Un espermatozoide de mamífero se caracteriza por tener dos partes morfológicas y funcionales, es decir, la cabeza y el flagelo, cada una optimizada para una tarea especial. Ambas unidades se forman y ensamblan durante la fase citomorfogénica de la espermatogénesis, conocida como espermiogénesis. Mientras que el flagelo es el módulo motor que ayuda a proporcionar la «fuerza» que impulsa a los espermatozoides eyaculados hasta el lugar del óvulo para la fecundación, la cabeza encapsula precisamente la mitad del genoma paterno que, una vez engullido en el ooplasma del óvulo, da lugar a la formación del cigoto y a la restauración de la condición diploide. Para ello, el espermatozoide debe atravesar las barreras de protección del ovocito, la capa de células del cúmulo y la zona pelúcida (ZP). Antes de penetrar en la ZP, el espermatozoide fecundante debe sufrir un cambio morfológico en la cabeza que implica la ruptura del acrosoma con la consiguiente liberación de las enzimas hidrolíticas almacenadas, la llamada reacción acrosómica (RA).1 De ahí la importancia del acrosoma que se considera indispensable para la fecundación.1 Los espermatozoides sin acrosoma son de hecho infértiles.2 En los primeros estudios realizados en roedores se informó de que el lugar en el que el espermatozoide fecundante inicia la RA se encuentra en el cúmulo,3 pero estudios posteriores, realizados con óvulos sin cúmulo, establecieron a lo largo de los años que el inductor fisiológico de la RA de los mamíferos es la ZP.4,5 Esta segunda opinión está ahora muy extendida y es generalmente aceptada. Sin embargo, recientemente, Jin et al.6 utilizando la técnica de fecundación in vitro con ovocitos de ratón encerrados en el cúmulo y espermatozoides transgénicos marcados con fluorescencia para detectar el inicio de la RA, han demostrado que los espermatozoides, en condiciones naturales, sufren la RA dentro del cúmulo. Así que, con este reciente hallazgo, parece que el cúmulo es crucial para la RA tal y como se concibió originalmente.7
Uno se preguntaría si existe una especie de destino paralelo que implique los estudios dedicados a la naturaleza del acrosoma. Originalmente, el acrosoma se describió como un lisosoma modificado.8 Sin embargo, estudios sucesivos establecieron que el acrosoma es una vesícula secretora derivada directamente del Golgi.9,10 Sin embargo, pruebas experimentales recientes,11 indican la necesidad de revisar el concepto de «acrosoma = orgánulo derivado del Golgi». En línea con la sugerencia original, Berruti et al.12 han propuesto el acrosoma como un nuevo orgánulo relacionado con el lisosoma (LRO). Los LROs representan una familia de orgánulos con membrana restringidos a ciertos tipos de células especializadas, que incluyen melanosomas, gránulos líticos, cuerpos densos de plaquetas, exosomas y sinaptosomas.13,14 Los LROs tienen etapas funcionales y dinámicas de maduración como lo indica la participación de muchas proteínas de la familia Rab, es decir, pequeñas GTPasas críticas para la fusión y el transporte de vesículas.13-15 En particular, la biogénesis de los LROs se caracteriza por el flujo dinámico de proteínas y vesículas entre distintos compartimentos endosomales; en el centro del endosoma temprano (EE) la vía endocítica se conecta con la vía exocítica que a su vez clasifica, a través de la red trans-Golgi (TGN), las proteínas recién sintetizadas desde el retículo endoplásmico (RE) al sistema endosomal.14 Por un lado, los sistemas de transporte vesicular en la biogénesis del TGN son bastante comunes entre los distintos tipos de células, pero por otro lado, la carga/es de proteínas que transportan las vesículas puede variar ampliamente, dependiendo de la expresión específica del tejido o de la célula de la carga dada. Hu et al.15 han proporcionado un perfil preciso de los proteomas de los LROs.
En resumen, llegamos a la conclusión de que el acrosoma puede representar un nuevo miembro de la familia de los LROs teniendo en cuenta, en conjunto, una serie de rasgos que caracterizan al acrosoma de los espermatozoides, algunos de los cuales han sido bien establecidos mientras que otros han sido descubiertos recientemente. Brevemente, (a) el acrosoma contiene un pH ácido y algunas hidrolasas lisosomales, así como algunas enzimas/proteínas únicas como la acrosina y la proteína de unión a la acrosina (ACRB/OY-TES-1).11 Estas proteínas siguen la vía biosintética (transporte anterógrado) y se empaquetan en vesículas centrales densas en electrones, llamadas gránulos proacrosomales, probablemente en/después de la red de Golgi trans (TGN).16 Se ha descrito que proteínas motoras como KIFC1 17 y miembros de la familia Rab como Rab 27a18 funcionan en el tráfico de vesículas desde el Golgi al acrosoma; (b) la acrosomogénesis se agrupa en cuatro fases: Golgi, Cap, Acrosoma y Maduración. Al final de la fase Cap, el aparato de Golgi de la espermátida migra al lado opuesto de la célula,10,16 finalizando así el transporte de glicoproteínas al acrosoma a través de la vía biosintética del Golgi. Sin embargo, se han descrito vías extra-Golgi que contribuyen a la ampliación y maduración del acrosoma en desarrollo;19,20 (c) el TGN es uno de los principales centros de tráfico de la célula, ya que participa en el transporte de proteínas/membranas desde la vía biosintética, así como en la recepción de carga proteica por transporte retrógrado desde los compartimentos endocíticos;21 (d) pruebas recientes han demostrado que los componentes de la maquinaria endocítica están implicados en la biogénesis del acrosoma, proporcionando apoyo experimental a la temprana sugerencia de West y Willison20 de que hay al menos dos fuentes de transporte vesicular, una derivada del Golgi y otra de la membrana plasmática, concurrentes al desarrollo del acrosoma. Entre los componentes descubiertos se encuentran: Afaf (factor asociado a la formación del acrosoma) que se localiza en los endosomas positivos a EEA1 (early endosome antigen 1);22 SH3P13, una proteína vesicular que funciona en la endocitosis de receptores mediada por clatrina;23 SPE-39, un regulador de la entrega lisosomal originalmente identificado en células espermatogénicas;24 UBPy,25 una enzima deubiquitadora originalmente identificada como una proteína que interactúa con la proteína de tráfico endocítico Hbp26 y el factor de intercambio RasGRF1.27
En el ratón, UBPy, ahora denominada oficialmente Usp8 (proteasa específica de la ubiquitina 8), fue identificada molecularmente como una deubiquitinasa que contiene las características típicas de la familia UBP de enzimas deubiquitadoras.27 Aunque está presente en más tejidos, la mUBPy está altamente expresada y restringida a los testículos y al sistema nervioso central.27 Convencionalmente, las deubiquitinasas promueven la eliminación y el procesamiento de la ubiquitina conjugada de las proteínas, desempeñando así funciones reguladoras tanto a nivel del recambio como de la degradación de proteínas. Sucesivamente, explotando las tecnologías de transfección celular, UBPy/Usp8 se revela como un regulador clave de la clasificación endosomal y de la morfología de las vesículas.28-30 Sin embargo, para establecer un papel fisiológico «in vivo», UBPy/Usp8 se ha estudiado ampliamente en las células germinales masculinas con las siguientes observaciones:12 (1) UBPy interactúa con la espermátida Hbp/STAM2 que, por sí sola, interactúa con su compañero de unión Hrs para dar lugar al complejo espermático ESCRT-0. ESCRT-0 (Endosomal Sorting Complex Required for Transport-0) es el complejo que primero asigna la direccionalidad a la clasificación endosomal y es reclutado al EE (endosoma temprano); (2) las vesículas marcadas con UBPy/Hbp/Hrs se desarrollan en el acrosoma en formación; que también es positivo para EEA1; (3) Vps54, una proteína vesicular que trabaja en el transporte retrógrado desde el EE,31,32 está implicada en la acrosomogénesis; (4) UBPy, a través de su dominio MIT (microtubule interacting and trafficking/transport), se asocia directamente con los microtúbulos de los espermatozoides, mediando así probablemente el vínculo entre la vesícula endocítica itinerante clasificada y los microtúbulos; la acrosomogénesis es un proceso dependiente de los microtúbulos análogo a la LRO-biogénesis.14,16 Estos hallazgos, junto con otros estudios recientes (véase el trabajo sobre EHD1 33), apoyan firmemente la evidencia de que la vía endocítica también desempeña un papel crítico en la biogénesis del acrosoma. Además, muy recientemente se ha demostrado que los espermatozoides de ratón que expresan la variante Vps54(L967Q) carecen de acrosoma porque las vesículas marcadas con UBPy y Vps54(L967Q) no son capaces de desarrollarse en un acrosoma.34 La mutación puntual Vps54(L967Q) es responsable del fenotipo del ratón wobbler,35 caracterizado por la enfermedad de la neurona motora y el defecto de espermiogénesis. Los espermatozoides wobbler son de cabeza redonda, carecen de acrosoma y son infértiles.34 Todavía no está claro por qué la mutación Vps54 de wobbler afecta en particular a las motoneuronas y a las espermátidas. Hasta ahora Vps54 se ha estudiado esencialmente en la levadura, donde da lugar junto con Vps51, Vps52 y Vps53 al complejo Golgi Associated Retrograde Protein (GARP);31,32 en particular, Vps54 trabaja en el transporte retrógrado del EE al TGN.32 Tras el descubrimiento del complejo GARP en la levadura Saccharomices cerevisiae hace una década, su estudio entró en una pausa y sólo recientemente ha resurgido el interés con la caracterización del complejo ortólogo en eucariotas superiores.36 Sin embargo, la levadura no tiene LRO. Podría ser que -esto es sólo una visión especulativa para sugerir una posible dirección para el trabajo futuro- en tipos de células especializadas caracterizadas por la presencia de un LRO específico, Vps54, reclutado a través de activadores/efectores específicos de la célula, ate la carga de la proteína EE al LRO en formación. La figura 1 ilustra un dibujo esquemático simplificado de la biogénesis del acrosoma. Dado que los modelos animales son herramientas importantes para la investigación de los trastornos del LRO que se sabe que caracterizan a algunas enfermedades genéticas humanas,13,14 el ratón wobbler, caracterizado por la mutación puntual Vps54(L967Q), podría ser una herramienta útil para estudiar la acrosomogénesis defectuosa.
Representación esquemática de la biogénesis del acrosoma propuesta como LRO. La carga biosintética derivada del Golgi y destinada al acrosoma se clasifica a nivel del TGN. Aquí, parte de la carga proteica se empaqueta directamente o a través del EE (flechas verdes discontinuas) en el gránulo pro-acrosomal denso (PG), mientras que parte de la carga de membrana se clasifica en la membrana plasmática (flecha verde discontinua). Esta carga de membrana es entonces reclutada, a través de los reguladores endocíticos/proteínas de polaridad cruzadas, al EE y en lo sucesivo es destinada (flechas amarillas) al dominio de membrana correcto del pro-acrosoma en desarrollo (PA). El mismo destino caracteriza a otra carga proteica que, una vez marcada con la firma de ubiquitina (capa roja) en la membrana plasmática, es reconocida selectivamente por el complejo UBPy/ESCRT-0 y reclutada al EE (flecha amarilla). Las cargas de proteínas/membranas vesiculares endocitadas destinadas al acrosoma (flechas amarillas) son atadas por Vps54 desde el EE al PA, que no sólo crece, sino que se aplana y adquiere su forma característica para convertirse en el acrosoma (A). Sin embargo, parte del contenido proteico del EE se destina al cuerpo multivesicular (MVB) que, al no evolucionar hacia un lisosoma, se hipotetiza que es desechado en el cuerpo citoplasmático.
En una nota final, queremos recordar la atención hacia otra dirección de investigación potencialmente importante. Los espermatozoides son células altamente polarizadas; los espermatozoides logran no sólo distintos dominios de membrana plasmática polarizados, sino también una fuerte polarización de los orgánulos celulares como el acrosoma en el polo anterior y el flagelo en el polo posterior de la célula. El establecimiento de esta polarización es esencial para la función del esperma, como se explica en la introducción de este comentario. La evidencia acumulada ahora revela que la endocitosis juega un papel importante no sólo en el establecimiento/mantenimiento de los dominios de membrana polarizados, sino también en la localización intracelular adecuada de las proteínas clave de la polaridad.37 Se sabe que los componentes de la maquinaria ESCRT, que controlan la clasificación posterior de las cargas endocíticas desde el EE, son necesarios para la polaridad epitelial, mientras que, por el contrario, las proteínas que actúan a continuación de la clasificación ESCRT no son necesarias.37 Al mismo tiempo, algunas proteínas de polaridad también pueden regular la maquinaria endocítica.37 Por lo tanto, en otras palabras, se trata de un concepto emergente sobre la regulación recíproca entre las proteínas de polaridad y los reguladores endocíticos. No sólo eso, sino que otra pregunta clave corolario reserva la atención: ¿cómo se clasifican las proteínas residentes acrosómicas entre las vesículas/organelos de tráfico anterógrados/retrógrados convencionales y específicos de los espermatozoides? Podría ser novedoso e intrigante emprender una investigación para estudiar la posible relación «endocitosis-polaridad-señal de clasificación de proteínas» durante la acrosomogénesis. Por último, otra cuestión abierta es cómo se acopla la clasificación de la carga a la motilidad de las vesículas durante la acrosomogénesis, especialmente a la luz del hallazgo de que la UBPy es capaz de interactuar con los microtúbulos de los espermatozoides.12 Estudios recientes13-15,38 han revelado que miembros específicos de los complejos AP-1, AP-2, AP-3 y AP-4, estructural y funcionalmente relacionados, que son componentes de vesículas recubiertas que median el tráfico intracelular de proteínas integrales de membrana, junto con proteínas motoras como la cinina KIF13A, la dineína citoplasmática y la miosinaVa, regulan coordinadamente la clasificación y el posicionamiento endosomal para facilitar la biogénesis del LRO. Sería interesante verificar y aclarar si y qué clatrina-adaptadores y motores moleculares son reclutados en la biogénesis del acrosoma.
Aquí hemos destacado brevemente tres direcciones principales potencialmente importantes (es decir, la contribución de la maquinaria endocítica, la interacción entre las vías endocíticas y biosintéticas, y la relación «endocitosis-polaridad-señal de clasificación») en el estudio de la biogénesis del acrosoma. Dado que el acrosoma ha sido considerado, a lo largo de los años, esencialmente como un derivado directo del Golgi, la vía ‘ER-Golgi-acrosoma’ ha sido ampliamente estudiada y establecida. La visión ‘ER-Golgi-acrosoma’ ha estado tan extendida que los componentes moleculares de la maquinaria de tráfico (entre los que se encuentran la mencionada proteína motora KIFC1 17 y el receptor de vesículas Rab 27a,18 por citar sólo dos ejemplos), se han atribuido al transporte biosintético (Golgi → acrosoma en desarrollo). Por el contrario, el análisis proteómico de las vesículas endocíticas ha revelado que KIFC1 es una proteína asociada al endosoma temprano,39 mientras que Rab27a, un miembro de la familia Rab de GTPasas similares a Ras, se sabe que funciona en la maduración y/o el tráfico del LRO.13-15 Por último, no podemos descuidar que si componentes clave de la maquinaria de EE como el complejo UBPy/ESCRT-0, necesario para el reconocimiento y clasificación de receptores transmenbrana ubiquinados seleccionados, están implicados en la biogénesis del acrosoma, esto sugiere la existencia de un factor/es de la membrana espermática que necesita ser reclutado selectivamente a nivel del acrosoma. Dado que un fallo en la biogénesis del acrosoma da lugar a la esterilidad masculina, con una repercusión particular en cuanto a la infertilidad humana,2 se espera que los estudios futuros se dirijan a dilucidar la biología del acrosoma en su totalidad.