide rodeando en el lumen el túbulo seminífero (A) (B)(Figura 21–29B). Una pequeña proporción de espermatogonias actúan como células madre, Figura 21–29 Dibujos muy simplificados deque se dividen lentamente por mitosis durante toda la vida, produciendo células hijas que se la sección transversal de un tubo seminíferomantienen como células madre o se comprometen en la maduración. de testículo de mamífero. (A) Todas las fases de la espermatogénesis que se muestran En la Figura 21–30 se representan las etapas de la espermatogénesis y su relación con la tienen lugar mientras las células germinalesmeiosis. Durante la profase I, los cromosomas homólogos apareados experimentan entre- primordiales en desarrollo están en íntimacruzamientos. Los espermatocitos primarios completan la meiosis I produciendo dos es- asociación con las células de Sertoli.permatocitos secundarios, cada uno de los cuales contiene 22 cromosomas autosómicos Las células de Sertoli dirigen la diferenciaciónduplicados y un cromosoma X duplicado o un cromosoma Y duplicado. Los dos esperma- sexual en la línea germinal masculina. Estastocitos secundarios derivados de cada espermatocito primario entran en la meiosis II pro- grandes células se extienden desde la láminaduciendo cuatro espermátidas, cada una de las cuales contiene un número haploide de basal hasta el lumen de los tubos seminíferos;cromosomas sencillos. Entonces, las espermátidas haploides experimentan grandes cam- son necesarias para la supervivencia de lasbios morfológicos hasta diferenciarse en espermatozoides, que son liberados a la luz del espermatogonias y son análogas a las célulastubo seminífero. A continuación, los espermatozoides pasan al epidídimo, que es un tubo foliculares del ovario (véase Figura 21–19). La espermatogénesis también dependemuy largo y muy replegado, que se encuentra junto al testículo, donde se almacenan y don- de la testosterona secretada por las célulasde madurarán. Los espermatozoides almacenados no están en condiciones todavía para fe- de Leydig situadas entre los tuboscundar un oocito; como se describirá más adelante tienen que terminar de madurar en el seminíferos. (B) Las espermatogonias setracto genital femenino– proceso que se llama capacitación. dividen por mitosis en la periferia de los tubos seminíferos. Algunas de ellas entran en la meiosis I transformándose enLos espermatozoides se desarrollan como un sincitio espermatocitos primarios; al concluir la meiosis I, se transforman en espermatocitosUn rasgo interesante de la espermatogénesis es que cuando una espermatogonia ha em- secundarios. Los espermatocitos secundariospezado el proceso de maduración, las células de su descendencia no completan la división completan la meiosis II transformándosecitoplasmática (citocinesis) ni durante la mitosis ni durante la meiosis. Por consiguiente, en espermátidas, que se diferencian en espermatozoides y son liberados a la luzgrandes clones de células hijas diferenciadas descendientes de una espermatogonia madura del tubo seminífero (véase Figura 21–30).permanecen conectadas por puentes citoplasmáticos y forman un sincitio (Figura 21–31). En el hombre, tienen que pasar unos 24 díasLos puentes citoplasmáticos se mantienen hasta el final de la diferenciación de los esper- desde que una espermatogonia comienza lamatozoides, cuando éstos son liberados a la luz del tubo seminífero. El resultado es que se meiosis hasta que llega a espermátida, y otrasproducen espermatozoides maduros sincrónicamente en cualquier área del tubo seminífero. 5 semanas para que una espermátida se¿Cuál es la función de esta organización sincitial? convierta en un espermatozoide. Anteriormente hemos visto que los oocitos crecen y se diferencian mientras contienenun juego diploide de cromosomas duplicados. Los espermatozoides, en cambio, no crecen
  • ESPERMATOZOIDES 1295ni experimentan diferenciación alguna hasta que su núcleo ha concluido la meiosis y setransforma en un núcleo haploide. La presencia de puentes citoplasmáticos entre ellos sig-nifica que cada espermatozoide haploide en desarrollo comparte un citoplasma común consus vecinos. De esta manera, puede disponer de todos los componentes de un genoma di-ploide completo. Por ejemplo, el espermatozoide en desarrollo que transporta el cromoso-ma Y puede disponer de las proteínas esenciales codificadas por los genes del cromosoma X.Así pues, el genoma diploide dirige la diferenciación de los espermatozoides como ocurre enla diferenciación de los oocitos. Algunos de los genes que regulan la espermatogénesis se han conservado a lo largo de laevolución desde las moscas hasta los seres humanos. Los genes Daz, por ejemplo, codifican CÉLULAS GERMINALES PRIMORDIALES ENTRADA EN LA GÓNADA ESPERMATOGONIAS MITOSIS ESPERMATOGONIAS DIPLOIDES PROLIFERANDO MEDIANTE MITOSIS EN EL TESTÍCULO Figura 21–30 Etapas de la espermatogénesis. Las espermatogonias se forman a partir de ENTRADA EN LA MEIOSIS las células germinales primordiales (PGC) que migran a la gónada en desarrollo en las primeras etapas de la embriogénesis. Cuando el animal alcanza la madurez sexual, ESPERMATOCITOS PRIMARIOS las espermatogonias empiezan a proliferar MEIOSIS I rápidamente por mitosis. Algunas mantienen la capacidad de dividirse de forma indefinida CONCLUSIÓN DE LA MEIOSIS I (como células madre de las espermatogonias). Otras (espermatogonias en maduración) experimentan un número limitado de ciclos mitóticos, antes de comenzar la meiosis ESPERMATOCITOS transformándose en espermatocitos que SECUNDARIOS se convierten en espermátidas haploides y después en espermatozoides. La espermatogénesis se diferencia de la CONCLUSIÓN DE LA MEIOSIS II oogénesis (véase Figura 21–23) en varios aspectos. (1) A partir de la pubertad, se MEIOSIS II producen continuamente nuevas células que inician la meiosis. (2) Cada célula que empieza la meiosis da lugar a cuatro gametos maduros y no a uno solo. ESPERMÁTIDAS (3) Los espermatozoides maduros se forman mediante un elaborado proceso de diferenciación celular que empieza cuando DIFERENCIACIÓN acaba la meiosis. (4) Se dan aproximadamente doble número de divisiones en la producción ESPERMATOZOIDES de un espermatozoide que en la producción MADUROS de un oocito. En el ratón, por ejemplo, se ha calculado que por término medio se producen unas 56 divisiones del zigoto al espermatozoide maduro y alrededor de 27 del zigoto al oocito maduro.
  • 1296 Capítulo 21: La reproducción sexual: meiosis, células germinales y fecundación Figura 21–31 Puentes citoplasmáticos espermatogonia entre los espermatozoides en desarrollo y sus precursores. Por lo general, la células MITOSIS descendientes de una espermatogonia madura permanecen conectadas entre espermatogonias sí por puentes citoplasmáticos durante su diferenciación hasta espermatozoides maduros. Para mejor comprensión sólo se muestra la entrada en la meiosis de dos espermatocitos espermatogonias maduras unidas, que primarios producen ocho espermátidas haploides también unidas. En realidad, el número MEIOSIS I de células conectadas que pasan por las dos divisiones meióticas y se diferencian espermatocitos sincrónicamente es mucho mayor del que secundarios se representa. Es interesante señalar que en el proceso de diferenciación, la mayor MEIOSIS II puentes citoplasmáticos parte del citoplasma de las espermátidas se separa en forma de cuerpos residuales que espermátidas son fagocitados por las células de Sertoli. espermátida en diferenciación cuerpos residuales + espermatozoides madurosproteínas de unión a RNA y que se localizan agrupados en el cromosoma Y humano. Estaagrupación falta en muchos hombres infértiles, la mayoría de los cuales no pueden producirespermatozoides. Un gen de Drosophila homólogo al gen humano Daz también es esencialpara la espermatogénesis en esta especie: los machos de las moscas deficientes en Daz sonestériles, pero sorprendentemente pueden curarse mediante un transgen Daz humano. Lasproteínas de unión a RNA son especialmente importantes en la espermatogénesis porquemuchos de los genes expresados en la línea espermática están regulados a nivel de la tra-ducción del RNA.ResumenNormalmente un espermatozoide es una célula pequeña, compacta y extraordinariamente especia-lizada, que lleva a cabo la fecundación de un oocito. Mientras que en las mujeres la cantidad total deoocitos se produce antes del nacimiento, en los hombres las espermatogonias sólo entran en la meio-sis para producir espermatocitos (y espermatozoides) después de la maduración sexual y el procesoes continuo a partir de este momento. Cada espermatocito primario diploide produce cuatro esper-matozoides maduros haploides. El proceso de la diferenciación de los espermatozoides tiene lugar alfinalizar la meiosis, lo cual en el hombre dura cinco semanas. Las espermatogonias maduras y losespermatocitos no llevan a cabo la citocinesis por lo que la descendencia de una espermatogonia sedesarrolla como un gran sincitio. De esta manera, los productos codificados por los cromosomas de
  • FECUNDACIÓN 1297ambos progenitores dirigen la diferenciación de los espermatozoides, aunque cada núcleo espermá-tico sea haploide.FECUNDACIÓNUna vez liberados, tanto los oocitos como los espermatozoides están destinados a morir encuestión de horas o incluso minutos a menos que se encuentren y se fusionen entre sí en el pro-ceso de la fecundación. Mediante la fecundación, los oocitos y los espermatozoides se salvan:los oocitos se activan empezando su programa de desarrollo y los núcleos haploides de los dosgametos se fusionan formando el genoma de un nuevo organismo diploide. La fecundación hasido ampliamente estudiada en invertebrados marinos como los erizos y las estrellas de mar, enlos que la fecundación se produce en el agua del mar en la que se liberan grandes cantidadestanto de espermatozoides como de oocitos. Se trata de una fecundación externa que es muchomás fácil de estudiar que la fecundación interna de los mamíferos, que por lo general tiene lu-gar en el tracto reproductor de la hembra después del apareamiento. Sin embargo, a finales dela década de 1950, se logró fecundar oocitos de mamífero in vitro, abriéndose la vía para anali-zar las células y los procesos moleculares de la fecundación de los mamíferos. En este apartado, nos centraremos en la fecundación de los mamíferos. Empezamospor considerar la maduración de los espermatozoides que se produce durante su paso por eltracto genital femenino. A continuación se describe el contacto de los espermatozoides conla cubierta del oocito (zona pelúcida), que induce la reacción acrosómica necesaria para quelos espermatozoides se abran paso a través de la zona y se fusionen con el oocito. La unióndel espermatozoide con la membrana plasmática del oocito y la consiguiente fusión de am-bas membranas. Después se analizará cómo la fusión de un espermatozoide activa el ooci-to y como los núcleos haploides de los dos gametos se fusionan en el zigoto, completando lafecundación. Finalmente revisaremos las técnicas más recientes de reproducción asistidaque han revolucionado el tratamiento de la infertilidad humana y han abierto nuevas vías demanipulación del proceso reproductivo.Los espermatozoides eyaculados alcanzan la capacitaciónen el tracto genital femeninoDe los 300 millones de espermatozoides humanos eyaculados en un coito, sólo unos 200alcanzarán el lugar adecuado para la fecundación en el oviducto. Cuando el espermatozoideha alcanzado el oocito, pasa la capa de células foliculares que lo rodean y se une y atraviesala zona pelúcida. Finalmente, el espermatozoide puede unirse y fusionarse con la membranaplasmática del oocito. Los espermatozoides eyaculados de los mamíferos no son competentes inicialmentepara llevar a cabo estas funciones. Tienen que ser modificados a su paso por el tracto genitalfemenino. Este proceso es necesario para que los espermatozoides adquieran la capacidadde fecundar un oocito y se denomina capacitación. En el hombre dura unas 5 o 6 horas y secompleta cuando el espermatozoide llega al oviducto. Los espermatozoides experimentancambios bioquímicos y funcionales, incluyendo cambios en glicoproteínas, lípidos, canalesiónicos de la membrana plasmática y un importante cambio en el potencial de reposo deesta membrana (el potencial de membrana pasa a ser más negativo de manera que la mem-brana se hiperpolariza). La capacitación está asociada también a un aumento del pH citosó-lico, a la fosforilación de tirosinas de varias proteínas espermáticas y al desenmascaramientode receptores de la superficie celular que contribuyen a la unión de los espermatozoides a lazona pelúcida. La capacitación altera dos aspectos importantes del comportamiento de losespermatozoides: aumenta de manera considerable la motilidad del flagelo y hace que seancapaces de llevar a cabo la reacción acrosómica. La capacitación puede producirse in vitro en condiciones de cultivo apropiadas y habi-tualmente es un requerimiento en los procesos de fecundación in vitro. Son necesarios trescomponentes en el medio, los cuales se encuentran en concentraciones muy altas en el trac-to genital femenino de albúmina, Ca2+ y HCO3–. La albúmina ayuda a extraer el colesterol dela membrana plasmática mediante el aumento de su capacidad para fusionarse con la mem-brana del acrosoma durante la reacción acrosómica. El Ca2+ y el HCO3– entran en el esper-matozoide y activan de forma directa una enzima adenil ciclasa soluble del citosol queproduce AMP cíclico (tratado en el Capítulo 15), que facilita el inicio de muchos de los cam-bios asociados con la capacitación.
  • 1298 Capítulo 21: La reproducción sexual: meiosis, células germinales y fecundaciónLos espermatozoides capacitados se adhieren a la zona pelúciday experimentan la reacción acrosómicaDurante la ovulación, los oocitos de los mamíferos son liberados desde el ovario a la cavidadperitoneal junto a la entrada del oviducto, donde se introducen inmediatamente. Están re-cubiertos por varias capas de células de la granulosa inmersas en una matriz extracelularmuy rica en ácido hialurónico (se describe en el Capítulo 19). Las células de la granulosapueden ayudar a entrar a los oocitos en el oviducto y además pueden segregar señales quí-micas no identificadas que atraen a los espermatozoides hacia el oocito. Cuando un espermatozoide capacitado encuentra un oocito, en primer lugar tiene quepenetrar las capas de células de la granulosa utilizando una enzima hialorunidasa de la su-perficie del espermatozoide. A continuación puede adherirse a la zona pelúcida (véaseFigura 21–22). Normalmente esta zona actúa como una barrera de fecundación entre espe-cies, de manera que a menudo al eliminarla desaparece esta barrera. Por ejemplo, los es-permatozoides humanos pueden fecundar oocitos de hámster cuya zona se ha disueltomediante enzimas específicas; sin embargo, los zigotos híbridos resultantes no llegan a de- 5 μmsarrollarse. Algunas veces se utilizan los oocitos de hámster despojados de la zona pelúcidaen estudios clínicos de infertilidad para valorar la capacidad fecundante de los espermato- Figura 21–32 Electromicrografía de barrido de un espermatozoide humano en contactozoides humanos in vitro (Figura 21–32). con un oocito de hámster. Se ha eliminado La zona pelúcida de los oocitos de los mamíferos está formada sobre todo por tres gli- la zona pelúcida del oocito, quedando alcoproteínas, producidas exclusivamente por los oocitos en crecimiento. Dos de ellas, ZP2 y descubierto la membrana plasmática queZP3, se ensamblan formando largos filamentos, mientras la otra, ZP1, entrecruza los fila- presenta numerosos microvilli. La capacidadmentos formando una red tridimensional. La proteína ZP3 es crucial: las hembras de ratón de un espermatozoide para penetrar uncon un gen Zp3 inactivo producen oocitos que carecen de zona pelúcida y son infértiles. ZP3 oocito de hámster se utiliza como pruebaes responsable, por lo menos en ratón, de la unión específica del espermatozoide a la zona. de fecundidad masculina; una penetraciónOligosacáridos unidos a ZP3 se consideran parcialmente responsables de las uniones espe- de 10 al 25% de los oocitos se considera uncíficas de especie entre espermatozoides y la zona pelúcida. La unión de los espermatozoides valor normal. (Cortesía de David M. Phillips.)a la zona es compleja e intervienen mecanismos tanto dependientes como independientesde ZP3, así como varias proteínas de la superficie del espermatozoide. La zona pelúcida induce la reacción acrosómica del espermatozoide y se produce la li-beración del contenido del acrosoma mediante exocitosis (Figura 21–33). La reacción acro-sómica es indispensable para la fecundación, ya que expone varias enzimas hidrolíticas queal parecer facilitan el paso del espermatozoide a través de la zona pelúcida y alteran la su-perficie del espermatozoide para que pueda unirse y fusionarse con la membrana plasmáti-ca del oocito, como se describirá más adelante. En estudios in vitro, la ZP3 purificada puededesencadenar la reacción acrosómica, posiblemente mediante la activación de un receptorde tipo lectina de la superficie del espermatozoide, que al parecer es una forma transmem-brana de la enzima galactosiltransferasa. La activación del receptor conduce a un aumentode la concentración de Ca2+ en el citosol del espermatozoide, que inicia la exocitosis.Todavía no se conoce el mecanismo de la fusiónespermatozoide-oocitoDespués de la reacción acrosómica, el espermatozoide penetra en la zona pelúcida y se unea la membrana plasmática del oocito, entrando en contacto con los extremos de los micro-villi de su superficie (véase Figura 21–32). El espermatozoide se adhiere al principio por suextremo y después por su superficie lateral (véase Figura 21–33). Rápidamente los microvillivecinos se alargan y rodean al espermatozoide, asegurando que permanezca unido con fuer-za y que pueda fusionarse con el oocito. Tras la fusión, todo el contenido del espermatozoi-de se introduce en el oocito y los microvilli se reabsorben. Los mecanismos moleculares responsables de la unión y fusión de espermatozoide-ooci-to son muy poco conocidos, aunque después de numerosos intentos fallidos se han loca-lizado dos proteínas de membrana que son necesarias para la fusión. Una es una proteínatransmembrana de la superfamilia de las inmunoglobulinas, específica de los espermato-zoides, denominada Izumo (en honor al nombre de un lugar sagrado japonés dedicado almatrimonio). Aparece en la superficie de los espermatozoides de ratón y humanos durantela reacción acrosómica. Los anticuerpos anti-Izumo bloquean la fusión y los espermatozoi-de de ratones deficientes en la expresión de Izumo no pueden fusionarse con oocitos nor-males, pero todavía no se conoce como Izumo propicia la fusión espermatozoide-oocito. Laúnica proteína de la superficie del oocito que se ha demostrado necesaria para la fusión conun espermatozoide es la proteína CD9, que es de la familia de las tetraspaninas, llamadas así
  • FECUNDACIÓN 1299porque tienen cuatro segmentos que atraviesan la membrana. Los espermatozoides norma-les no se fusionan con oocitos de ratón deficientes en CD9, indicando que la fusión depen-de de CD9 pero no se sabe cómo. CD9 no actúa sola en la superficie del oocito favoreciendola fusión: los espermatozoides normales también fracasan con oocitos tratados con una en-zima que destruye proteínas adheridas a la membrana plasmática mediante un anclajeglicosilfosfatidilinositol (GPI: glycosylphosphatidylinositol; tratado en el Capítulo 10), indi-cando que son necesarias una o más proteínas de unión a GPI para la fusión aunque todavíano han sido identificadas.La fusión con un espermatozoide activa el oocitomediante un aumento del Ca2+ citosólicoLa fusión con un espermatozoide activa al oocito y provoca que los gránulos corticales libe-ren su contenido por exocitosis, proceso que se llama reacción cortical. Se reanuda la meio-sis que estaba detenida en la metafase II, produciéndose un segundo corpúsculo polar y unzigoto que comienza a desarrollarse. El incremento de la concentración de Ca2+ en el citosol de los oocitos fecundados de-sencadena todos estos procesos. <AGGA> Si la concentración de Ca2+ en el citosol de unoocito no fecundado aumenta de forma artificial, directamente por inyección de Ca2+ o in-directamente utilizando un ionóforo transportador de Ca2+ (tratado en el Capítulo 11), losoocitos de todos los animales en los que se ha probado, incluidos los mamíferos, se activan.Por el contrario, impidiendo el aumento de Ca2+ con la inyección de EGTA, quelante de Ca2+,se inhibe la activación del oocito en respuesta a la fecundación. Cuando el espermatozoide se fusiona con la membrana plasmática del oocito de ma-nera normal, provoca un incremento local de Ca2+ citosólico, que se extiende por la célulacomo una ola (véase Figura 15–40). La ola se propaga gracias a una retroalimentación posi-tiva: el aumento de Ca2+ citosólico causa la abertura de canales de Ca2+, lo cual permite queentre más Ca2+ en el citosol. En general, a la ola inicial de Ca2+ liberado le siguen, al cabode unos minutos, oscilaciones de Ca2+ (tratado en el Capítulo 15), que persisten durantevarias horas. La fusión con el espermatozoide desencadena la ola y las oscilaciones de Ca2+, debido ala entrada de un factor en el citosol del oocito. Al inyectar a un oocito, un espermatozoide 2 REACCIÓN ACROSÓMICA 1 UNIÓN DEL ESPERMATO- ZOIDE A LA ZONA PELÚCIDA vesícula acrosómica contenido acrosómico célula de la granulosa membrana 3 PENETRACIÓN plasmática A TRAVÉS DE LA del oocito ZONA PELÚCIDA zona núcleo del oocito pelúcida FUSIÓN DE LAS Figura 21–33 La reacción acrosómica 4 MEMBRANAS se produce en los mamíferos cuando EL CONTENIDO DEL PLASMÁTICAS un espermatozoide fecunda un oocito. 5 ESPERMATOZOIDE En el ratón, la zona pelúcida tiene alrededor ENTRA EN EL de 6 μm de grosor; el espermatozoide la CITOPLASMA atraviesa a una velocidad de 1 μm/min DEL OOCITO aproximadamente.
  • 1300 Capítulo 21: La reproducción sexual: meiosis, células germinales y fecundación Figura 21–34 La reacción cortical puede membrana plasmática del espermatozoide unido impedir que entre más de un espermatozoide en un oocito de ratón. núcleo del <TGAC> La liberación de los contenidos de espermatozoide carbohidrato los gránulos corticales inactiva ZP3, de manera que ya no puede unirse a la ZP3 membrana plasmática del espermatozoide. ZP2 zona pelúcida También fracciona parcialmente la ZP2, ZP1 endureciendo la zona pelúcida para que no puedan entrar más espermatozoides. Estos membrana plasmática dos cambios provocan un bloqueo de la del oocito polispermia. gránulos corticales que contienen enzimas hidrolíticas REACCIÓN CORTICAL (EXOCITOSIS) secreción del contenido de los gránulos corticales BLOQUEO DE LA POLISPERMIA segundo espermatozoide que no puede unirse ZP2 fraccionada ZP3 modificada zona pelúcida alteradacompleto, una cabeza de espermatozoide o un extracto de espermatozoide, se obtienen losmismos resultados. Todos estos tratamientos incrementan la concentración de inositol1,4,5- trisfosfato (IP3), el cual libera Ca2+ del retículo endoplasmático e inicia la ola de reac-ciones y las oscilaciones de Ca2+ (tal como se describió en el Capítulo 15). Un firme candida-to al factor determinante que los espermatozoides de los mamíferos introducen en el oocitoes una forma específica de fosfolipasa C (PLCζ), que hidroliza directamente el fosfoinositol4,5-bisfosfato (PI 4,5)P2) produciendo IP3 (y diacilglicerol) (véase la Figura 15–39).La reacción cortical asegura que el oocito sea fecundadopor un solo espermatozoideA pesar de que a un oocito se le pueden unir muchos espermatozoides, normalmente sólouno de ellos se fusiona con su membrana plasmática, e introduce su citosol, su núcleo yotros orgánulos. Si se fusionan más de un espermatozoide –situación que se denomina po-lispermia– se forman varios husos mitóticos o husos multipolares, dando lugar a una segre-gación anormal de los cromosomas durante la primera división mitótica; se producencélulas aneuploides y, general se detiene el desarrollo. Dos mecanismos son los responsables de asegurar que cada oocito sea fecundado por unsolo espermatozoide. En primer lugar, un cambio en la membrana plasmática del oocito cau-
  • FECUNDACIÓN 1301 sado por la fusión del primer espermatozoide impide que se fusionen otros espermatozoides. En los oocitos del erizo de mar, el cambio se debe a una rápida despolarización de la mem- brana; en los oocitos de mamífero se desconoce el mecanismo. En segundo lugar, se impide la polispermia mediante la reacción cortical del oocito, mediante la cual se liberan varias enzi- mas que cambian la estructura de la zona pelúcida de manera que los espermatozoides no pueden adherirse a ella ni penetrarla. Entre los cambios que se producen en la zona pelúcida en los mamíferos, está la inactivación de ZP3 de forma que no puede unirse a los espermato- zoides ni inducir una reacción acrosómica; además, se produce la hidrólisis de ZP2, con lo que de alguna manera ayuda a que la zona sea impenetrable (Figura 21–34). El espermatozoide proporciona al zigoto los centríolos y su genoma Una vez fecundado, el óvulo se denomina zigoto. Sin embargo, la fecundación no se com- pleta hasta que los dos núcleos haploides (llamados pronúcleos) –uno procedente del óvulo y el otro del espermatozoide– se fusionan y combinan sus cromosomas formando un solo núcleo diploide. En los óvulos fecundados de mamífero, los dos pronúcleos no se fusionan directamente como ocurre en muchas otras especies. Se acercan uno a otro pero permane- cen independientes hasta que la membrana de cada pronúcleo se rompe, preparándose pa- ra la primera división mitótica del zigoto (Figura 21–35). En la mayoría de animales, incluido el hombre, el espermatozoide aporta al zigoto algo más que su genoma. Aporta también un centríolo –estructura de la que carecen los oocitos humanos no fecundados. El centríolo del espermatozoide entra en el oocito junto con el nú- cleo y parte de la cola, formándose un centrosoma a su alrededor. En la especie humana, el centrosoma se duplica y los dos centrosomas resultantes participan en la organización y en- samblaje del primer huso mitótico en el zigoto (Figura 21–36 y véase la Figura 21–35). Este hecho explica por qué se forman varios husos o husos multipolares en los casos de polisper- mia, cuando muchos espermatozoides transfieren sus centriolos al oocito. IVF e ICSI han revolucionado el tratamiento de la infertilidad humana Alrededor de un 10% de las parejas humanas presentan fertilidad reducida, es decir, que la mujer no queda embarazada después de 12 a 18 meses de práctica de relaciones sexuales Figura 21–35 Unión de los pronúcleos sin protección. Aproximadamente en la mitad de los casos el problema radica en el hombre del espermatozoide y del oocito después y en la otra mitad de los casos en la mujer. Existen numerosas causas que reducen la fecun- de la fecundación en los mamíferos. didad tanto en hombres como en mujeres y en la mayoría de casos se puede solventar el Los pronúcleos migran hacia el centro del óvulo. Cuando se encuentran, las envolturas problema mediante alguna técnica de reproducción asistida. nucleares se interdigitan. Los centrosomas se duplican, las envolturas nucleares se rompen y los cromosomas de ambos gametos se integran formando un huso mitótico común que determina la primera división pronúcleo haploide del oocito cromosomas del zigoto. (Adaptado a partir de dibujos CITOSOL y electromicrografías de Daniel Szöllösi.) centrosoma centríolos DIVISIÓN QUE PRODUCEmatriz del DOS CÉLULAScentrosoma DIPLOIDES axonema de la cola del espermatozoide pronúcleo haploide LAS ENVOLTURAS REPLICACIÓN DEL LOS CROMOSOMAS del espermatozoide NUCLEARES SE CENTROSOMA, SEGUIDA DEL OOCITO Y DEL INTERDIGITAN: POR LA ROTURA DE LA ESPERMATOZOIDE SE LOS CROMOSOMAS ENVOLTURA NUCLEAR ALINEAN SOBRE UN SOLO SE HAN DUPLICADO HUSO METAFÁSICO
  • 1302 Capítulo 21: La reproducción sexual: meiosis, células germinales y fecundación Figura 21–36 Micrografía mediante la técnica de inmunofluorescencia (C) de un espermatozoide humano y el pronúcleo de un óvulo aproximándose en un proceso de fecundación in vitro. Los microtúbulos del huso se han teñido de color verde con anticuerpos antitubulina; el DNA está marcado en azul mediante un colorante específico. (A) Huso meiótico en un oocito secundario maduro no fecundado. (B) El óvulo fecundado expulsa su segundo corpúsculo polar aproximadamente a las 5 horas de la fusión con el espermatozoide. La cabeza del espermatozoide (izquierda) ha nucleado un conjunto de microtúbulos. Los dos pronúcleos aún están alejados. (C) Los dos pronúcleos se encuentran.(A) (B) (D) A las 16 horas de la fusión, el centrosoma que ha entrado con el espermatozoide se ha duplicado y los dos centrosomas hijos han organizado un huso mitótico bipolar. Los cromosomas de ambos pronúcleos se alinean en la placa metafásica del huso. Como indican las flechas en (C) y (D), la cola del espermatozoide se asocia con uno de los centrosomas. (De C. Simerly et al., Nat. Med. 1:47-53, 1995. Con la autorización de Macmillan Publishers Ltd.)(C) (D) 100 μm El primer gran avance en el tratamiento de la infertilidad ocurrió en 1978 con el naci-miento de Louise Brown, el primer bebé logrado a partir de fecundación in vitro (IVF: in vi-tro fertilization). Antes de este acontecimiento había encendidos debates acerca de la ética yla seguridad de la IVF –muy similares a los actuales debates éticos sobre la producción y lautilización de células madre embrionarias (ES). En la actualidad, la IVF es un procedimien-to rutinario mediante la cual han nacido más de un millón de niños. Para iniciar el procesose trata a la mujer con hormonas que estimulan la maduración simultánea de varios oocitos.Inmediatamente antes de su expulsión por la ovulación, los oocitos se extraen del ovario(utilizando una larga aguja a través de la vagina) y se fecundan en una placa de cultivo conespermatozoides del hombre. Después de unos días en cultivo, 2 o 3 de los embriones quepresentan mejor aspecto se transfieren, mediante un catéter, al útero de la mujer; los em-briones restantes por lo general se congelan en nitrógeno líquido, por si se necesitan enimplantaciones posteriores. La principal complicación de la IVF son los embarazos múlti-ples, que se producen en un 30% de los casos, en comparación con el 2% aproximadamenteen los embarazos naturales. El procedimiento de IVF descrito ha permitido que muchas mujeres en principio infér-tiles puedan tener hijos con normalidad. Sin embargo, esto no soluciona el problema paralos hombres infértiles que generalmente producen pocos espermatozoides o los que produ-cen presentan anormalidades. Un segundo avance ocurrido en 1992 aportó la solución para 50 μmla mayoría de estos hombres. Se trata de una modificación de la IVF, llamada inyecciónintracitoplasmática del espermatozoide (ICSI: intracytoplasmatic sperm injection), que Figura 21–37 Inyección intracitoplasmáticaconsiste en fecundar un oocito mediante la inyección en su citoplasma de un solo esperma- de un espermatozoide (ICSI). Micrografia de un oocito secundario humano sujetado contozoide (Figura 21–37). Esta estrategia elimina la exigencia de un gran número de esperma- una micropipeta (a la izquierda) al que setozoides móviles y evita las muchas barreras que normalmente debe salvar un inyecta un único espermatozoide humanoespermatozoide para fecundar un oocito, que incluyen la capacitación, el desplazamiento mediante una aguja de vidrio. La zonahasta el oocito, la reacción acrosómica, el paso a través de la zona pelúcida y la fusión con la pelúcida rodea el oocito y el corpúsculomembrana plasmática del oocito. La proporción de éxito de la ICSI es superior al 50% y ha polar. (Cortesía de Reproductive Biologypermitido el nacimiento de más de 100.000 niños. Associates, Atlanta, Georgia.)
  • FECUNDACIÓN 1303 inyección de un núcleo células somático en nodriza ratón clonado somáticas el oocito CLONACIÓN ratón adulto desnucleado REPRODUCTIVA DIVISIÓN DE LA CÉLULA EN CULTIVO CLONACIÓN TERAPÉUTICA oocito no eliminación activación embrión fecundado del núcleo del oocito células ES del oocito “personalizadas” Además de revolucionar el tratamiento de la infertilidad, la IVF ha aportado nuevas po- Figura 21–38 Diferencias entre la clonaciónsibilidades de manipulación de los procesos reproductivos. Por ejemplo, ha hecho posible reproductiva y la preparación de célulasevitar que padres portadores de un gen defectuoso lo transmitan a sus hijos, mediante cri- madre embrionarias “personalizadas”.bado de embriones de IVF para este gen antes de su implantación en el útero. En ambos casos se reconstruye un embrión extrayendo (o destruyendo) el núcleo de un Como ya se ha comentado, las técnicas de manipulación in vitro de oocitos de mamífe- oocito no fecundado y reemplazándolo porros han hecho posible la obtención de clones de muchos tipos de mamíferos mediante un núcleo de una célula somática del animaltransferencia del núcleo de una célula somática del animal que se va a clonar a un oocito no que se quiere clonar. El oocito reconstruidofecundado al que se la ha extraído o destruido su núcleo. La técnica no es fácil; el éxito es ba- se activa mediante un shock eléctrico.jo y todavía no se sabe si de esta manera se podría clonar un ser humano. Además, existen En la clonación reproductiva, el embriónserios argumentos éticos acerca de si se debería intentar clonar un ser humano alguna vez. desarrollado en el cultivo se trasplanta alExiste un acuerdo general respecto a que no debería ni intentarse con las técnicas que exis- útero de una madre nodriza y se desarrollaten en la actualidad, porque la probabilidad de producir bebés anormales es muy alta; ade- como un animal clónico. Por el contrario,más, en muchos países incluidos los Estados Unidos no está permitido por la ley. en la preparación de las células madre Sin embargo, la clonación reproductiva no debe confundirse con la clonación terapéuti- embrionarias personalizadas (ES) –algunas veces llamadas clones terapéuticos–, elca, en la cual el embrión temprano obtenido in vitro a partir de un zigoto reconstruido no embrión produce células ES en cultivo, quese implanta en un útero para que dé lugar a un nuevo individuo, sino que se utiliza para pueden ser utilizadas para producir distintosobtener células ES que son genéticamente iguales a las del donante del núcleo somático tipos de células especializadas para el(Figura 21–38). Para el tratamiento del donante se podrían utilizar varios tipos de células es- tratamiento del individuo donante delpecializadas procedentes de estas células ES “personalizadas”, evitando el problema del re- núcleo somático; gracias a que las célulaschazo inmunológico que conlleva el uso de células ES genéticamente distintas. La sociedad especializadas obtenidas a partir de estasen su conjunto deberá tomar decisiones comprometidas para determinar hasta dónde se células ES son idénticas en términospuede llegar en la utilización de estas nuevas tecnologías de manipulación del proceso re- genéticos a las del donante del núcleoproductivo para obtener un potencial beneficio del individuo. En el futuro cabe la posibili- somático, no serán rechazadasdad de producir células personalizadas similares a las ES mediante vías alternativas que inmunológicamente.permitan superar estos dilemas éticos: por ejemplo, en un reciente experimento se ha utili-zado la ingeniería genética para expresar en fibroblastos de ratón en cultivo un número deproteínas reguladoras de genes que normalmente se expresan en las células ES: cuando cua-tro de estos transgenes se expresaban de forma simultánea, los fibroblastos se comportabande forma muy parecida a la células ES. La fecundación determina el inicio de uno de los más decisivos fenómenos de toda labiología: el proceso de la embriogénesis, durante el cual el zigoto se transforma en un nuevoindividuo. Este es el tema del capítulo siguiente.ResumenLa fecundación en los mamíferos empieza normalmente cuando un espermatozoide, que ha sidocapacitado en el tracto genital femenino, se adhiere a la zona pelúcida que rodea un oocito dentrodel oviducto. Este hecho induce la reacción acrosómica del espermatozoide, liberándose el conteni-do de la vesícula acrosómica, que facilita la digestión de la zona pelúcida y el paso a través de ella.La reacción acrosómica es necesaria también para que el espermatozoide se adhiera y se fusione conla membrana plasmática del oocito. La fusión del espermatozoide y el oocito induce una ola y osci-laciones de Ca2+ en el citosol del oocito que provocan su activación. La activación incluye la reaccióncortical, mediante la cual los gránulos corticales liberan su contenido alterando la zona pelúcidacon el fin de evitar que otros espermatozoides puedan unirse al oocito y penetrar en él. La señaliza-ción por Ca2+ también desencadena el desarrollo del zigoto, que comienza después de que los pro-núcleos entren en contacto y sus cromosomas se hayan alineado en un huso mitótico único, quedetermina la primera división del zigoto. Muchas parejas, en principio infértiles, actualmente puedenreproducirse gracias a la IVF y la ICSI.
  • 1304 Capítulo 21: La reproducción sexual: meiosis, células germinales y fecundación Knower KC, Kelly S & Harley VR (2003) Turning on the male—SRY, SOX9 andBIBLIOGRAFÍA sex determination in mammals. Cytogenet Genome Res 101:185–198. McLaren A (2003) Primordial germ cells in the mouse. Dev Biol 262:1–15.General Morrish BC & Sinclair AH (2002) Vertebrate sex determination: many means toAustin CR & Short RV eds (1984) Reproduction in Mammals Vol I Germ Cells an end. Reproduction 124:447–457. and Fertilization 2nd ed. Cambridge, UK: Cambridge University Press. Surani MA, Ancelin K, Hajkova P et al (2004) Mechanism of mouse germ cellGilbert SF (2006) Developmental Biology 8th ed pp 175–210, 529–554, specification: a genetic program regulating epigenetic reprogramming. 593–626. Sunderland, MA: Sinauer Associates, Inc. Cold Spring Harb Symp Quant Biol 69:1–9. 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