Los investigadores identifican una causa poco frecuente de infertilidad masculina y descubren una posible cura

By Hugo Francisco de Souza Sep 18 2023 Reviewed by Sophia Coveney

En un estudio reciente publicado en la revista eBioMedicine, los investigadores estudiaron la base genética de la astenozoospermia, la principal causa de fertilidad masculina.

Sus exámenes multidisciplinares lograron identificar la adenilato quinasa 9 (AK9), una enzima implicada en el metabolismo energético de los espermatozoides y en la homeostasis de los nucleótidos celulares, como esencial para la fecundación al permitir a los espermatozoides nadar hacia el óvulo incluso en medios sin azúcar.

Los investigadores identifican una proteína clave que desempeña un papel esencial en la fertilidad masculina

La necrozoospermia puede ser una causa de infertilidad masculina

Se descubrió que las mutaciones en el gen AK9 causan infertilidad masculina, tanto en modelos murinos como en humanos. Aunque estas mutaciones genéticas son de por vida, el equipo descubrió que las inyecciones intracitoplasmáticas de espermatozoides (ICSI) podían rescatar de la infertilidad a los pacientes afectados, curando así la enfermedad.

Infertilidad masculina y astenozoospermia

La infertilidad, la incapacidad de concebir incluso después de un año de relaciones sexuales frecuentes sin protección, es una enfermedad frecuente que afecta aproximadamente al 15% de todas las parejas en edad fértil.

Las investigaciones sugieren que la infertilidad puede deberse a numerosos factores, como la genética, la dieta, el bienestar mental y, sobre todo en las mujeres, la edad. Casi la mitad de los casos de infertilidad pueden atribuirse a los hombres, siendo la astenozoospermia la principal causa de esterilidad.

La astenozoospermia, a veces denominada astenospermia, es una afección en la que la motilidad de los espermatozoides está gravemente alterada, lo que hace que los espermatozoides, por lo demás fértiles, sean incapaces de alcanzar con éxito el óvulo femenino para la concepción.

Estudios anteriores han identificado factores genéticos que contribuyen a la astenozoospermia, como la proteína de anclaje de la A-quinasa (AKAP), el tRNAGlu humano (TTC), la cadena pesada axonemal de la dineína (DNAH) y las familias de genes asociadas a los cilios y los flagelos (CFAP). Por desgracia, la etiología genética y la patogénesis molecular que subyacen a la astenozoospermia siguen siendo poco conocidas.

La motilidad de los espermatozoides se debe enteramente al batido de sus flagelos, un proceso impulsado por la energía. El trifosfato de adenosina (ATP) es la fuente principal de esta energía, producida por el flagelo a través de la glucólisis y por las mitocondrias del espermatozoide a través de la fosforilación oxidativa.

Las investigaciones en modelos de ratones macho han demostrado que las alteraciones de cualquiera de las familias de genes mencionadas en los espermatozoides provocan graves trastornos en la generación de energía y, a su vez, en la motilidad de los espermatozoides, lo que se traduce en infertilidad y en el fenotipo de astenozoospermia.

A pesar de encontrarse tanto en invertebrados como en vertebrados, el esperma de mamífero es especial porque sigue siendo móvil incluso en presencia de inhibidores de la glucólisis, lo que sugiere que, además de la glucólisis y la fosforilación oxidativa, la motilidad del esperma de mamífero está regulada por otros metabolismos energéticos poco conocidos.

Se ha sugerido que las adenilato quinasas (Aks) desempeñan esta función transfiriendo grupos fosfato al adenosín difosfato (ADP), produciendo así ATP para uso flagelar. Hasta ahora se han identificado nueve Aks (AK1-AK9), todas las cuales desempeñan algún papel en la motilidad de los espermatozoides, pero no afectan a la fertilidad.

En particular, AK9 se expresa en gran medida en los testículos humanos y participa en el mantenimiento de la homeostasis de los nucleótidos celulares [catalizando] la interconversión de los nucleósido fosfatos. Sin embargo, debido a la falta de inhibidores selectivos de AK, el efecto fisiológico de AK9 en los espermatozoides y su papel en la homeostasis de nucleótidos y el metabolismo energético no se ha descubierto completamente.

Sha et al. (2023)

Acerca del estudio

En el presente estudio, los investigadores utilizaron un enfoque multidisciplinar para identificar la etiología genética y la patogénesis molecular de la astenozoospermia, centrándose en los efectos de las mutaciones en el gen AK9 y su proteína AKD2 codificada. Utilizaron pruebas de pacientes humanos con astenozoospermia y ratones AK9 knockout (Ak9 KO) para identificar el papel del gen en la alteración de la motilidad espermática.

El reclutamiento humano para este estudio se llevó a cabo en el Hospital de Mujeres y Niños de la Universidad de Xiamen. Se reclutaron 165 hombres chinos que presentaban astenozoospermia idiopática (casos) y 200 hombres con fertilidad normal (controles). Las pruebas preliminares revelaron que en todos los parámetros físicos y del semen, excepto la motilidad espermática, las cohortes de casos y controles eran clínicamente idénticas. Las cohortes de casos presentaban una motilidad espermática reducida que oscilaba entre el 0 y el 32%.

Para dilucidar las mutaciones genéticas relacionadas con el gen AK9 y su impacto en la motilidad, se llevó a cabo la secuenciación del exoma completo (WES) del ADN de los participantes. La secuenciación Sanger de los genotipos mutantes identificados se utilizó para la generación de datos a escala fina.

Se predijeron y visualizaron las estructuras de las proteínas AK9 de tipo salvaje (WT) y mutante utilizando la base de datos AlphaFold y la herramienta UCSF Chimera, respectivamente. Los análisis de las características del semen de los espermatozoides de ambas cohortes se llevaron a cabo según lo establecido en el Manual de laboratorio para el examen y procesamiento del semen humano (^5ª edición) de la Organización Mundial de la Salud.

Se utilizó la tecnología de repeticiones palindrómicas cortas agrupadas regularmente espaciadas (CRISPR)/endonucleasa asociada a CRISPR (Cas9) (CRISPR-Cas9) para construir ratones macho Ak9 KO, representantes murinos del fenotipo de astenozoospermia. Se realizó microscopía electrónica (tanto de barrido [SEM] como de transmisión [TEM]) de espermatozoides humanos y murinos para la visualización de la ultraestructura de los espermatozoides.

Se emplearon ensayos de inmunofluorescencia y western blotting para identificar las concentraciones de proteína AK9/AKD2 en muestras de esperma. El ensayo de estructura de la cromatina espermática (SCSA) y la citometría de flujo se utilizaron para la tinción del ADN espermático y la detección de la fragmentación. Los testículos extirpados de ratones Ak9 KO se tiñeron con tintes de hematoxilina y eosina para visualizar la estructura de los testículos.

Se utilizó cromatografía líquida-espectrometría de masas (LC/MS) para detectar y caracterizar las adenosinas espermáticas y medir las tasas de fosfotransferencia. Junto con la citometría de flujo, el kit de ensayo de potencial de membrana mitocondrial (MMP) detectó el potencial de membrana mitocondrial de las muestras de esperma.

Por último, en el caso de los hombres identificados con mutaciones AK9 como causa de infertilidad y astenozoospermia, se llevó a cabo la inyección intracitoplasmática de espermatozoides (ICSI), un proceso mediante el cual se extraen espermatozoides de un donante y se insertan directamente en un óvulo.

Hallazgos del estudio

De los 165 casos varones que presentaban el fenotipo de astenozoospermia idiopática, el análisis genético reveló cinco con mutaciones bialélicas en su gen AK9. De ellos, dos presentaban mutaciones homocigóticas y procedían de familias consanguíneas no emparentadas.

Uno de ellos tenía una mutación homocigota de inserción de cambio de marco, mientras que el otro tenía otra mutación homocigota de inserción de cambio de marco, una mutación heterocigota de deleción sin cambio de marco y una mutación de pérdida de parada.

El análisis in silico del transcrito AK9 humano reveló que las dos mutaciones mencionadas alteraban significativamente la estructura tridimensional de la proteína AK9/AKD2 normal. Las referencias cruzadas de estas estructuras obtenidas con las bases de datos ExAC, 1000 Genomes Project, gnomAD _exome (All) y GnomAD _exome (East Asian) revelaron que estas mutaciones estaban ausentes o eran raras en una población mundial considerable, lo que sugiere que el gen AK9 está muy conservado.

En conjunto, estos hallazgos implican que las mutaciones del gen AK9 se heredan de los padres portadores heterocigotos siguiendo patrones mendelianos, y que las mutaciones son autosómicas recesivas.

Las comparaciones de las características físicas, sexuales secundarias y, sorprendentemente, morfológicas de los espermatozoides de las cohortes de casos y controles, tanto de humanos como de ratones, revelaron que los fenotipos eran idénticos entre las cohortes. Las imágenes SEM y TEM revelaron que AK9 WT y los mutantes eran indistinguibles entre sí incluso a nivel de ultraestructura.

El análisis metabolómico dirigido reveló, sin embargo, que funcionalmente los individuos deficientes en AK9 mostraban niveles de AMP y ADP significativamente reducidos en comparación con sus homólogos WT.

Debido al papel único de la AK en la fosfotransferencia, evaluamos la fracción de fosforilo en el ATP. Sorprendentemente, el ATP marcado con O se redujo significativamente, lo que indica una fosfotransferencia catalizada por AK insuficiente en el esperma de pacientes con deficiencia de AK9. Estos resultados sugieren que las mutaciones bialélicas en AK9 alteran la homeostasis metabólica glucolítica e inhiben la fosfotransferencia catalizada por AK en el esperma humano.

Sha et al. (2023)

Los análisis de espectrometría de masas de espermatozoides mutados por AK9 revelaron que 211 proteínas estaban reguladas al alza y 195 a la baja en los espermatozoides mutantes en comparación con los WT. Los análisis de ontología génica de estas proteínas expresadas diferencialmente revelaron que están implicadas en la producción y conversión de energía, el transporte y metabolismo de carbohidratos, la biosíntesis de metabolitos secundarios, la transducción de señales y el catabolismo.

Por último, la ICSI realizada tanto en modelos de astenozoospermia en ratones como en pacientes humanos mostró resultados satisfactorios. Tres de los cinco pacientes humanos con astenozoospermia participaron en el estudio, y en todos los casos el embarazo se saldó con éxito y el nacimiento de bebés sanos.

Esto pone de relieve que el AK9 sólo afecta a la motilidad y las modalidades energéticas de los espermatozoides, pero no altera su capacidad de fecundación. Así pues, la ICSI puede utilizarse en futuros ensayos clínicos como medida de rescate de la infertilidad masculina en parejas cuya pareja masculina presente mutaciones en su gen AK9.

Conclusiones

En el presente estudio, los investigadores estudiaron la etiología genética y la patogenia molecular de la astenozoospermia, la principal causa de infertilidad masculina.

Sus resultados ponen de relieve que las mutaciones en el gen AK9 reducen gravemente la motilidad de los espermatozoides y alteran su expresión proteica, al tiempo que no modifican su estructura ni su fertilidad. Sus hallazgos ponen de relieve los fundamentos genéticos de la enfermedad y presentan la ICSI como un posible rescate para las parejas en las que el varón padece astenozoospermia.