CÉLULAS GERMINALES PRIMORDIALES Y DETERMINACIÓN

Biología molecular de LA CÉLULA – 4a. Edición
LAS VENTAJAS DEL SEXO
CÉLULAS GERMINALES PRIMORDIALES
Y DETERMINACIÓN DEL SEXO EN LOS MAMÍFEROS
Las estrategias de la reproducción sexual pueden variar muchísimo de unos
organismos a otros. En esta apartado nos centramos principalmente en las estrategias
utilizadas por los mamíferos.
En todos los embriones de los vertebrados, durante el desarrollo tiene lugar una
selección temprana de determinadas células como progenituras de los gametos.
Estas células germinales primordiales emigran para desarrollar las gónadas, que
serán los ovarios en las hembras y los testículos en los machos. Después de un período
de proliferación mitótica, las células germinales primordiales experimentan la meiosis y se
diferencian en gametos maduros -oocitos o espermatozoides-. Más adelante, la fusión del
oocito y del espermatozoide tras el apareamiento conduce al inicio de la embriogénesis.
Con la posterior producción de nuevas células germinales primordiales en el embrión,
comienza otra vez el ciclo.
En este apartado, consideraremos cómo aparece una célula germinal primordial en
los mamíferos, cómo se determina el sexo en ellos y cómo establece la determinación
sexual que las células germinales primordiales se diferencien en espermatozoides o en
oocitos.
Las células germinales primordiales emigran
a las gónadas en desarrollo
En la mayoría de animales, incluidos muchos vertebrados, el oocito no fecundado
es asimétrico, con regiones del citoplasma que contienen diferentes dotaciones de mRXA
y de proteínas (tratado en el Capítulo 21). Cuando el oocito es fecundado y se divide
repetidamente produciendo las células del embrión temprano, las células que heredan
moléculas específicas de una determinada región del citoplasma del oocito se
transforman en células germinales primordiales. Por el contrario, en los mamíferos, el
oocito es muy simétrico y todas las células resultantes de las primeras divisiones del
oocito fecundado son totipotentes -es decir, son capaces de producir cualquier tipo de
células del organismo, incluidas las germinales-. En el embrión temprano de los
mamíferos, un pequeño grupo de células es inducido a convertirse en células germinales
primordiales a consecuencia de las señales que reciben de sus células vecinas. En el
ratón, por ejemplo, una semana después de la fecundación, unas 50 células del tejido
situado fuera del embrión propiamente dicho son inducidas por sus vecinas a
transformarse en células germinales primordiales. Unos días después, estas células
proliferan y son arrastradas hacia el interior del embrión con la invaginación del intestino
posterior. Luego emigran por el intestino hacia su destino final, que son las gónadas en
desarrollo (Fig. 20-16). Mientras las células germinales primordiales emigran a través del
embrión, son señaladas para sobrevivir, proliferar y emigrar por varias proteínas
extracelulares producidas por las células somáticas adyacentes.
Después de que las células germinales primordiales entren en la gónada en desarrollo del ratón, que en este estadio se llama cresta genital, continúan proliferando 2 o 3
días más. En este momento, escogen y siguen una vía de desarrollo que las llevará a
transformarse en oocitos o en espermatozoides, dependiendo no de su propio sexo
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cromosómico sino de si la cresta genital ha empezado a diferenciarse en un ovario o en
un testículo. Los cromosomas sexuales de las células somáticas de la cresta genital
determinan el tipo de gónada que se va a formar. Un solo gen del cromosoma Y
desempeña un papel especialmente importante en esta decisión.
Figura 20-16 Migración de las células germinales primordiales en los mamíferos.
(A) Esquema que muestra las etapas finales de la migración a través del intestino posterior hasta las dos crestas
genitales, cada una de las cuales desarrollará una gónada -un ovario o un testículo-.
(B) Micrografía en la que se observan las células germinales primordiales de un embrión temprano de ratón. Las células
germinales primordiales están teñidas con un anticuerpo monoclonal (verde) que las marca específicamente en este
estado de la embriogénesis. Las otras células del embrión están teñidas con una lectina que se une al ácido siálico, que
se encuentra en la superficie de todas las células.
(C) Esquema correspondiente a la micrografía anterior. (B, por cortesía de Robert Anderson y Chris Wylie.)
El gen Sry del cromosoma Y puede determinar
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que un embrión hembra se transforme en macho
Aristóteles creía que la temperatura del macho durante el contacto sexual
determinaba el sexo de la descendencia: a temperatura más alta, mayor era la
probabilidad de producir machos. Actualmente sabemos que el sexo de un mamífero
viene determinado por sus cromosomas sexuales, más que por el medio ambiente donde
vive (aunque en algunos animales como los cocodrilos y muchos peces sucede lo
contrario). Las hembras de los mamíferos tienen dos cromosomas X en todas sus células
somáticas, mientras que los machos tienen un cromosoma X y un cromosoma Y. El
cromosoma Y es el factor determinante. Los individuos que tienen un cromosoma Y se
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 hembras, incluso aunque sólo tengan un cromosoma X. El espermatozoide que fecunda el
oocito determina el sexo del zigoto resultante: el oocito tiene un solo cromosoma X; en
cambio, el espermatozoide puede tener un cromosoma X o un cromosoma Y.
El cromosoma Y determina el sexo del individuo, induciendo a las células somáticas de la cresta genital a diferenciarse en un testículo en lugar de un ovario. El gen crucial
del cromosoma Y que tiene esta función determinante de testículo se denomina Sry.
Cuando este gen se introduce en el genoma de un zigoto XX de ratón, el embrión
transgénico resultante se desarrolla como un macho, aunque falten todos los demás
genes del cromosoma Y (Fig. 20-17). Este ratón, sin embargo, no puede producir
espermatozoides, porque la presencia de dos cromosomas X impide su formación.
Sry se expresa solamente en un subgrupo de las células somáticas de la gónada
en desarrollo y determina la diferenciación de estas células en células de Sertoli, que
constituyen el principal tipo de células de soporte que hay en el testículo. Las células de
Sertoli dirigen el desarrollo sexual de una línea masculina influyendo en otras células de la
cresta genital, por lo menos de cuatro maneras:
1. Estimulando las células germinales
primordiales recién llegadas para que se
transformen en espermatozoides.
2. Mediante la secreción de la hormona anti
Mülleriana, que bloquea el desarrollo del tracto
genital femenino, produciéndose la regresión
del conducto de Müller (que daría lugar al
oviducto, al útero y a la parte superior de la
vagina).
3. Estimulando la migración de unas
determinadas células somáticas que se encuentran junto a la gónada en desarrollo hacia
su interior, formando un tejido conjuntivo
imprescindible para la producción normal de
los espermatozoides.
Figura 20-17 Reprogramación inducida por Sry en un
embrión hembra de ratón para que se desarrolle como
ratón macho. El gen Sry, inyectado al núcleo de un zigoto
hembra XX, da lugar a un embrión transgénico que se
desarrolla como un macho. Los genitales externos del ratón no
se distinguen de los de un ratón macho normal XY. (De P.
Koopman et al., Nature 351:117-121, 1991. © Macmillan
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4. Induciendo a otras células somáticas de la gónada en desarrollo a que se transformen
en células de Leydig, secretoras de la hormona sexual masculina testosterona; dicha
hormona es la responsable de la aparición de todos los caracteres sexuales secundarios
de los machos. Entre ellos se incluyen las estructuras del tracto reproductor masculino,
como la próstata y las vesículas seminales que se forman a partir de otro conducto,
denominado sistema conductor de Wolffian. Este sistema degenera durante el desarrollo
del sistema reproductor femenino porque para sobrevivir y desarrollarse requiere
testosterona. La testosterona también masculiniza el desarrollo temprano del cerebro y
por consiguiente el comportamiento: por ejemplo, ratas hembras recién nacidas tratadas
con testosterona muestran, más tarde, un comportamiento sexual masculino.
El gen Sry codifica una proteína reguladora de genes (Sry) que activa la
transcripción de otras proteínas similares necesarias para el desarrollo de las células de
Sertoli, como la proteína Sox9, relacionada con la proteína Sry. En ausencia de Sry o de
Sox9, la cresta genital desarrolla un ovario. Las células de sostén se transforman en
células foliculares en lugar de en células de Sertoli. Otras lo hacen en células de la teca
en lugar de en células de Leydig y, al llegar a la pubertad, segregan estrógeno, la
hormona sexual femenina, en lugar de testosterona. Las células germinales primordiales
se diferencian en oocitos en vez de espermatozoides (Figs. 20-18 y 20-28), y el animal de
desarrolla como una hembra.
Figura 20-18 Influencia de
Sry
en
el
desarrollo
gonadal. Las células de la línea
germinal
están
coloreadas en rojo y las
células somáticas en verde y
azul. El cambio de color claro
a oscuro indica que las
células han madurado o se
han diferenciado. El gen Sry
actúa en una subpoblación
de células somáticas durante
el
desarrollo
gonadal
induciendo
que
se
diferencien en células de
Sertoli
o
en
células
foliculares. Las células de
Sertoli inducen a las células
germinales primordiales a
iniciar la espermatogénesis.
Estas
células
también
segregan la hormona anti
Mülleriana que determina la
regresión del conducto de
Müller e induce a otras
células somáticas a diferenciarse en células de Leydig,
que
son
las
células
secretoras de testosterona
(v. Fig. 20-28). En ausencia
de Sry, las células germinales
primordiales
se
implican en el desarrollo de
los oocitos y las células
somáticas se transforman o
bien en células foliculares
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que actúan como sostén del oocito durante su desarrollo o bien en células de la teca secretoras de estrógenos. Mientras
que las células de Leydig empiezan la secreción de testosterona en el feto, las células de la teca no empiezan fe
secreción de estrógenos hasta la pubertad.
Si se eliminan las crestas genitales antes de que hayan empezado a diferenciarse
en testículos u ovarios, un mamífero se desarrolla como una hembra independientemente
de su sexo cromosómico. Parece ser que en los mamíferos la vía de desarrollo sexual
"por defecto" es el desarrollo sexual femenino.
OOCITOS
Los 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 en tan
sólo cuestión de días o semanas. Ninguna otra célula de un animal superior tiene esta
capacidad. Normalmente, la activación es la consecuencia de la fecundación -la fusión de
un espermatozoide con un oocito-. Sin embargo, en algunos organismos el
espermatozoide no es estrictamente necesario, de forma que un oocito puede ser
activado artificialmente mediante diferentes tratamientos químicos o físicos no
específicos. Efectivamente, algunos organismos, incluidos algunos vertebrados como
determinadas especies de lagartija, normalmente se reproducen a partir de oocitos que se
han activado en ausencia de espermatozoides, es decir de forma partenogénica.
A pesar de que el oocito da lugar a todos los
de un organismo, no es más que una célula altamente
destinada exclusivamente a generar un nuevo
tipos celulares
especializada,
individuo.
Figura 20-19 Tamaño real de tres óvulos diferentes. El diámetro de
de 0,1 mm.
un óvulo humano es
El citoplasma de un oocito puede llegar a
reprogramar el núcleo de una célula somática,
haciéndolo capaz de dirigir el desarrollo de un nuevo
individuo. Ésta es la forma como se ha producido la
famosa oveja Dolly. Se destruyó el núcleo de un
oocito no fecundado de una oveja y se reemplazó por
el núcleo de una célula somática adulta. Se activó el
oocito mediante un shock eléctrico y el embrión
resultante se implantó en el útero de una madre "de
alquiler". La oveja resultante tenía el genoma del
dador de la célula somática. Por lo tanto era un
clónico de esta oveja dadora.
En este apartado vamos a considerar
brevemente algunas de las características especiales
del oocito y después estudiaremos cómo se
desarrolla hasta el momento que es apto para la
fecundación.
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Figura 20-20 Tamaños relativos de varios óvulos. Se compara con el tamaño de una célula somática característica.
Un oocito es una célula altamente especializada con desarrollo
independiente que contiene una gran cantidad de reservas
nutritivas y una compleja cubierta
Los oocitos de la mayoría de animales son células gigantes, con una gran cantidad
de reservas de todos los nutrientes necesarios para el desarrollo inicial del embrión hasta
que alcanza el estadio en el cual el nuevo individuo es capaz de alimentarse por sí mismo.
Antes de alcanzar este punto, la célula gigante se divide en muchas células "más
pequeñas, sin que se produzca crecimiento. El embrión de los mamíferos es una
excepción. En este caso, el crecimiento del embrión se puede iniciar antes, ya que toma
los nutrientes de la madre a través de la placenta. Por esta razón, los oocitos de
mamífero, a pesar de ser células voluminosas, no necesitan serlo tanto como, por
ejemplo, los de una rana o los de un ave. En general, los oocitos son esféricos u ovoides,
con un diámetro aproximado de 0,1 mm los humanos y los de los erizos de mar (que son
comestibles), de 1 mm a 2 mm los de anfibios y peces, y de varios centímetros los de
aves y reptiles (Fig. 20-19). Por el contrario, normalmente las células somáticas tienen un
diámetro de tan sólo entre 10 y 20 μm (Fig. 20-20).
Figura 20-21 La cubierta vitelina. (A) Micrografía electrónica de barrido de un oocito de hámster, mostrando la cubierta
vitelina. En (B) la zona (a la que están adheridos muchos espermatozoides) se ha separado para poner de manifiesto la
membrana plasmática subyacente que presenta numerosos microvilli. La cubierta vitelina ha sido sintetizada
exclusivamente por el oocito. (De D.M. Phillips J. Ultrastruct Res. 72:1-12, 1980.)
El citoplasma de los oocitos contiene reservas de nutrientes en forma de vítelo, el
cual es rico en lípidos, proteínas y polisacáridos y generalmente se encuentra formando
unas estructuras específicas que se denominan plaquetas vitelinas. En algunas especies
las plaquetas vitelinas presentan una membrana a su alrededor, pero en otras no. En los
oocitos que se desarrollan fuera del cuerpo de la madre y dan lugar a organismos más o
menos grandes, el vitelo puede constituir hasta el 95% del volumen de la célula. En los
oocitos de los mamíferos, cuyos embriones son alimentados durante bastante tiempo por
sus madres, hay muy poco vitelo si es que lo hay.
La cubierta es otra de las características de los oocitos. Se trata de una especialización de la matriz extracelular que está formada, en gran parte, por glucoproteínas,
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unas secretadas por el oocito y otras por las células acompañantes. En muchas especies,
la cubierta principal es una capa adyacente a la membrana plasmática del oocito
denominada cubierta vitelina (Fig. 20-21). Esta capa protege al oocito frente a agresiones
mecánicas y en muchos casos también actúa como una barrera específica de especie
para los espermatozoides, de forma que solamente admite los espermatozoides de la
misma especie del oocito o de especies muy próximas.
Muchos oocitos contienen vesículas secretoras especializadas situadas inmediatamente por debajo de la membrana plasmática en la región más periférica o córtex del
citoplasma. Cuando un espermatozoide activa un oocito, se produce la exocitosis de
dichos
granulos
corticales;
el
contenido liberado de los gránulos
modifica la cubierta de tal manera que
impide
que
se
fusione
otro
espermatozoide (v. más adelante).
Los gránulos corticales están
distribuidos regularmente por todo el
córtex del oocito, pero en algunos
organismos existen otros componentes
citoplasmáticos que presentan una
sorprendente distribución asimétrica.
Estos
componentes
permiten
establecer, más tarde, la polaridad del
embrión, como veremos en el Capítulo
21.
Los oocitos se desarrollan por etapas
Un oocito es un óvulo en
desarrollo. La diferenciación de un
oocito en un óvulo maduro supone una
serie de cambios que se producen
coordinados con las etapas de la
meiosis, mediante la cual las células
germinales experimentan dos divisiones
extraordinariamente especializadas. Los
oocitos han desarrollado mecanismos
concretos para detener la meiosis: se
mantienen en la profase I durante un
período largo de tiempo mientras crecen
en tamaño y en muchos casos se paran
de nuevo en la metafase II, esperando
la fecundación (aunque también pueden
detenerse en otros momentos distintos,
dependiendo de las especies de que se
trate).
Figura 20-22 Las etapas de la oogénesis. Las
oogenias se forman a partir de las células germinales primordiales, que ai principio de la embriogénesis migran hacia la
gónada en desarrollo. Tras un cierto número de divisiones mitóticas, las oogenias empiezan la división meiótica I,
recibiendo entonces el nombre de oocitos primarios. En los mamíferos, los oocitos primarios se forman muy temprano
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(entre los 3 y los 8 meses de gestación en el embrión humano) y permanecen en la profase de la división meiótica I
hasta que la hembra es madura sexualmente. En este momento, periódicamente un pequeño número de oocitos
maduran por influencia hormorai. completando la división meiótica I para convertirse en oocitos secundarios, los cuales
finalmente experimentan la divisiéir meiótica II y se transforman en óvulos maduros. El momento en que el oocito es
liberado del ovario y es fecundado varía de una especie a otra. En la mayoría de tos vertebrados la maduración de los
oocitos está detenida en la metafase de la meiosis II y el oocito secundario sólo completa la meiosis II si es fecundado.
Finalmente, los corpúsculos polares degeneran. En la mayoría de animales, el oocito en desarrollo está rodeado por
células accesorias (células foliculares) especializadas que ayudan 2 aislarlo y a nutrirlo (no se muestran).
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
20-22. Las células germinales primordiales migran hacia la gónada en formación
convirtiéndose en oogonias, que proliferan mediante sucesivas mitosis hasta diferenciarse
en oocitos primarios. En este estadio (antes en aves y mamíferos), empieza la primera
división meiótica: el DNA se replica de manera que cada cromosoma está formado por
dos cromátidas hermanas, los cromosomas homólogos se aparean a lo largo de su eje
longitudinal y se producen los entrecruzamientos entre cromátidas no hermanas de cada
par de cromosomas. La célula se para en la profase de la división meiótica I (en un
estadio equivalente a la fase G2 del ciclo mitótico, como hemos señalado antes) durante
un período de tiempo que varía desde algunos días hasta varios años, según la especie.
Durante este largo período (o en algunos casos, al llegar a la madurez sexual), los
oocitos primarios sintetizan la cubierta vitelina y los gránulos corticales. En los grandes
oocitos de animales no mamíferos, también se acumulan ribosomas, vitelo, glucógeno,
lípidos y el mRNA que luego dirigirá la síntesis de las proteínas necesarias para el
crecimiento embrionario temprano y la puesta en marcha del programa de desarrollo. En
muchos oocitos, la gran actividad biosintética se refleja en la estructura de los
cromosomas, que se descondensan y forman bucles laterales, tomando un aspecto
"plumulado", que indica que están en síntesis activa de RNA (v. Figs. 4-36 y 4-37).
Figura 4-36 Cromosomas plumulados. (A)
Imagen de microscopía óptica de cromosomas
plumulados de un oocito de anfibio. En una fase
inicial de la diferenciación, cada cromosoma se
replica al empezar la meiosis y los cromosomas
homólogos replicados se aparean formando
esta estructura muy extendida que contiene un
total de cuatro moléculas de DNA replicadas o
cromátidas. El estado de cromosomas
plumulados puede persistir durante meses o
años
mientras
el
oocito
elabora
el
aprovisionamiento de materiales que serán
utilizados para su desarrollo en un nuevo
individuo.
(B) Imagen de microscopía de fluorescencia
donde aparece una porción de un cromosoma
plumulado de anfibio. Las regiones del
cromosoma que se expresan activamente están
marcadas en verde utilizando anticuerpos que
reconocen una proteína que procesa el RNA
durante una de las etapas de la expresión
génica (v. Capítulo 6). Se supone que los
granulos redondos corresponden a complejos
de la maquinaria de maduración del RNA, los
cuales trataremos en el Capítulo 6.
(A, por cortesía
de: Joseph G. Gall; B por cortesía de Joseph G.
Gall y Cristine Murphy.)
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Figura 4-37 Modelo de estructura de un
cromosoma plumulado. El conjunto de
cromosomas plumulados en muchos
anfibios contiene un total de aproximadamente 10.000 bucles de cromatina diferertes, a pesar de que la mayor parte del DNA
de cada cromosoma está muy coodensado
en los cromómeros.
Cada bucte corresponde a una determinada
secuencia de DNA. Cada célula contiene
cuatro copias de cada bucle, dado que cada
une de los cromosomas consiste en dos
cromátidas hermanas muy juntas, como se
muestra en la parte superior del esquema.
Esta estructura en cuatro hebras es muy
característica de esta fase del desarrolo del
oocito, la fase de diploteno de la meiosis;
véase Figura 20-12.
La fase siguiente de la oogénesis se denomina maduración de los oocitos.
Generalmente no se produce hasta la madurez sexual, cuando el oocito es estimulado por
hormonas. Por influencia hormonal, la célula reanuda la meiosis I. Los cromosomas
vuelven a condensarse, sé rompe la envoltura nuclear (estos cambios marcan el inicio de
la maduración) y en la anafase I los cromosomas homólogos replicados se segregan en
dos núcleos hijos, cada uno de los cuales contiene la mitad del número inicial de
cromosomas. Al finalizar la división I, el citoplasma se divide asimétricamente en dos,
dando lugar a dos células de tamaño muy diferente: una es un pequeño corpúsculo polar
y la otra es un gran oocito secundario, el precursor del óvulo. En esta etapa, cada
cromosoma está formado por dos cromátidas hermanas. Estas cromátidas no se separan
hasta la división meiótica II, al distribuirse en dos células, como se ha descrito
anteriormente. Después de esta separación cromosómica final en la anafase II, el
citoplasma del gran oocito secundario se vuelve a dividir asimétricamente produciendo el
óvulo y un segundo corpúsculo polar, ambos con una dotación haploide de cromosomas
(v. Fig. 20-22). A causa de estas dos divisiones asimétricas de su citoplasma, los óvulos
mantienen su gran tamaño a pesar de experimentar dos divisiones meióticas. Los dos
corpúsculos polares son pequeños y finalmente degeneran.
En la mayoría de los vertebrados la oogénesis de desarrolla hasta la metafase de
la meiosis II, momento en el que se detiene hasta la fecundación. En la oocitación el
oocito secundario se desprende del ovario y experimenta una rápida maduración que lo
transforma en un oocito apto para la fecundación. Si se produce la fecundación, el oocito
es estimulado para que finalice la meiosis.
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Los oocitos alcanzan su gran tamaño mediante
mecanismos especiales de crecimiento
Normalmente, una célula somática de un diámetro de entre 10 y 20 um necesita
unas 24 horas para duplicar su masa como preparación para la división. A esta velocidad
de biosíntesis, esta misma célula necesitaría mucho más tiempo para tener la masa un
millón de veces superior de un oocito de insecto de 100 μm de diámetro. Sin embargo
algunos insectos viven sólo unos días y lo consiguen. Es evidente que los oocitos
necesitan mecanismos especiales para alcanzar su gran tamaño.
Una estrategia sencilla para crecer rápidamente consiste en disponer de copias
extra de genes. Para ello el oocito retrasa el final de la primera división meiótica, es decir,
crece mientras su dotación cromosómica diploide está duplicada. De esta forma dispone
de doble cantidad de DNA para la síntesis de RNA en comparación con una célula
somática en fase G1 del ciclo celular. Los oocitos de algunas especies también alcanzan
grandes tamaños acumulando DNA extra: producen muchas copias extras de
determinados genes. En el Capítulo 6 hemos visto que las células somáticas de la
mayoría de organismos necesitan entre 100 y 500 copias de los genes que codifican el
RNA ribosómico para producir suficiente cantidad de ribosomas para la síntesis proteica.
Los oocitos necesitan un número mayor de ribosomas para atender a la síntesis
proteica en los inicios de la embriogénesis, por lo que en los oocitos de muchos animales
los genes del RNA ribosómico están amplificados; por ejemplo, los oocitos de algunos
anfibios contienen entre 1 y 2 millones de copias de estos genes.
Los oocitos también dependen para su crecimiento de la actividad sintetizadora de
otras células. El vitelo, por ejemplo, se sintetiza habitualmente fuera del ovario y luego el
oocito lo incorpora. En aves, anfibios e insectos, las proteínas del vitelo se sintetizan en el
hígado y son vertidas a la sangre. En los ovarios, los oocitos importan las proteínas
vitelínicas de la matriz extracelular por un mecanismo de endocitosis mediada por
receptor (v. Fig. 13-41).
Figura 13-41 Formación de vesículas revestidas de clatrina a partir de la membrana plasmática. Estas micrografías electrónicas ilustran la secuencia probable de acontecimientos que se producen durante la formación de una
vesícula revestida de clatrina a partir de una depresión revestida de clatrina. Las depresiones y las vesículas revestidas
que aparecen en las fotografías son mucho mayores que las que se presentan en las células de tamaño normal.
Intervienen en la captación de lipoproteínas en un gran oocito de gallina, formando la yema del huevo. En la superficie
extracelular de la membrana plasmática -que se corresponde con la superficie interior de la vesícula- puede verse una
capa electrodensa que corresponde a las lipoproteínas asociadas a su receptores. (Por cortesía de M.M. Perry y A.B.
Gilbert, de J. Cell Sci. 39:257-272, 1979. ©The Company of Biologists.)
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Figura 20-23 Células nodriza y células foliculares
asociadas a un oocito de Drosophíla. Las células
nodriza y el oocito proceden de una misma oogenia,
que da 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, resultantes de una división celular
incompleta. Finalmente, las células nodriza descargan
el contenido de su citoplasma en el oocito y se
autodestruyen. Las células foliculares se desarrollan
independientemente (a partir de las células del
mesodermo).
Los nutrientes también pueden
proceder de las células accesorias del
ovario. Las hay de dos tipos. En algunos
invertebrados, determinadas células de
la progenie de las oogonias se
transforman en células nodriza y no en
oocitos.
Estas células generalmente están
conectadas al oocito por puentes citoplasmáticos a través de los cuales pueden pasar las
macromoléculas directamente al oocito (Fig. 20-23). En los oocitos de los insectos,
sintetizan muchos de los productos -ribosomas, mRNA, proteínas y otras moléculas- que
los oocitos de los vertebrados tienen que sintetizar ellos mismos.
Otras células accesorias del ovario que colaboran en la nutrición de los oocitos en
desarrollo son las células foliculares, presentes en invertebrados y vertebrados.
Figura 20-24 Micrografía electrónica de oocitos primarios en desarrollo en el ovario de una hembra de conejo.
(A) Estadio inicial de un oocito primario en desarrollo. Todavía no se han formado ni la cubierta vitelina ni los gránulos
corticales y el oocito está rodeado por una monocapa de células foliculares planas.
(B) Oocito primario más maduro, observado a un aumento seis veces menor, debido a que es mucho más grande que
el oocito de (A). Este oocito presenta una delgada cubierta vitelina y está rodeado por varias capas de células foliculares
y una lámina basal que lo aislan de las otras células del ovario. El oocito primario, junto con las células foliculares que lo
rodean, forma un folículo primario. Las células foliculares están conectadas entre sí y con el oocito mediante uniones de
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tipo gap. (De The Cellular Basis of Mammalian Reproduction [J. Van Blerkom y R Motta eds.]. Baltimore-Munich: Urban
& Schwarzenberg, 1979.)
Se disponen como una capa de células epiteliales alrededor del oocito (Fig. 20-24 y
v. Fig. 20-23), al que están conectadas mediante uniones de tipo gap, que permiten el
intercambio de moléculas pequeñas pero no de macromoléculas. Estas células no pueden
proporcionar macromoléculas al oocito a través de estas uniones, pero pueden colaborar
suministrando los precursores, de menor tamaño, a partir de los cuales se sintetizan.
Además, a menudo las células foliculares secretan macromoléculas que contribuyen a la
formación de las cubiertas del oocito o son incorporadas por el oocito en crecimiento
mediante endocitosis o actúan como receptores de la superficie celular del oocito
controlando el patrón espacial y las asimetrías axiales de los oocitos (v. Capítulo 21).
ESPERMATOZOIDES
En la mayoría de especies existen dos tipos de gametos muy distintos: el oocito,
una de las células más voluminosas del organismo; y el espermatozoide, probablemente
más pequeña. Ambos están optimizados en sentidos diferentes para la transmisión de los
genes que transportan. El oocito es una célula inmóvil que asegura la supervivencia de
los genes maternos mediante una gran cantidad de materia prima para el crecimiento y el
desarrollo, y una eficaz cubierta protectora. El espermatozoide está preparado para la
propagación de los genes paternos utilizando las reservas maternas: es una célula muy
móvil e hidrodinámica, lo que le proporciona velocidad y eficacia para la fecundación. La
competencia entre los espermatozoides es intensa y la mayoría fracasan en su misión: de
los miles de millones que son liberados en el período fértil de la vida de un hombre, sólo
unos cuantos fecundarán un oocito.
Los espermatozoides están extraordinariamente
especializados en transmitir su DNA a un oocito
En general, los espermatozoides son células "despojadas", con un potente flagelo
que les da impulso para desplazarse en un medio acuoso, pero sin organillos citoplasmáticos como ríbosomas, retículo endoplasmático, o complejo de Golgi, orgánulos, que
no necesitan para transmitir el DNA al oocito. Sin embargo, contienen muchas
mitocondrias colocadas estratégicamente donde pueden proporcionar, con la mayor
eficacia, la energía que necesita el flagelo para su movimiento. Un espermatozoide está
formado normalmente por dos regiones, morfológica y funcionalmente distintas, limitadas
por una membrana plasmática única. Estas regiones son la cola, que impulsa el
espermatozoide hacia el oocito y le ayuda a atravesar la cubierta oocitaria, y la cabeza,
donde se encuentra el núcleo haploide (Fig. 20-25). El DNA del núcleo está fuertemente
empaquetado, de modo que su volumen queda reducido al mínimo facilitando su
transporte y no es posible la transcripción. En muchas especies los cromosomas de los
espermatozoides carecen de las histonas que presentan las células somáticas y en su
lugar están empaquetados con unas proteínas de elevada carga positiva llamadas
protaminas.
En la cabeza de los espermatozoides de muchos animales existe una vesícula
secretora muy especializada en estrecha aposición con la parte anterior de la envoltura
nuclear llamada vesícula acrosómica (v. Fig. 20-25). Esta vesícula contiene enzimas
hidrolíticas que ayudan a atravesar la envoltura externa del oocito. Cuando un
espermatozoide entra en contacto con un oocito, el contenido de la vesícula se libera por
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exocitosis, la denominada reacción acrosómica; en algunos espermatozoides, esta
reacción también deja al descubierto o libera proteínas que colaboran específicamente en
la unión del espermatozoide con la cubierta del oocito.
La cola móvil de un espermatozoide es un largo flagelo, cuyo axonema emerge de
un corpúsculo basal situado justo por debajo del núcleo. Como se describe en el Capítulo
16, el axonema está formado por dos microtúbulos centrales rodeados por nueve dobletes
de microtúbulos dispuestos ordenadamente. El flagelo de algunos espermatozoides
(incluido el caso de los mamíferos) se diferencia de los otros flagelos en que el habitual
patrón 9 + 2 del axonema está rodeado además por nueve fibras densas externas (Fig.
20-26). Se desconoce el papel que desempeñan estas fibras densas y no contráctiles en
el movimiento del flagelo, que se produce por el deslizamiento entre los dobletes
adyacentes de microtúbulos. El movimiento flagelar está impulsado por la dineína,
proteína motora de los microtúbulos, que
utiliza la energía de la hidrólisis del ATP para
el deslizamiento de los microtúbulos, como se
ha visto en el Capítulo 16. El ATP lo generan
las
mitocondrias
extraordinariamente
especializadas de la parte anterior de la cola
del espermatozoide (denominada pieza,
intermedia], que es el lugar donde se
necesitan (v. Figs. 20-25 y 20-26).
En la mayoría de mamíferos,
los espermatozoides
se producen de manera continuada
En los mamíferos, existen diferencias
importantes en la manera en que se producen
los
oocitos
(oogénesis)
y
los
espermatozoides (espermatogénesis). En
las mujeres, las oogonias proliferan
exclusivamente en el feto, entran en meiosis
antes del nacimiento y se detienen,
transformadas en oocitos, en la profase de la
meiosis I, estado en el cual se pueden
mantener durante más de 50 años. Los
oocitos maduran a partir de este limitado
stock y ovulan a intervalos, generalmente
empezando en la pubertad. En cambio, en el
hombre la meiosis y la espermatogénesis no
empiezan hasta la pubertad y desde entonces
se producen de manera continua
Figura 20-25 Espermatozoide humano.
en el epitelio que forma la pared de unos
Esquema de la sección longitudinal
largos y enrollados tubos del testículo,
los túbulos seminíferos. Las células germinales las espermatogonias, se localizan
alrededor lámina basal, donde proliferan del límite externo de estos túbulos junto a la
continuamente por mitosis.
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Figura 20-26 Esquema de la sección
transversal de la pieza media de un espermatozoide de mamífero. El centro del
flagelo está formado por un axonema
rodeado por nueve fibras densas. Éste
comprende dos microtúbulos sencillos
rodeados
por
nueve
dobletes
de
microtúbulos. Las mitocondrias (verde) están
bien situadas para proporcionar el ATP
necesario para el movimiento flagelar; su
disposición en espiral (v. Fig. 20-25) se debe
a la fusión de pequeñas mitocondrias
durante
la
diferenciación
de
las
espermátidas.
Algunas de las células hijas paran la proliferación y se diferencian en
espermatocitos primarios. Éstos entran en la profase meiótica, en la que se aparean los
cromosomas homólogos y se producen los entrecruzamientos, y después continúan hasta
terminar la división meiótica I, dando lugar a dos espermatocitos secundarios, cada uno
de los cuales contiene 22 cromosomas autosómicos duplicados y un cromosoma X o Y
duplicado. Los dos espermatocitos secundarios procedentes de un espermatocito primario
entran en la segunda división meiótica, produciendo cuatro espermátidas, cada una de las
cuales tiene una dotación cromosómica haploide. Las espermátidas experimentan una
diferenciación morfológica que las transforma en espermatozoides (Fig. 20-27), los cuales
son liberados a la luz del túbulo seminífero (Fig. 20-28). A continuación los
espermatozoides pasan por el epidídimo, un tubo muy sinuoso que se encuentra pegado
a los testículos, donde son almacenados y donde se produce su maduración final.
Un rasgo interesante de la espermatogénesis es que las células germinales masculinas en desarrollo no completan la división citoplasmática (citocinesis) ni durante la
mitosis ni durante la meiosis. Por consiguiente, grandes clones de células hijas
diferenciadas descendientes de una espermatogenia madura permanecen conectados por
puentes citoplasmáticos, formando un sincitio (Fig. 20-29). Los puentes citoplasmáticos se
mantienen hasta el final de la diferenciación de los espermatozoides, cuando éstos son
liberados a la luz del túbulo. Ello explica el hecho de que los espermatozoides maduros
aparezcan sincrónicamente en cualquier área del túbulo seminífero. Sin embargo, ¿cuál
es la función de esta organización sincitial?
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Al contrario que los oocitos, los espermatozoides experimentan la mayor parte de
su diferenciación después de que el núcleo haya completado la meiosis, siendo por lo
tanto células haploides. Sin embargo, la presencia de puentes citoplasmáticos entre ellos
significa que cada espermatozoide haploide en desarrollo comparte un citoplasma común
con sus vecinos. Así, puede disponer de todos los productos de un genoma diploide
completo. Por ejemplo, el espermatozoide en desarrolIo que transporta el cromosoma. 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 de igual mañera
que en la diferenciación de los
oocitos.
Figura 20-27 Etapas de la espermatogénesis.
Las espermatogonias se forman a partir de las
células germinales primordiales que migran al
testículo en las primeras etapas de la
embriogénesis. Cuando el animal alcanza la
madurez sexual, las espermatogonias empiezan
a proliferar rápidamente, generando una línea de
células que mantienen la capacidad de dividirse
continua e indefinidamente (como células madre
de las espermatogonias) y otra línea celular
(espermatogonias en maduración) que, después
de un número limitado de mitosis, entra en la
meiosis transformándose en espermatocitos
primarios.
Los espermatocitos primarios continúan la
división meiótica I hasta convertirse en
espermatocitos secundarios. Completada la
división
meiótica
II,
los
espermatocitos
secundarios
producen
las
espermátidas
haploides,
que
se
diferencian
en
espermatozoides maduros.
La espermatogénesis se diferencia de la
oogénesis (v. Fig. 20-22) en varios aspectos. (I) A
partir de la pubertad, continuamente se producen
nuevas células que inician la meiosis. (2) Cada
célula que empieza la meiosis da lugar a cuatro
gametos maduros y no a uno solo. (3) Los
espermatozoides maduros se forman mediante
un elaborado proceso de diferenciación celular,
que empieza cuando acaba la meiosis. (4) Se
dan aproximadamente dos veces más divisiones
en la producción de un espermatozoide que en la
producción de un oocito. En el ratón, por
ejemplo, se ha calculado que por término medio
se producen unas 56 divisiones entre el zigoto y
el espermatozoide maduro y alrededor de 27
entre el zigoto y el oocito maduro.
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Figura 20-28 Esquema muy simplificado de la sección transversal de un túbulo seminífero de testículo de
mamífero.
(A) Todas las fases de la espermatogénesis que se muestran tienen lugar mientras los gametos en desarrollo están en
íntima asociación con las células de Sertoli. Estas grandes células se extienden desde la lámina basal hasta el lumen
del túbulo seminífero; son necesarias para la supervivencia de las células germinales y son análogas a las células
foliculares del ovario (v. Fig. 20-18). La espermatogénesis también depende de la testosterona secretada por las células
de Leydig situadas entre los túbulo seminíferos. (B) Las espermatogenias en división se encuentran apoyadas sobre la
lámina basal. Algunas de ellas se autorrenuevan como células madre de las espermatogenias, mientras que otras se
transforman en espermatogenias maduras. Después de un determinado número de mitosis, las espermatogenias
maduras frenan las mitosis y entran en la meiosis transformándose en espermatocitos primarios. Posteriormente, los
espermatozoides son liberados al lumen del túbulo. En el hombre, tienen que pasar 24 días para que un espermatocito
complete la meiosis y se transforme en espermátida, y otras 5 semanas para que una espermátida se convierta en un
espermatozoide. Los espermatozoides experimentan una maduración posterior y se hacen móviles en el epidídimo; sólo
entonces son espermatozoides completamente maduros.
Algunos de los genes que regulan la espermatogénesis se han conservado a lo
largo de la evolución desde las moscas hasta los seres humanos. El gen DAZ, por
ejemplo, que codifica una proteína de unión a RNA y que se localiza en el cromosoma Y,
falta en muchos hombres estériles, la mayoría de los cuales no pueden producir
espermatozoides. Dos genes de Drosophila homólogos a DAZ son esenciales para la
espermatogénesis en esta especie. Las proteínas de unión a RNA son especialmente
importantes en la espermatogénesis porque muchos de los genes expresados en la línea
espermática están regulados a nivel de la traducción del RNA.
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Figura 20-29 Puentes
citoplasmáticos entre
los espermatozoides en
desarrollo y sus
precursores.
Generalmente, las células
descendientes de una
espermatogenia madura
permanecen conectadas
entre sí por puentes
citoplasma-ticos durante
su diferenciación hasta
espermatozoides
maduros. Para una mejor
comprensión sólo se
muestra la entrada en la
meiosis de dos
espermatogenias
maduras unidas, que
producen ocho
espermátidas haploides
también unidas. En
realidad, el número de
células conectadas que
pasan por las dos
divisiones meióticas y se
diferencian
sincrónicamente es
mucho mayor del que se
representa aquí. Es
interesante señalar que,
en el proceso de
diferenciación, la mayor
parte del citoplasma de
las espermátidas se
separa en forma de
cuerpo residual.
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