Polispermia

A polispermia"Bioloxía fundamental" en Vocabulario de ciencias naturais. Santiago de Compostela, Xunta, 1991Diccionario galego de termos médicos. Santiago de Compostela, Xunta de Galicia, 2002 ou poliespermiaVocabulario multilingüe de acuicultura. Santiago de Compostela, Centro Ramón Piñeiro para a Investigación en Humanidades, 2002 é a penetración de máis dun espermatozoide dentro do óvulo durante unha fertilización. Isto ocorre de maneira normal en especies con óvulos con moito vitelo (como os das aves, tiburóns e quimeras), pero despois só un espermatozoide se fusiona co núcleo do óvulo.Lackie, J.M. (2007). The dictionary of cell and molecular biology (fourth edition). United Kingdom: Academic Press. Dispoñible en  Os mecanismos para que se produza este fenómeno aínda non se coñecen totalmente.

O seu antónimo é monospermia.

 Efectos da polispermia 

A pesar de que son moitos os espermatozoides que poden unirse a un óvulo, normalmente só un se fusiona coa membrana plasmática deste e inxecta o seu núcleo e outros orgánulos no citoplasma do óvulo. Se se produce a fusión de máis dun espermatozoide, e, por tanto, prodúcese o fenómeno da polispermia, xérase a formación de fusos mitóticos extra ou multipolares, o que ocasiona a segregación defectuosa dos cromosomas durante a división celular, de modo que se forman células non diploides e o desenvolvemento xeralmente queda detido.Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., Roberts, K. & Walter, P. (2002). Molecular biology of the cell (fourth edition). Garland Science. Dispoñible en 

No ourizo de mar, a fertilización por dous espermatozoides orixina un núcleo triploide, no que cada cromosoma está representado tres veces en lugar de dúas. Ademais, debido a que o centríolo cedido por cada espermatozoide se divide para formar os dous polos do aparato mitótico, os cromosomas triploides serán desprazados desde catro posicións diferentes por microtúbulos do fuso, formando catro células que terán unha carga cromosómica diferente. Estas células, por tanto, morren ou desenvólvense de xeito anormal.Gilbert, S.F. (2000). Developmental Biology (sixth sdition). Sinauer Associates. Dispoñible en 

En humanos, xeralmente a poliploidía é mortal para o embrión e foi detectada en abortos espontáneos aproximadamente no 10 ao 20% dos casos.Gardner, A.J. & Evans, J.P. (2006). Mammalian membrane block to polyspermy: new insights into how mammalian eggs prevent fertilisation by multiple sperm. Reproduction, Fertility and Development, 18: 53-61. Dispoñible en 

 Bloqueo da polispermia 

Debido á inviabilidade do embrión despois dun evento de polispermia, é importante que, a pesar de que se unen moitos espermatozoides á capa que rodea o óvulo, só un espermatozoide se fusione coa membrana plasmática e introduza o seu núcleo dentro deste. Para iso, os animais desenvolveron dous mecanismos principais.

 Bloqueo rápido 

O bloqueo rápido da polispermia conséguese por medio dun cambio no potencial eléctrico da membrana plasmática do ovo (ou óvulo), que actúa como unha barreira selectiva entre o citoplasma e o ambiente extracelular. Así, a concentración iónica difire significativamente entre un lado e o outro, sobre todo en canto aos ións sodio (Na+) e potasio (K+). Na auga do mar a concentración externa de sodio é especialmente alta, polo que este mecanismo utilízano principalmente os invertebrados mariños.KAP Genetics and Development (Cols. Marcey, D). Early Development Tutorial. Chapter 13B: Animal Fertilization and Cleavage. Dispoñible en 

Este tipo de bloqueo lévase a cabo pola apertura de canles dependentes de sodio que permiten a entrada do ión no citoplasma celular, despolarizando a membrana, é dicir, incrementando as cargas positivas no interior desta (normalmente, o potencial de membrana, chamado potencial de repouso, é de -70mV, o que indica que as cargas negativas son maiores no interior da célula, pero coa fusión do esperma o potencial chega a valores positivos).

Un experimento no que se demostrou a importancia do sodio no bloqueo rápido da polispermia realizárono Laurinda Jaffe e colaboradores, cambiando a concentración deste ión no ambiente. Así, ao reducir a concentración de sodio incrementábase o número de ovos poliespérmicos, debido a que a apertura das canles non levaba a unha entrada de suficientes moléculas no citoplasma e, por tanto, non se daba o cambio necesario no potencial.

Non hai certeza sobre como un cambio no potencial de membrana actúa sobre o espermatozoide para bloquear unha fertilización secundaria. A hipótese máis aceptada é que o espermatozoide leva un compoñente sensible á voltaxe (posiblemente unha proteína fusoxénica —para a fusión de membranas— cargada positivamente) cuxa inserción no citoplasma depende da carga eléctrica na membrana do ovo.

En Rana pipiens o potencial de membrana cambia a +8mV, un segundo; incrementándose lentamente ata os +17mV. Este potencial mantense durante 20 minutos.Cross, N.L. & Elinson, R.P. (1980). A fast block to polyspermy in frogs mediated by changes in the membrane potential. Developmental Biology, 75(1): 187-198. Porén, este mecanismo non se presenta en píntegas, e tampouco é útil para evitar a polispermia na fertilización cruzada de ovos de Xenopus por espermatozoides de píntega.Jaffe, L.A., Cross, N.L. & Picheral, B. (1983). Studies of the voltage-dependent polyspermy block using cross-species fertilization of amphibians. Developmental Biology, 98(2): 319-326.
O bloqueo rápido por depolarización da membrana demostrouse ademais no verme mariño Urechis caupo, no que ademais se probou a importancia do cambio no potencial per se máis que o do fluxo de ións,Gould-Somero, M., Jaffe, L.A. & Holland, L.Z. (1979). Electrically mediated fast polyspermy block in eggs of the marine worm, Urechis caupo. J. Cell Biology, 82: 426-440. e en dúas especies de algas fucoides (unha familia de algas pardas)Brawley, S.H. (1987). A sodium-dependent, fast block to polyspermy occurs in eggs of fucoid algae. Developmental Biology, 124(2): 390-397. e en estrelas de mar.Miyazaki, S-i. (1979). Fast polyspermy block and activation potential : Electrophysiological bases for their changes during oocyte maturation of a starfish. Developmental Biology, 70(2): 341-354.

Mentres que especies non mamíferas utilizan este tipo de bloqueo de membrana, en mamíferos funciona por un mecanismo diferente, ao non observarse ningunha depolarización de membrana en ovos fertilizados de rato, hámster e coello.Gardner, A.J., Willliams, C.J. & Evans, J.P. (2007). Establishment of the mammalian membrane block to polyspermy: evidence for calcium-dependent and -independent regulation. Reproduction, 133: 383-393. Dispoñible en http://www.reproduction-online.org/cgi/content/full/133/2/383  (Ver abaixo, Bloqueo en mamíferos).

 Bloqueo lento 
Cómpre un segundo mecanismo para evitar a entrada de varios espermatozoides no citoplasma do óvulo debido a que o mecanismo rápido é transitorio: o potencial de membrana dun ovo só se mantén positivo durante un período de tempo curto. Así, o segundo mecanismo involucra un evento duradeiro, a chamada reacción de gránulos corticais.

Cando o esperma se fusiona coa membrana plasmática do óvulo xera un incremento local no calcio citosólico, que se dispersa pola célula como unha onda. Existen probas que apoian a idea de que a onda ou as oscilacións (nalgúns mamíferos preséntanse oscilacións máis que ondas) de Ca2+ son inducidas por unha proteína que é introducida polo espermatozoide. Porén, en ourizos de mar e mamíferos, o incremento na concentración de calcio non se debe á entrada deste ión desde o medio extracelular, senón á liberación do ión desde depósitos intracelulares. Os ións calcio almacénanse no retículo endoplasmático do óvulo e son liberados pola activación de canles de calcio dependentes de inositol trisfosfato (IP3) da membrana do retículo endoplasmático. Este composto actívase precisamente polo contacto coas proteínas do espermatozoide. 
En ourizos de mar e ras o retículo endoplasmático esténdese ata o córtex celular e rodea os gránulos corticais, polo que o calcio é directamente responsable da propagación da reacción cortical. Unha vez expulsados dos seus depósitos, os iones libres teñen a capacidade de inducir a expulsión de máis calcio que aínda está secuestrado nos sitios de almacenamento, xerando así a onda de propagación e a exocitose dos gránulos corticais.

O mecanismo de exocitose é o seguinte. Xusto debaixo da membrana plasmática do óvulo hai miles de gránulos corticais (no ourizo de mar arredor de 15.000), que se activan para realizar a exocitose pola onda de calcio propagada xusto despois da entrada do espermatozoide. Por medio deste proceso as vesículas situadas no citoplasma fusiónanse coa membrana e liberan o seu contido. No ourizo de mar, os gránulos liberan varias proteínas no espazo entre a membrana plasmática do ovo e a capa fibrosa das proteínas da envoltura vitelínica. Entre as proteínas liberadas están proteases que degradan as unións de conexión entre a envoltura vitelínica e a membrana plasmática, ademais de retirar os receptores de bindina (aos cales se une o espermatozoide) e con estes calquera espermatozoide unido ao ovo. Adicionalmente, libéranse mucopolisacáridos que xeran un gradiente osmótico, que fai que a auga entre nese espazo e expanda a envoltura, xerando a membrana de fertilización. Un terceiro encima liberado, unha peroxidase, fortalece a membrana de fertilización ao entrelazar os residuos de tirosina das proteínas adxacentes.

A formación da membrana de fertilización empeza no punto de entrada do espermatozoide e continúa a súa expansión polo resto do ovo. Por este proceso tamén se produce a formación da capa de hialina, formada pola liberación dunha cuarta proteína con ese nome, pero que ten a función de dar soporte aos blastómeros durante a segmentación do ovo.

 Bloqueo en peixes 

A diferenza de moitos outros organismos, o contacto entre o espermatozoide e o ovo nos peixes dáse unicamente despois de que o gameto masculino entrou por unha canle chamada micrópilo, situado nun sitio específico do ovo. Talvez por iso a maioría dos peixes non presentan acrosoma no seu espermatozoide.Murata K. 2003. Blocks to polyspermy in fish: a brief review // Aquaculture and pathobiology of crustacean and other species . Proc. 32-nd UJNR Aquacult. Panel symp. Davis and Santa Barbara, California, U.S.A. P. 1–15.

Por tanto, os mecanismos de bloqueo da polispermia en peixes difiren considerablemente. Este proceso nos peixes lévase a cabo en polo menos catro pasos. Primeiro, danse cambios na estrutura do micrópilo, que se cerra para reducir o número de espermatozoides que alcanzan a membrana plasmática do ovo. Despois, prodúcese a formación do cono de fertilización, derivado da fusión entre as membranas de ambos os gametos, que tapona a apertura do micrópilo. Posteriormente, hai interaccións entre as lectinas liberadas dos gránulos corticais e os espermatozoides supernumerarios no vestíbulo do micrópilo: inicialmente as proteínas inmobilizan os espermatozoides que despois son expulsados do vestíbulo ao incrementarse a presión osmótica do fluído perivitelínico. Seguidamente, o fluído perivitelínico coas lectinas interacciona co exterior da capa fibrosa, para eliminar a orientación e atracción do esperma cara ao micrópilo. Finalmente, ten lugar a reacción de zona, endurecendo o corion e chegando así a pechar totalmente o micrópilo.

 Bloqueo en mamíferos 

Pénsase que varios procesos nos que está implicado o tracto reprodutivo da femia, como a capacitación e o contacto co reservorio ovidutal, serven para regular o número de espermatozoides que alcanzan o sitio de fertilización en moitas especies.

Nos mamíferos o bloqueo da polispermia no óvulo ocorre principalmente a dous niveis: na zona pelúcida (análoga á envoltura vitelínica en non mamíferos) e na membrana plasmática. Por tanto, existe unha diferenciación espacial, pero, a diferenza das especies non mamíferas nas que a diferenciación é ademais temporal, nos organismos desta clase non existe unha diferenza temporal entre os dous tipos de bloqueo.

O bloqueo na zona pelúcida é bastante similar ao dos organismos non mamíferos. A fusión do espermatozoide co ovo tamén induce un sinal de Ca2+, iniciado no lado oposto ao sitio de unión do esperma, que activa ao ovo para realizar a reacción cortical. Porén, nos mamíferos non se crea a membrana de fertilización. En lugar disto, ocorre a modificación dos receptores na zona pelúcida, alterando a composición de proteínas da familia ZP. Este proceso denomínase reacción de zona.

Sen un incremento na concentración de Ca2+ non é posible a liberación dos gránulos corticais para previr a polispermia nin a continuación da meiose e a subseguinte entrada dentro dos ciclos celulares embriolóxicos. Ocilacións do calcio observáronse en peixes medakas, ourizos de mar, ras, ratos, hámsteres, bovinos, coellos e humanos.Jones, K.T. (1998). Ca2+ oscillations in the activation of the egg and development of the embryo in mammals. Int. J. Dev. Biol., 42: 1-10.

Por outro lado, o bloqueo da membrana en óvulos de mamífero difire amplamente do mecanismo de despolarización atopado nos organismos non pertencentes a esta clase zoolóxica. En mamíferos este bloqueo parece ser a culminación de múltiples eventos que en conxunto modifican a receptividade da membrana do óvulo ao espermatozoide.

Como apoio á existencia dun mecanismo múltiple, McAvey e colaboradores mostraron que a taxa de espermatozoides fusionados por ovo (sen zona pelúcida) aumentaba cando eran tratados cunha droga que alteraba a actina do citoesqueleto, o que suxire que a diminución na receptividade ao espermatozoide posfertilización require de certas funcións do citoesqueleto da membrana plasmática do óvulo, e que non ten implicación nas oscilacións na concentración de calcio nin na exocitose de gránulos corticais, que era similar á dos óvulos control.McAvey, B.A., Wortzman, G.B., Williams, C.J. & Evans, J.P. (2002). Involvement of Calcium Signaling and the Actin Cytoskeleton in the Membrane Block to Polyspermy in Mouse Eggs . Biology of Reproduction, 67(4): 1342-1352.

Ademais, certos experimentos que utilizaron marcadores fluorescentes para seguir certos lípidos de membrana en óvulos de rato indican que existen cambios na organización destes, inducidos pola fertilización. Porén, non se sabe moito máis.
Finalmente, demostrouse que as ondas de incremento de calcio reguladas pola interacción co espermatozoide determinan o tempo de establecemento da membrana de bloqueo, un proceso que é máis lento en óvulos que experimentan unha ou ningunha onda de calcio. Porén, o calcio parece ser só un facilitador no bloqueo da membrana, que funciona xunto con eventos asociados á fertilización, aínda descoñecidos.

Vantaxe evolutiva
Na evolución produciuse unha carreira de armamentos entre as femias, ás que lles interesa evitar a polispermia, e os machos, aos que lles interesa ter espermatozoides con alta capacidade de fecundar, o que facilita que varios consigan á vez a fertilización, e os espermatozoides de varios machos compiten entre eles se a femia se aparea con varios machos. Por un lado a polispermia crea cigotos inviables e diminúe a eficacia biolóxica (firness) das femias, pero por outro, se as defensas que desprega a femia para evitalo son demasiado potentes, pode impedirse a fertilización. Isto leva a ter que chegar a un delicado compromiso entre os dous feitos, e suxeriuse que isto pode ser a causa da relativamente alta taxa de infertilidade observada nas especies de mamíferos.Morrow, E. H., G. Arnqvist, T. E. Pitcher. 2002. The evolution of infertility: Does hatching rate in birds coevolve with female polyandry? Journal of Evolutionary Biology. 15:702-709.

 Notas 

 Véxase tamén 
Outros artigos
 Fecundación
 Xemelgos semi idénticos

 Ligazóns externas 
 Bloqueo lento da polispermia nun ovo de ourizo de mar onde se observa a creación da membrana de fertilización.  
 Comportamento do esperma no tracto xenital feminino. 

Categoría:Bioloxía do desenvolvemento
Categoría:Reprodución
Categoría:Embrioloxía