Espermiogénesis de los introspermos
Los introspermos son producidos por todos los cefalópodos, los neomenioides (Aplacophora), unos pocos bivalvos, y muchos grupos de gasterópodos incluyendo los caenogastropodos, los opistobranquios y los pulmonados. Los introspermos de los moluscos son extremadamente variables y de estructura más compleja, con una variedad de modificaciones en las regiones de la cabeza, la pieza media y la cola. Los cambios morfológicos que se producen durante la espermiogénesis, por tanto, reflejan esta variabilidad. Las espermátides tempranas, como las de aquasperma, tienden a tener un núcleo esférico con un mosaico de heterocromatina (Fig. 2(A)), y durante esta etapa puede formarse un material denso en electrones llamado placas en el futuro polo posterior o en los polos anterior y posterior de la superficie nuclear. La placa anterior suele estar compuesta por una capa de material extranuclear, mientras que la placa posterior parece estar causada por el engrosamiento de la membrana nuclear interna. En las espermátidas tempranas el citoplasma tiene numerosas mitocondrias, a menudo más de un cuerpo de Golgi, un retículo endoplásmico bien desarrollado y uno o dos centríolos (algunas de estas características se muestran en la Fig. 2(A) y (B)). A medida que la espermátide madura se alarga, durante lo cual el núcleo cambia de forma y se produce la condensación de la cromatina.
Fig. 2. Representación diagramática (interpretada a partir de imágenes de microscopio electrónico de transmisión) de algunas etapas de la espermiogénesis introspermática en algunos taxones de moluscos. A, Espermátidas tempranas mostrando núcleos con mosaico de cromatina. B y C. Espermátidas medias en las que la cromatina se vuelve granular. Obsérvese el desarrollo de la polaridad de la célula con la vesícula acrosomal (AV) situada en el polo anterior. D. Espermátida tardía con cromatina fibrosa en el núcleo. Obsérvense los microtúbulos (MT) que rodean el núcleo. E. Espermátida media con condensación de cromatina que comienza en la periferia del núcleo. El núcleo también se ha invaginado posteriormente para formar la fosa del núcleo posterior que alberga el complejo centriolar (CE). F. Espermátida tardía con núcleo alargado y pieza media. La cromatina tiene ahora un aspecto fibroso y el núcleo se ha invaginado completamente para formar un canal central que alberga el complejo centriolar (CE) y el axonema (AX). G y H. Secciones longitudinales a través de espermátides tardías mostrando etapas en el desarrollo del derivado mitocondrial (MD). I. Sección transversal a través de la pieza media en la fase temprana de formación del derivado mitocondrial. J. Sección transversal a través de la pieza media de una fase tardía de formación del derivado mitocondrial. AP, pedestal acrosómico; AV, vesícula acrosómica; AX, axonema; BP, placa basal; CE, centríolos del complejo centriolar; CF, fibra gruesa; F, flagelo; G, cuerpo de Golgi; GH, hélice de glucógeno; M, mitocondria; MD, derivado mitocondrial; MT, microtúbulo; N, núcleo; RER, retículo endoplásmico rugoso; flecha, puente citoplasmático. No dibujado exactamente a escala.
A-D: un cefalópodo decápodo (modificado de Healy, J., 1990. Ultrastructure of spermatozoa and spermiogenesis in Spirula spirula (L.): Systematic importance and comparison with other cephalopods. Helgoländer Meeresuntersuchungen 44, 109-123); E y F: un caenogástrodo (modificado de Buckland-Nicks, J., Williams, D., Chia, F-S., Fontaine, A., 1983. Estudios sobre los espermatozoides polimórficos de un caracol marino. 2. Génesis del esperma eufórico. Gamete Research 7, 19-37); G-J: un gasterópodo pulmonado (modificado de Healy, J., 2001. Spermatogenesis and oogenesis. En: Barker, G.M. (ed.), The Biology of Terrestrial Molluscs. Oxon: CABI Publishing, pp. 357-382).
En los cefalópodos decápodos (sepia y calamares) hay una fase granular de condensación de la cromatina (Fig. 2(B)) similar a la descrita para las espermátidas tempranas del acuaspermo. Los gránulos de 20 nm se distribuyen homogéneamente por todo el núcleo. A medida que la espermátida madura, estos gránulos de cromatina se transforman estructural y bioquímicamente. Los gránulos se remodelan en finas fibras (de unos 35 nm de diámetro) con una orientación anteroposterior (Fig. 2(D)) que contienen histonas hiperacetiladas y un precursor de protamina (Chiva et al., 2011). A continuación, el grosor de las fibras aumenta hasta unos 50 nm de diámetro con un aumento del precursor de protamina y una disminución de la histona hiperacetilada. Finalmente, las fibras más gruesas se unen, lo que da lugar a un núcleo uniformemente denso en electrones, y en esta etapa la protamina se asocia ahora con el ADN. En los cefalópodos octópodos la transición proteica nuclear durante la espermiogénesis es similar a la de los decápodos, pero la condensación de la cromatina es algo diferente, ya que comienza en las regiones polares (desarrollo anterior y posterior de los espermatozoides) del núcleo en lugar de hacerlo simultáneamente en todo el mismo. A continuación, la condensación de la cromatina se extiende progresivamente por todo el núcleo. En muchos caenogástrofos, después de la fase granular fina, la condensación de la cromatina se produce primero en la periferia del núcleo (Fig. 2(E)), extendiéndose hacia el interior, mientras que en los pulmonados, la condensación de la cromatina se produce uniformemente en todo el núcleo. A continuación, se produce la fase fibrilar (Fig. 2(F) y (G)) durante la cual las histonas se transforman de forma gradual y continua a través de una serie de precursores de protaminas en protaminas (Chiva et al., 2011). La fase final del cambio de la cromatina implica una fase laminar, las láminas finalmente se unen para dar lugar al núcleo uniformemente denso en electrones.
Durante la condensación de la cromatina el cambio de la forma nuclear del introspermo puede ser profundo. El cambio de forma comienza con la invaginación posterior del núcleo para formar lo que se convertirá en la fosa de implantación de la(s) centríola(s) o derivado centriolar (Fig. 2(C)-(H)). En algunos caenogástrofos el núcleo espermático alargado se desarrolla como un tubo largo debido a la formación de un canal intranuclear central (Fig. 2(F)). Esto se produce por la profundización gradual de la fosa de implantación. A medida que la fosa se hace más profunda, la(s) centríola(s) o el derivado centriolar migran hacia el canal junto con el axonema que, por tanto, penetra en la longitud del núcleo (Fig. 2(F)). En otros gasterópodos, como los opistobranquios, los pulmonados y algunos cefalópodos, el núcleo de las espermátidas más tardías sufre cierta torsión (Fig. 2(H)), convirtiéndose en helicoidal o en quilla helicoidal.
El desarrollo del acrosoma comienza en las espermátidas tempranas a menudo después de que se haya establecido la polaridad del núcleo. En los Neritimorpha (Gastropoda), la formación del acrosoma comienza con la producción de varias vesículas proacrosómicas pequeñas unidas a la membrana y densas en electrones por el cuerpo de Golgi situado en la base. En la mayoría de los demás taxones, el o los complejos de Golgi secretan una sola vesícula proacrosomal (Fig. 2(A)). A medida que el espermatozoide madura, la vesícula migra hacia delante y se sitúa en el centro de la placa nuclear anterior. En los caenogástrofos, la migración de la vesícula suele ir acompañada del cuerpo de Golgi, que sigue produciendo material para el acrosoma en desarrollo (Fig. 2(E) y (F)). El cuerpo de Golgi también puede estar asociado al retículo endoplásmico. Durante la migración de la vesícula acrosómica suele adquirir material extravesicular y estructuras que eventualmente forman material subvesicular, una placa basal o un pedestal entre el acrosoma y el núcleo (Fig. 2(E)-(H)).
La pieza media del introspermo de los moluscos con su centríolo, centriolos o derivados centriolares y mitocondrias varía en complejidad y por lo tanto los cambios estructurales durante la espermiogénesis son también muy variables. En los cefalópodos que no son Octopoda, numerosas mitocondrias pequeñas y no modificadas se congregan en el extremo posterior en desarrollo del núcleo de las espermátidas medias y tardías para ubicarse dentro de un espolón o vaina de la membrana celular que es adyacente o rodea la sección anterior de la cola (Fig. 2(C) y (D)). En los espermátides medios de los octópodos la fusión mitocondrial se produce cuando las mitocondrias se disponen alrededor del axonema en la base del núcleo. En las espermátidas medias y tardías de los caenogástrodos las mitocondrias también comienzan a acumularse en la región basal del núcleo (Fig. 2(E)) donde se fusionan (Fig. 2(F)) para formar elementos mitocondriales modificados que varían en número, longitud y complejidad estructural interna entre los taxones. A medida que el espermatozoide y su axonema se alargan, los elementos mitocondriales rodean y se extienden a lo largo del axonema. En algunas especies, los elementos mitocondriales de la mitad de la espermátide comienzan a formar una espiral suelta alrededor del axonema y, en la fase tardía de la espermátide, se disponen como elementos helicoidales continuos. A medida que las mitocondrias se fusionan, las cristas pueden formar una membrana continua o transformarse en estructuras en forma de placa.
En los gasterópodos superiores, como los pulmonados y los opistobranquios, a medida que avanza la espermiogénesis, el axonema continúa alargándose y las pequeñas mitocondrias migran posteriormente, donde se agrupan a lo largo del axonema, donde comienzan a fusionarse (Fig. 2(G) e (I)). Al mismo tiempo, nueve fibras de origen desconocido se asocian al axonema y lo rodean (Fig. 2(I) y (J)). A medida que el espermatozoide madura, las mitocondrias continúan fusionándose y se envuelven alrededor del axonema como una vaina (Fig. 2(I) y (J)). A medida que la envoltura progresa, el material mitocondrial se transforma y en el espermatozoide tardío se organiza como capas paralelas circulares de material de matriz paracristalina en lo que se denomina un derivado mitocondrial que se mueve en espiral a lo largo del axonema (Healy, 2001). Durante la envoltura y la transformación se desarrollan uno o más canales tubulares dentro del derivado mitocondrial. En el espermatozoide maduro estos canales adquieren glucógeno y por ello se denominan hélices de glucógeno (Fig. 2(H) y (J)). El glucógeno es una característica de los espermatozoides de muchos moluscos. Este producto de almacenamiento suele aparecer tarde en la espermiogénesis. A menudo se deposita intra-axonémicamente y además una sección del axonema (a menudo la sección posterior) de los espermatozoides tardíos de caenogástridos y opistobranquios se rodea de glucógeno para formar una región llamada pieza de glucógeno. Hasta la fecha no se ha explicado el mecanismo de captación de glucógeno en las espermátidas.
Una característica de la espermiogénesis tardía de muchos taxones de moluscos es la eliminación del exceso de citoplasma de las espermátidas en las regiones nuclear, de la pieza media o de la cola. El exceso de citoplasma con orgánulos como el cuerpo de Golgi y el retículo endoplásmico puede ser desechado por la descamación del citoplasma y/o reducido por la autofagia y la actividad lisosomal. Otra característica de la espermiogénesis tardía de los cefalópodos, algunos caenogástrofos y pulmonados es el desarrollo de un anillo de microtúbulos (llamado manchette) alrededor del núcleo de condensación y/o la pieza media del espermatozoide (Fig. 2(C), (D), (H) y (J)). El papel preciso de los microtúbulos no se ha establecido, aunque se ha sugerido que en algunas especies desempeñan un papel para ayudar a formar la forma del espermatozoide.