Todas las formas de vida se perpetúan generación tras generación a través de un proceso biológico conocido como reproducción. Entre los diferentes tipos de reproducción, el sexo (el mecanismo reproductivo más cercano a nosotros dada nuestra propia naturaleza sexual) posee una importancia decisiva en la evolución de las especies, contribuyendo a la diversificación de las formas de vida. La aparición de reproducción sexual hace 1,200 millones de años acarreó implicaciones genéticas y evolutivas sin precedentes. En primer lugar, permitió la recombinación del material hereditario, generando la variabilidad necesaria para la adaptación a un medio en constante cambio. En segundo lugar, el sexo conllevó la diferenciación de células germinales (o reproductivas) exquisitamente especializadas en preparar nuestro DNA para ser transmitido a nuestros descendientes. Finalmente, la este mecanismo de reproducción propició la diferenciación de dos tipos sexuales bien diferenciados, machos y hembras. Entendemos así el sexo como la mezcla de rasgos genéticos de progenitores en la descendencia.

Durante la reproducción sexual, el DNA es cuidadosamente empaquetado en "vehículos" conocidos como gametos (es decir, espermatozoides y óvulos). Machos y hembras depositan su legado genético en estos vehículos y lo facturan hacia un asombroso viaje. Esto vehículos están optimizados para viajar largas distancias con un claro objetivo: transportar el material hereditario de forma segura durante la búsqueda de un gameto del sexo opuesto. Es importante tener en cuenta que cualquier daño en el DNA de estos gametos será decisivo para producir un futuro aborto, malformaciones o enfermedades en el feto. Por ello, su seguridad está garantizada mediante diferentes controles de calidad. Primero, la integridad del DNA se revisa antes de introducirlo en los gametos. Segundo, su estructura en los gametos se reorganiza, especialmente en espermatozoides, generando un empaquetamiento compacto (como un cinturón de seguridad). Finalmente, tras la fertilización y justo antes de la fusión del DNA del padre y la madre, su integridad tras el viaje se revisa nuevamente.


Sólo puede quedar uno. Los espermatozoides transportan diferentes combinaciones del DNA paterno y compiten por fertilizar el óvulo (Ilustración cortesía de http://www.freedigitalphotos.net).

Si bien machos y hembras comparten este objetivo común de seguridad abordo, ambos sexos suelen diferir en el tipo de vehículo elegido para el viaje. Por una parte, los machos optan por un vehículo deportivo: espermatozoides pequeños y rápidos. Opuestamente, las hembras optan por un vehículo familiar: óvulos grandes y que viajan lentamente. De hecho, en humanos el óvulo es casi 30 veces más grande que el espermatozoide. Aún más, el espacio donde se almacena el DNA (el núcleo celular) es 7 veces mayor en el óvulo. ¿Cuál es la razón detrás de dicha diferencia de tamaño?. Ni más ni menos que capacidad de almacenamiento. Mientras que el espermatozoide transporta únicamente DNA, el óvulo transporta DNA y diferentes factores que serán necesarios para poner en marcha el genoma del nuevo individuo. Adicionalmente, como es general en la naturaleza, la hembra tiene la capacidad de "escoger". Mientras que la hembra genera 1 o 2 óvulos por ciclo, los machos generan miles de espermatozoides entre los cuáles únicamente uno de ellos fertilizará el óvulo. Se genera de este modo una competición entre los propios espermatozoides.

En los seres vivos, todos los componentes y mecanismos asociados a la reproducción sexual están determinados por genes especializados que codifican factores involucrados en la estructura de los gametos, su movimiento, el empaquetamiento del DNA, los mecanismos de fertilización, así como proteínas involucradas en el reconocimiento entre espermatozoides y óvulos, entre muchos otros. Este último rasgo es crucial en organismos marinos, en los que en la mayor parte de los casos existe una liberación de gametos directamente al mar. En este medio, espermatozoides y óvulos de miles de especies diferentes deben reconocerse entre sí. Por esta razón, la evolución de los genes reproductivos es asombrosamente rápida, tanto que en el caso de humanos, una fracción significativa de los intentos de fertilización artificial fracasan debido que el óvulo y el espermatozoide ya no se reconocen entre ellos como pertenecientes a la misma especie.


En las barreras de corales, la liberación de gametos al mar es un espectaculo visual.

Entre los factores reproductivos, merecen una atención especial las proteínas encargadas de empaquetar el material genético, especialmente en el caso de los espermatozoides. Evolutivamente, estas proteínas conocidas como SNBPs (Sperm Nuclear Basic Proteins) proceden del linaje de la histona H1, una proteína con similar función en células no involucradas en la reproducción (somáticas). A lo largo de millones de años de evolución, las SNBPs han sufrido cambios moleculares paulatinos que les han permitido adaptarse a nuevas funciones celulares. Por una parte han sufrido una reducción en su tamaño, apropiada para organizarse en el interior del núcleo de los espermatozoides. Adicionalmente, han adquirido una afinidad extrema por el DNA, posibilitando su acomodación flexible en el interior del diminuto núcleo celular. La evolución de estas proteínas parece haber transcurrido de forma paralela entre difentes linajes de organismos, tal y como muestra la presencia de las formas más evolucionadas (conocidas como protaminas) en mamíferos así como en grupos de moluscos o insectos.


Durante la formación de los espermatozoides, el DNA se reorganiza gracias a la incorporación de SNBPs (representados como círculos rojos).

Quizá el aspecto más sorprendente de las SNBPs es que juegan también un papel funcional decisivo. Por una parte, estas proteínas han evolucionado para participar en el proceso de fertilización, activando diferentes mecanismos asociados a la formación del cigoto. Dado su papel estructural empaquetando el DNA en el núcleo del espermatozoide, no es sorprendente que influyan sobre la forma de su "cabeza". Observamos así espermatozoides con diferentes formas en diferentes especies. Sin embargo, el perfeccionamiento evolutivo de las SNPBs se traduce en espermatozoides con formas cada vez más afiladas e hidrodinámicas. En otras palabras, la evolución de SNBPs mejora la capacidad de natación y movimiento de los espermatozoides. Finalmente, mediante la mejora en la movilidad de los espermatozoides, estas proteínas han jugado un papel fundamental en la aparición de la fertilización interna, en la cuál los espermatozoides son depositados en el tracto genital femenino para posteriormente desplazarse de forma activa al encuentro del óvulo.

La relevancia de las proteínas SNBPs es crítica, y por ello sus alteraciones acarrean serias consecuencias para la reproducción. Mencionar como ejemplo que la causa principal de infertilidad en hombres es la alteración de estas proteínas. Sin embargo, la importancia de estas proteínas es todavía mayor, ya que el gran empaquetamiento del DNA que promueven resulta en la eliminación de cualquier tipo de modificación en la estructura (que no de la secuencia) del DNA paterno, es decir, borra completamente su información epigenética. Entre otras muchas cosas, esta información "suplementaria" determina la "edad" del DNA, indicándole cuando ha llegado el momento de autodestruirse y dejar paso a una nueva célula joven más estable. Entonces, ¿cómo es posible poner de nuevo a cero la edad del DNA en los gametos?. Un reciente artículo en la revista Science (Science 332:1554-1557) ha revelado que durante la formación de los gametos (gametogénesis) actúan diferentes mecanismos que reparan el DNA, recalibrando su edad a cero para formar correctamente un nuevo individuo.


La evolución de las proteínas SNBPs ha condicionado la forma de los espermatozoides y, consecuentemente

, su capacidad de movimiento.

La (rápida) evolución de las proteínas del esperma constituye un claro ejemplo del potencial adaptativo de los cambios moleculares, no sólo sobre el propio proceso de la fertilización sino también sobre la evolución de otros mecanismos asociados como la fertilidad y la competición del esperma. Dicha capacidad adaptativa redunda sobre la misma base de la perpetuación y diversificación de las especies sexuales como el propio ser humano.

 

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José María Eirín-López
José María Eirín-López

Investigador y profesor en la Florida International University (Miami, Estados Unidos) y en la Universidad de La Coruña, director del grupo de investigación CHROMEVOL, centrado en el estudio de la estructura, función y evolución de la cromatina.

Sobre este blog

Las alteraciones en el material hereditario son, en última instancia, responsables de la abrumadora diversidad natural que nos rodea.

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