Por qué demasiados espermatozoides estropean el huevo

Fuente: Caricatura original de Alex Martin

Informes bien documentados que abarcan 25 años han arrojado una creciente evidencia de que los conteos de espermatozoides están cayendo en los países industrializados. (Ver mi publicación del 20 de abril de 2017 Going, Going, Gone ) Los conteos de esperma humano se están hundiendo ) . Una caída de más del 50 por ciento en conteos durante un período de 40 años por fin ha despertado el interés de los medios, provocando alarmantes amenazas de extinción humana. . Aunque muchos ven esto como buenas noticias para el planeta, es poco probable que suceda lo suficientemente rápido. Además, esta historia tiene un aspecto secundario poco comentado: los hallazgos poco discutidos indican que demasiados espermatozoides también pueden dañar la fertilidad.

Diagrama de un espermatozoide humano que muestra el núcleo que contiene un conjunto haploide de 23 cromosomas en su cabeza. El conjunto incluye un solo cromosoma sexual, ya sea una X o una Y.

Fuente: Adaptado de un diagrama por AGeremia (trabajo propio); a través de Wikimedia Commons, archivo licenciado bajo la licencia Reconocimiento-Compartir Igual 3.0 Unported de Creative Commons.

Fertilización por más de un esperma

Es ampliamente conocido que la fertilización de un huevo de mamífero por más de un esperma ( polispermia ) tiene efectos catastróficos. Cuando se producen células sexuales (óvulos y espermatozoides), la cantidad habitual de cromosomas se reduce a la mitad. Las células del cuerpo humano normalmente tienen 46 cromosomas ( número diploide ), pero una célula sexual contiene solo 23 ( número haploide ). Una célula sexual contiene solo un cromosoma sexual, X en un huevo y X o Y en un espermatozoide. La fusión de un espermatozoide con un óvulo en la fecundación restablece el número normal de cromosomas, y se produce aproximadamente el mismo número de descendencia femenina (XX) y masculina (XY). Si dos espermatozoides fecundan un óvulo, las cosas se vuelven completamente erróneas, produciendo una descendencia triploide con 69 cromosomas con un conjunto adicional además del par materno / paterno normal. Un óvulo fertilizado por tres espermatozoides recibe dos conjuntos de cromosomas adicionales, lo que da como resultado un individuo cuadrúpedo con 92 cromosomas. Los conjuntos de cromosomas adicionales perjudican directamente la determinación del sexo. Un individuo triploide, por ejemplo, tiene una combinación anormal de cromosomas sexuales (XXX, XXY o XYY).

Huevo humano casi maduro, con sus capas circundantes (zona pelúcida, corona radiada). Al igual que en otros mamíferos, la yema se limita a un grupo relativamente pequeño de gránulos, mientras que la zona pelúcida bloquea la fertilización por más de un espermatozoide.

Fuente: Wikimedia Commons, imagen de dominio público (después de O. Hertwig y G. Retzius). Fuente: Conklin, EG (1914) Hechos y factores de desarrollo. Popular Science Monthly 84: 524.

Se podría pensar que todos los animales poseen mecanismos efectivos para evitar la fertilización de un óvulo por más de un espermatozoide. Sin embargo, en al menos algunas especies de peces y aves, varios espermatozoides fertilizan el huevo. Solo después de que los mecanismos especiales se aseguren de que solo un conjunto de cromosomas masculinos contribuya a la descendencia. Entonces, ¿por qué la fertilización con esperma único del huevo es la regla para los mamíferos? Se ha sugerido una conexión con el tamaño diminuto del huevo de mamífero, que es extremadamente pequeño porque no contiene yema. Sea cual sea el motivo, una vez que el óvulo ha sido fecundado, dos capas circundantes -la zona pelúcida exterior transparente y la membrana del huevo subyacente- generalmente impiden la entrada de espermatozoides adicionales.

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Demasiados espermatozoides vinculados al aborto espontáneo

John MacLeod y Ruth Gold proporcionaron una indicación temprana de un inconveniente para los altos recuentos de esperma en un documento de 1957. Compararon la calidad del semen entre los hombres cuyas esposas experimentaron abortos involuntarios repetidos y los hombres que habían engendrado al menos tres niños vivos normales sin embarazos fallidos intermedios. Sorprendentemente, la calidad del semen fue mayor en el grupo de aborto espontáneo. Los hombres en ese grupo tenían concentraciones de esperma significativamente más altas (un promedio de más de 100 millones / ml) y más espermatozoides móviles (con un promedio de más del 60 por ciento). Casi el doble (26 por ciento versus 14 por ciento) tenían concentraciones de esperma que excedían los 200 millones / ml. MacLeod y Gold también notaron que casi un tercio de los hombres que produjeron cuatro o más niños vivos sin embarazos fallidos solo tenían concentraciones de espermatozoides moderadas (20-59 millones / ml).

Comparación de las concentraciones de esperma entre hombres cuyas esposas sufrieron 3 o más abortos espontáneos y padres de 3 o más niños supervivientes. Los hombres en el primer grupo tenían concentraciones de espermatozoides notablemente más altas, con 26% que tenían más de 200 millones / ml en comparación con 14% para los padres con al menos 3 hijos supervivientes.

Fuente: Adaptado de una figura en MacLeod & Gold (1957).

Mucho más tarde, en 1975, Naghma-E-Rehan y sus colegas publicaron un análisis de muestras de semen recogidas antes de la vasectomía de 1.300 hombres que habían engendrado al menos dos niños. Las concentraciones de esperma variaron ampliamente, de 1.5 a 375 millones / ml, promediando 65 millones / ml. Quince hombres (poco más del 1 por ciento) tenían valores extraordinariamente altos. En esta condición extrema, conocida como polizoospermia en círculos médicos, las concentraciones de esperma superan los 250 millones / ml y el conteo total de espermatozoides supera los 800 millones. Los cónyuges de seis de estos hombres (40 por ciento) habían experimentado al menos un aborto involuntario, en comparación con una tasa general del 7 por ciento. Para las esposas de 25 hombres que tenían recuentos de espermatozoides por debajo de 10 millones / ml, pero habían engendrado dos o más hijos, la tasa fue solo del 4 por ciento.

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Resumen de las anomalías cromosómicas encontradas en una encuesta a gran escala de tejido de abortos espontáneos. En muchos casos, como el síndrome de Down, solo hay un cromosoma adicional (trisomía), produciendo un total de 47 (barras amarillas). La adición de uno o dos conjuntos de cromosomas completos produce triploidía (con 69 cromosomas) y cuadruploide (92 cromosomas), respectivamente (barras rojas). Tr = translocaciones cromosómicas.

Fuente: Adaptado de una figura en Boué et al. (1975)

Varios estudios de material fetal de abortos espontáneos han demostrado que a menudo hay anomalías cromosómicas importantes. En 1975, Joëlle Boué y sus colegas publicaron un estudio histórico de 1.500 casos. Al analizar las frecuencias relativas de los diferentes tipos de anomalías cromosómicas, estimaron que se produce algún tipo de aberración en la mitad de todas las concepciones. Entre esas aberraciones, alrededor del 20 por ciento tenía 69 cromosomas (triploidía), que podrían surgir de dos espermatozoides fertilizando un óvulo, mientras que otro 6 por ciento tenía 92 cromosomas (cuadruploide), indicando potencialmente tres espermatozoides fertilizantes.

Fetos con conjuntos de cromosomas adicionales

La fertilización de un óvulo por dos espermatozoides da como resultado la presencia de un conjunto de cromosomas triploides, incluidos tres cromosomas sexuales. Esta condición puede, sin embargo, surgir de otras dos maneras. En primer lugar, debido a un error de desarrollo, un espermatozoide puede ocasionalmente tener dos conjuntos de cromosomas en lugar del habitual. Tal esperma fertilizando un huevo produciría una condición triploide. Segundo, un óvulo anormal con dos conjuntos de cromosomas podría ser fertilizado por un espermatozoide normal.

Varios estudios médicos han arrojado evidencia directa de la doble fertilización de los óvulos humanos, generalmente con consecuencias fatales. Casi todas las concepciones con triploidía se eliminan en el útero y las pocas que logran sobrevivir sobreviven durante unas pocas horas. Un informe de 1977 de Nora Blackwell y sus colegas describió a un bebé con múltiples anomalías graves que murieron poco después del nacimiento. Se encontró que tenía 69 cromosomas, incluidos tres cromosomas sexuales (XXY). Las características de ciertos cromosomas que solo podrían haber provenido del padre convincentemente indicaban que dos espermatozoides habían fertilizado el óvulo.

Poco después, Patricia Jacobs y sus colegas siguieron este informe de caso único con una visión general de los orígenes de los triploides humanos. Su pionero documento de 1978 examinó todos los abortos involuntarios durante dos años en un hospital de maternidad de Hawai. En 21 de los 26 fetos abortados con triploidía, pudieron identificar la fuente de los cromosomas adicionales. Un conjunto adicional de cromosomas provino del padre en 17 casos y de la madre en 3, con un caso sin resolver. Cálculos adicionales indicaron que dos tercios de los triploides resultaron de la fertilización de dos espermatozoides, un cuarto de la fertilización por un solo espermatozoide con un doble conjunto de cromosomas y solo uno de cada diez de un espermatozoide normal que penetra un huevo que posee dos conjuntos de cromosomas. Jacobs y sus colegas notaron que la triploidía es relativamente común en humanos, y estiman que afecta del 1 al 3 por ciento de todas las concepciones detectables.

Beneficiándose de técnicas más avanzadas, en 2000 Qinghua Shi y René Martin informaron hallazgos de números aberrantes de cromosomas en más de 200,000 espermatozoides de 10 hombres chinos sanos en comparación con una muestra similar de 10 canadienses sanos. La frecuencia media de los espermatozoides diploides que contienen 46 cromosomas fue notablemente baja, menos del 0,4 por ciento. A pesar de las marcadas diferencias entre los donantes en cuanto a la presencia de espermatozoides diploides, no hubo una distinción general entre los hombres chinos y canadienses. También en 2000, Michael Zaragoza y sus colegas informaron sobre un estudio sobre el origen parental de los cromosomas en 91 abortos involuntarios con triploidía. Confirmaron que la mayoría de los casos eran atribuibles a la fertilización del óvulo por dos espermatozoides.

Implicaciones de la polispermia

Hay, entonces, evidencia clara de que los hombres pueden producir demasiados espermatozoides, no solo muy pocos. Pero las discusiones sobre el número de espermatozoides en humanos y otros mamíferos generalmente se enfocan exclusivamente en la necesidad de grandes números, sin hacer referencia al riesgo de concentraciones excesivas de esperma que pueden amenazar el desarrollo fetal. Por esta razón, las nociones unilaterales actuales de "competencia de esperma" necesitarán un reexamen cuidadoso. Como señaló el experto en espermatozoides Michael Bedford en un perspicaz artículo de 2008: "… uno debe desconfiar del concepto de que hay una 'raza' para alcanzar los óvulos no fertilizados en función de la velocidad del esperma, y ​​de imágenes de los medios que muestran muchos espermatozoides que supuestamente compiten por un huevo no fertilizado ".

^Referencias

^{Bedford, JM (2008) Rompecabezas de la fertilización de mamíferos, y más. Revista Internacional de Biología del Desarrollo 52 : 415-426.}

^{Blackwell, NJ, Keeling, JW y Lindenbaum, RH (1977) Origen dispermico de un triploide 69, XXY. Human Genetics 32 : 121-124.}

^{Boué, J., Boué, A. y Lazar, P. (1975) Estudios epidemiológicos retrospectivos y prospectivos de 1500 abortos espontáneos humanos cariotípicos. Teratología 12 : 11-26.}

^{Gardner, AJ y Evans, JP (2006) Bloque de membrana de mamíferos para la polispermia: nuevos conocimientos sobre cómo los huevos de mamíferos impiden la fertilización por múltiples espermatozoides. Reproducción, fertilidad y desarrollo 18 : 53-61.}

^{Hunter, RHF (1996) Control ovárico de relaciones de esperma / huevo muy bajas al comienzo de la fertilización de mamíferos para evitar la polispermia. Reproducción molecular y desarrollo 44: 417-422.}

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^{Shi, Q. & Martin, RH (2000) Frecuencias espontáneas de espermatozoides aneuploides y diploides en 10 hombres chinos normales: evaluados mediante hibridación fluorescente multicolor in situ. Cytogenetics & Cell Genetics 90 : 79-83.}

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^{Zaragoza, MV, Surti, U., Redline, RW, Millie, E., Chakravarti, A. y Hassold, TJ (2000) Origen parental y fenotipo de triploidía en abortos espontáneos: Predominancia del diandrio y asociación con la mola hidatidiforme parcial. American Journal of Human Genetics 66 : 1807-1820.}