El epigenoma paterno influye en la susceptibilidad de la descendencia al dismetabolismo
A diferencia de la plétora de funciones pre y postconcepcionales que explotan las madres durante el desarrollo embrionario, durante décadas se ha pensado que la contribución de los espermatozoides es exclusivamente genética. De acuerdo con la teoría de la herencia genética, la contribución paterna a la variabilidad fenotípica de un individuo (incluida su susceptibilidad a la enfermedad) debía atribuirse exclusivamente a la secuencia genética de las variantes alélicas heredadas por vía paterna y a sus interacciones con las heredadas por vía materna1. Hoy en día, está claro que los alelos no son los únicos mensajes genéticos transmitidos por el padre a su descendencia durante la fecundación y que, en cambio, una multitud de señales epigenéticas contribuyen a la herencia paterna 2,3,4. Las señales epigenéticas identificadas hasta ahora incluyen: (1) grupos metilo agregados covalentemente a las citosinas del genoma parental 5,6,7, (2) modificaciones postraduccionales (acetilación, metilación) de histonas asociadas con los cromosomas de los espermatozoides y entregadas a los ovocitos8, (3) la organización 3D de los cromosomas paternos que conduce a la interacción intracromosómica (también conocida como dominios de asociación topológica, TAD) que persiste en el cigoto9,10, y (4) moléculas de ARN regulador (miARN, fragmentos derivados de ARNt y ARN que interactúan con piwi)11,12, así como ARNr13 y ARNt14 liberados por el espermatozoide en el ovocito durante la fertilización.
El epigenoma paterno es un importante vehículo de información para la progenie. La información paterna influirá en el cigoto, en el embrión durante su desarrollo y, después del nacimiento, en la propensión de la descendencia al desmetabolismo y a las enfermedades. Esta herencia no mendeliana (denominada intergeneracional o transgeneracional según si afecta a una o varias generaciones consecutivas), es considerada por muchos autores como uno de los factores encubiertos que contribuyen al aumento drástico de las enfermedades dismetabólicas que se producen en los países occidentales desarrollados15. En efecto, de acuerdo con las teorías PoHaD (Origen Paternal de la Salud y la Enfermedad) y DoHaD (Origen del Desarrollo de la Salud y la Enfermedad), la contribución epigenética de los padres es uno de los factores que predisponen a la descendencia a desarrollar diabetes, obesidad y enfermedades cardiovasculares en la edad adulta16,17. Curiosamente, el epigenoma parental es excepcionalmente susceptible a los estímulos ambientales y puede verse influenciado por condiciones metabólicas (como el consumo de drogas, hábitos dietéticos y aptitud metabólica)18, así como por parámetros estrictamente ambientales (como la exposición a contaminantes, las relaciones sociales y el estrés mental y relacional)5,11. Así, cada uno de los estímulos mencionados puede alterar los epigenomas de las células germinales (espermatozoides y ovocitos) e influir en las generaciones futuras.
El consumo de dietas altas en grasas (HFD) representa uno de los estímulos ambientales más estudiados, capaz de alterar el epigenoma paterno y conducir a mensajes deletéreos entregados a la descendencia19. Este estímulo afecta al fenotipo de la descendencia (hasta la tercera generación), que a menudo muestra una mayor propensión a desarrollar dismetabolismo, independientemente de su ingesta calórica. Los descendientes de padres que consumen HFD manifiestan retraso en el crecimiento, intolerancia a la glucosa y resistencia a la insulina tanto en ratones como en ratas20,21. En los seres humanos, la herencia epigenética se ha estudiado principalmente en las generaciones nacidas durante e inmediatamente después de períodos de hambruna o sobrealimentación22. En la cohorte de Överkalix, la disponibilidad de alimentos de los abuelos paternos durante su período de crecimiento lento se correlacionó con el riesgo de mortalidad general, enfermedades cardiovasculares, IMC, circunferencia de la cintura y masa grasa de sus nietos23. Recientemente, se han confirmado evidencias de transmisión intergeneracional paterna en otras cohortes24.
Metabolitos paternos implicados en la herencia intergeneracional
A pesar de la evidencia clínica y epidemiológica, los detalles moleculares de la herencia intergeneracional paterna siguen sin estar claros. Al principio, la identificación de todos los transductores moleculares de la información epigenética aún no se ha completado. La evidencia científica sugiere que el componente nucleico de los espermatozoides, por sí solo, no puede explicar la complejidad de la herencia intergeneracional. De hecho, se han medido variaciones en la metilación del ADN en los espermatozoides de ratones y ratas alimentados con HFD, pero en un porcentaje tan bajo de la población de espermatozoides que esto no puede explicar la alta penetrancia del fenotipo dismetabólico observada en la descendencia25. Por otro lado, el conjunto de ARN señalizadores transferidos de los espermatozoides a los ovocitos tiene una vida media muy corta y, aunque es capaz de influir en la expresión génica cigótica, parece poco probable que se mantenga en concentraciones efectivas después de la fertilización, en el cigoto en embriones de día 2 y día, en mórulas y en blastocistos. Así, parece evidente que nuevos determinantes moleculares deben estar implicados en el mecanismo de herencia intergeneracional.
Junto con los ácidos nucleicos, los espermatozoides también aportan componentes metabolómicos al cigoto, como lípidos, carbohidratos y aminoácidos 26,27,28,29. Estos metabolitos, en particular los dotados de actividades moduladoras, podrían influir en la expresión génica cigótica y en el desarrollo embrionario y, por lo tanto, podrían actuar como señales epigenéticas30. Además, al igual que los ácidos nucleicos, la concentración y la abundancia relativa de estos metabolitos en los espermatozoides pueden estar influenciadas por las condiciones ambientales experimentadas por el padre y, por lo tanto, representan vehículos de información para la descendencia28,30,31,32,33,34. De hecho, se ha demostrado que el metaboloma espermático de los espermatozoides maduros depende del estado de salud del padre y está influenciado por factores ambientales como la dieta, el ejercicio físico, las sustancias tóxicas y los disruptores endocrinos.
La comprensión del papel de los metabolitos de los espermatozoides en el desarrollo embrionario se complica por varias limitaciones técnicas: (1) la diferencia de tamaño entre el espermatozoide y el ovocito, que da como resultado una contribución mínima de masa metabólica del espermatozoide para el cigoto, y (2) las diversas variaciones metabolómicas que sufre el espermatozoide durante sus etapas de producción (espermatogénesis), maduración del epidídimo, eyaculación y fusión con el ovocito.
Fluctuación del metaboloma de los espermatozoides durante la maduración de los espermatozoides
En los mamíferos, los espermatozoides se producen en los testículos a través de la espermatogénesis, un proceso dependiente de células madre espermatogoniales por el cual las espermatogonias comprometidas se convierten en espermatocitos primarios que entran en meiosis y producen espermátidas haploides redondas. La morfogénesis de estas células en espermatozoides ocurre a través de la espermiogénesis, una remodelación morfofuncional masiva de las espermátidas, de células redondas a células alargadas/condensadas/altamente especializadas, que corresponden a la última fase de la espermatogénesis. Sin embargo, los espermatozoides resultantes son inmóviles y aún no son capaces de fecundar35. Después de la espermiación, a medida que los espermatozoides se liberan de la red testicular al epidídimo, los espermatozoides interactúan con las células epiteliales del epidídimo y se involucran con las proteínas y vesículas exosomales secretadas por estas células (epidídimos, ricos en esfingomielina y ácido araquidónico). El paso a través del epidídimo permite que los espermatozoides alcancen la madurez completa y, aunque se mantengan en un estado pre-capacitado, adquieren competencia para la motilidad36. Durante el tránsito del epidídimo, la membrana del espermatozoide se carga más negativamente y se enriquece en esfingomielina. La membrana espermática también se vuelve más fluida debido a una reducción progresiva del colesterol y un aumento concomitante de los ácidos grasos poliinsaturados (principalmente ácidos araquidónico, docosapentaenoico y docosahexaenoico). Después de la eyaculación, en el tracto genital femenino, las proteínas del líquido seminal y la albúmina promueven la capacitación de los espermatozoides al promover la hiperpolarización y la afluencia de calcio para activar la motilidad de los espermatozoides. La membrana plasmática de los espermatozoides capacitados presenta una mayor fluidez, una baja relación colesterol/fosfolípidos y una reducción del contenido de ácido siálico, gangliósido GM1 y triglicéridos31,37.
Antes de encontrarse con el ovocito, el espermatozoide sufre la reacción acrosómica, una fusión del acrosoma (un orgánulo membranoso derivado de Golgi que cubre la parte anterior del núcleo del espermatozoide y se forma durante la espermiogenisis) con la membrana plasmática del espermatozoide, que facilita la reorganización de la membrana plasmática del espermatozoide y la competencia para penetrar en la zona pelúcida (ZP), una matriz de glicoproteínas que rodea al ovocito35, Artículo 38. Como paso final, la hemifusión entre el espermatozoide y la membrana del ovocito, promovida por las proteínas espermáticas IZUMO1, SPACA6 y TMEM9539, da lugar a la incorporación de lípidos espermáticos en las membranas del ovocito y a la transferencia del contenido nucleico y metabólico al ovocito.
Justificación del procedimiento
El objetivo de este procedimiento es identificar los metabolitos transportados por el espermatozoide y transferidos al ovocito en el momento de la fecundación (Figura 1). Para distinguir entre los metabolitos derivados de los espermatozoides y los ovocitos en el cigoto, los espermatozoides se marcan con deuterio (2H, un isótopo de hidrógeno) o 13C (un isótopo de carbono) utilizando un marcado metabólico in vivo con óxido de deuterio, 2H2O40, o marcados uniformemente con U13C glucosa41. Los ratones machos marcados con isótopos se aparean con hembras no marcadas para recolectar cigotos, mórulas y blastocistos. Los embriones en etapa temprana se procesan para extraer (1) metabolitos polares, (2) metabolitos no polares y (3) esteroles. A continuación, los metabolomas se analizan mediante técnicas de espectrometría de masas. Los metabolitos marcados isotópicamente (paternos) se identificarán y distinguirán de los no marcados (maternos), demostrando inequívocamente su origen paterno.