ASPECTOS CIENTÍFICOS SOBRE EL INICIO DE LA VIDA HUMANA

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1 ASPECTOS CIENTÍFICOS SOBRE EL INICIO DE LA VIDA HUMANA LAS CÉLULAS DE LA FECUNDACIÓN Los protagonistas de la fecundación son los gametos masculinos y femeninos maduros que han terminado un complejo proceso de formación a través de la gametogénesis, que les permite constituirse como las únicas células del organismo capaces de contener solo la mitad del patrimonio genético (23 cromosomas) con una particularidad, la diferenciación genética, que hace posible la maravilla de que cada óvulo y cada espermatozoide tengan una carga genética diferente, gracias a las recombinaciones que se suceden en la meiosis de la gametogénesis. Estas células con la mitad de la dotación cromosómica, se funden para dar origen a un nuevo individuo con la dotación cromosómica completa (46 cromosomas). El Espermatozoide comienza a ser formado en el varón en la pubertad, y su característica principal es su movilidad, gracias a su cola, recorre 7 metros desde los testículos hasta el óvulo y pasa por procesos de maduración selectivos para poder fecundar con eficiencia y especificidad al ovocito. Durante cada eyaculación el hombre expulsa de 300 a 500 millones de espermatozoide. Cada espermatozoide esta formado por una cabeza, un cuello y una cola que es como un flagelo que le da movilidad. Los espermatozoides se mueven en el líquido del esperma o semen, mueven el flagelo con gran rapidez. El Ovocito, es la célula más grande, posee todo el material necesario para el inicio y crecimiento del embrión (su citoplasma esta lleno de nutrientes, proteínas, aminoácidos, RNA, factores morfogénicos, etc.). Dentro de su núcleo posee un núcleo que sólo terminará su proceso de maduración si es fecundado. Ésta célula posee una membrana espesa llamada zona pelúcida (ZP), esencial para la unión especie-específico del espermatozoide (los espermatozoides reconocen ovocitos de su especie) y también para las primeras etapas del desarrollo y diferenciación del embrión pre-implantado. También posee por fuera de esta capa un estrato de células, llamada corona radiada.

2 FECUNDACIÓN La fecundación constituye la formación de un nuevo organismo, un cigoto o embrión unicelular. Este proceso tiene tres etapas fundamentales: 1. Reacción Acrosomial. El espermatozoide toma contacto con la corona radiada y secreta enzimas líticas (de su acrosoma) capaces de dispersar las células de ésta corona radiada, para poder así alcanzar la ZP. Al tomar contacto con la ZP se produce el reconocimiento específico de la especie y luego el espermatozoide libera otra enzima (de su acrosoma) que facilita su penetración en la ZP, que le permite llegar a la membrana plasmática del ovocito. Una vez que toma contacto con la membrana funde su cabeza y es englobada por el ovocito para que pueda ingresar completamente en su citoplasma. Fig. 1 (A) Los espermatozoides superan el estrato de células de la corona radiada (en morado) para alcanzar la zona pelúcida (en azul); (B) reacción acrosomial y penetración de la zona pelúcida; (C) fusión de los gametos (de P. PRIMAKOFF, D.G. MYLES, Science 2002). 2. Fusión de Gametos. Este proceso es irreversible que marca el comienzo de un cigoto o embrión unicelular. En el momento de la fusión de gametos se sucede un aumento repentino de la concentración intracelular de calcio que determina una onda calcio, ésta señala el comienzo de la activación del cigoto y del desarrollo embrionario, aboliendo los fenómenos inhibidores que producían una reducida actividad metabólica del ovocito. Este proceso da comienzo al desarrollo de un nuevo individuo que tiene el patrimonio genético y molecular de la especie humana. Esta onda de calcio produce la reacción cortical, que consiste en endurecer la zona pelúcida y desactivar las moléculas receptoras de espermatozoides, para que ningún otro espermatozoide pueda ingresar. Este mecanismo protege al nuevo individuo que inicia su ciclo vital. El inicio de la vida cuenta además con la determinación del sexo que se produce en este momento dependiendo del espermatozoide que ha penetrado pudendo ser portador del cromosoma Y (varón) o el cromosoma X (mujer). 3. Formación de Pronúcleos. Durante las primeras horas luego de la fusión, el núcleo del ovocito (por su activación) va a completar su maduración (ovogénesis) dando lugar al pronúcleo femenino. El núcleo masculino que estaba inactivo se activa transformándose en un núcleo funcionalmente activo, dando lugar al pronúcleo masculino. Este proceso se

3 acompaña de grandes modificaciones bioquímicas y estructurales que le permiten al núcleo interactuar con los elementos moleculares de origen materno. Durante esta fase pronuclear, los dos pronúcleos se acercan al centro de la célula y mientras se mueven el uno hacia el otro, su información genética dirige el desarrollo (aún antes de haberse producido la unión de los cromosomas). Se conocen muchos genes que ya están activos en este estadio, algunos de ellos tienen un papel clave en el desarrollo posterior del embrión. Por consiguiente, la información genética (presente en el ovocito en la fase pronuclear) guía desde el estadio unicelular, el desarrollo embrionario. 15 Horas después de la fecundación los dos pronúcleos se encuentran, se rompe la capa que recubre los pronúcleos y se produce el apareamiento de los cromosomas paternos y maternos, para luego iniciar la primera división mitótica. La activación coordinada del nuevo genoma precede y no depende del encuentro de los pronúcleos ni de su apareamiento. El proceso de apareamiento (cross in over) donde se mezcla la información genética de los padres para dar lugar a un nuevo y original genoma. Se produce inicialmente con la alineación de los cromosomas en el ecuador, para luego de terminado el proceso continuar la mitosis generando las dos primeras células. Fig. 2 Acercamiento de los pronúcleos (en azul) durante la fecundación humana. (A) Ovocito antes de la fecundación; (B) penetración del espermatozoide: pronúcleo masculino en el lado izquierdo y pronúcleo femenino (que está completando su maduración) a la derecha en alto; (C) acercamiento y aposición de los pronúcleos; preparación de la primera división celular: (D) profase y (E) metafase de la primera división mitótica. Los microtúbulos están marcados en verde y el DNA en azul (de S. F. Gilbert, Developmental Biology, Sixth ed., Sinauer, Sunderland (MA) 2000, p. 212, fig. 7-32)

4 Desde el momento de la Fusión, los elementos del padre y de la madre contribuyen a la actividad del nuevo ser humano en su estado unicelular, este trabajo intenso permitirá que el desarrollo posterior vaya en la dirección justa. GENÉTICA Y VIDA 1 Esta información esta formulada en una molécula que se llama ADN, esta tiene la forma de un largo filamento de un metro de longitud, cortado en 23 trozos que se encuentran super-enrollados formando bastoncitos llamados cromosomas (23 cromosomas). De éstos 23 son del padre y 23 de la madre. Esta información junta conforma los 46 cromosomas, y constituye la información completa de un ser humano en la forma más reducida posible, e indica como debe hacerse la manipulación partícula a partícula, átomo a átomo, de una nueva persona. Cuando la información transportada por el espermatozoide y la del óvulo se encuentra, entonces queda definido un nuevo ser humano, porque su constitución personal y su constitución humana esta completamente formulada. Esta nueva célula contiene la fórmula que si se deja expandirse dándole simplemente protección y nutrición, entonces se obtendrá el desarrollo de toda la persona. Es como una sinfonía, en cada cromosoma estan descritas diversas partituras de la obra musical, en cuanto se reúne toda la información necesaria y suficiente (fecundación) la sinfonía puede comenzar, así nuestra sinfonía humana comienza su carrera. Embrión significa la forma más joven de un ser, indica la vida humana desde su estadío de una célula. Así, no existe ninguna sub-clase del ser como el término preembrión, porque no hay nada antes del embrión, sólo el espermatozoide y el óvulo, nada más. El proceso de la reproducción es un fenómeno muy impresionante en el sentido de que lo que se reproduce nunca es la materia, sino su información. La materia es el soporte de la información y esto explica por qué es posible la vida, puesto que sería imposible reproducir la materia. La materia no esta viva, la materia no puede vivir en absoluto. La materia es materia, lo que se reproduce y transmite es la información que anima la materia. No hay por tanto, algo que sea materia viviente, lo que existe es la materia animada. Y lo que aprendemos en genética es a conocer lo que anima a la materia, lo que fuerza a la materia a adoptar la forma de un ser humano: el Genoma Humano. Existe una técnica en genética descubierta por el Dr. Jeffreys en Inglaterra, que es capás de marcar el código del ADN, en una forma similar al código de barras, y simplemente marcando de ésta manera el ADN de una persona, se la puede comparar con otra 1 T. Profesor Jérôme Lejeune Qué es el Embrión Humano?

5 encontrando que no existen dos iguales. Esto esta demostrado y también ha servido para poder identificar a las personas en el caso de crímenes para la medicina forense. Por tanto ya no es una teoría que cada uno de nosotros es único. Fig. 3 ADN marcado. Lectura de síntesis resultante con marcaje fluorcromo de ddntps. El segundo avance es la detección de la originalidad de una sola célula. Esto es posible al sistema demonizado DCR, por la cual se puede sacar un pequeño fragamento de ADN de la célula, este fragmento se lo reproduce miles de millones de veces, lo suficiente para analizarlo, y nuevamente se demuestra la unicidad, ya no de una muestra tomada de un individuo sino a partir del núcleo de una sola célula. El tercer descubrimiento es que el ADN esta definido por la secuencia de diversas bases que van una detrás de otra en la molécula de un metro de largo del ADN, lo que se ha encontrado es que algunos genes tienen una pieza extra que se llama metilo, que modifica ligeramente al gen. Esto se llama metilación, y hace posible el silenciamiento o activación de un gen. Este proceso permite que aunque todos los genes se encuentren allí, algunos son puestos fuera el juego y otros se activan, y en la siguiente división pueden ser activados lo que estaban silenciados y viceversa. Este descubrimiento es fundamental, y permite el orden y la especificidad de cada célula que expresa solo aquello que es necesario y en el momento adecuado de manera inteligente. Esto ha hecho posible conocer por ejemplo que el ADN del espermatozoide, tiene una metilación especial que no es la misma que el óvulo. Es por ello que en el momento de la fecundación los dos grupos de cromosomas transportados por el óvulo y el espermatozoide no son idénticos como se creía anteriormente. En el embrión unicelular una parte de la información será leída del cromosoma de origen paterno y otra diferente del cromosoma de origen materno. Este embrión esta constituido por la célula más especializada que existe en el mundo, porque posee instrucciones especiales que subrayan qué segmentos del ADN deben

6 expresarse y cuáles no. Ninguna otra célula poseerá esto en la vida del individuo. Este sistema de metilación hará posible que luego de las divisiones progresivas, algunas células se especialicen para ser uñas, pelo, piel, neuronas, etc. Existe en esta especificidad el conocimiento de las funciones de los cromosomas paternos y maternos. Los cromosomas de origen del padre, se activan para formar el envoltorio y la búsqueda de alimento que son las membranas del feto y su placenta, mientras que el los cromosomas de origen de la madre formarán al embrión, ya que suministrará todos los elementos que permitirán la formación del individuo. Así también se demuestra algo que llama la atención, la división de roles femenino y masculino genéticamente. Esto esta demostrado por dos alteraciones que se pueden observar en la casuística ginecológica. Primero la Mola Hidatiforme, donde después de la fecundación el producto no se divide correctamente, sino que forma vesículas, pequeños quistes y demás. En este caso se ha producido un cigoto fruto de la unión de dos núcleos masculinos (androgenote) que sólo formará vesículas que se parecen a membranas y a la placenta. El segundo caso son los quistes dermoides, es la fabricación de piezas sueltas del embrión, donde aparecen juntos. Piel, dientes, uñas, tejidos; pero todos en desorden, esto sucede cuando un óvulo se divide sin haber sido fertilizado. Es por esto que cada lote de cromosomas hace algo, pero cada uno por separado no puede construir una imagen completa, es decir la forma de un individuo. CONSTITUCIÓN DE LOS EJES DE DESARROLLO DEL EMBRIÓN Hasta hace pocos años se creía que los embriones humanos precoces eran un cúmulo indistinto de células hasta que llegaba a las fases de diferenciación celular, donde recién, se pensaba, se producía la definición del diseño general del cuerpo y el inicio de los diferentes tejidos y órganos. Pero actualmente se conocer que el desarrollo embrionario, su diferenciación y especificidad comienzan a definirse ya desde el primer instante de la Fusión de Gametos. Recientes experimentos indican que factores que están presenten en el momento de la fusión como situación del segundo glóbulo polar, punto de entrada del espermatozoide en el ovocito y sobretodo la forma del ovocito fecundado, son elementos claves en la orientación del eje a lo largo del cual se produce la primera división celular. Esto a su vez, permite prever la estructuración y polarización del blastocisto. Además, se ha demostrado que la orientación de la segunda división puede influenciar en el destino de las dos células (de una de ellas se derivará la placenta, y de la otra el embrión).

7 Fig. 4 (A) Embrión en estadio de dos células, marcadas de manera diferenciada para seguir el destino de las células descendientes. (B) Blastocisto: arriba, polo embrional, abajo, polo ab-embrional (de H. Pearson, Developmental Biology: Your destiny from day one, Nature 2002, 418, p.15). Otro estudio demuestra que se luego del estadío de 2 células se produce primero un estadío de 3 células, indicando que una de las células manda un mensaje a las otras dos células y luego el mensaje vuelve a la primera para comprender: que no son un grupo de masa de células iguales, existe una individualización, que diferencia estas células de un cultivo de tejidos de un individuo que se construye a sí mismo según sus propias reglas. 2 Luego ya en el estadio de 4 células, las células se dividen en múltiplo de dos. Esta comprobado que en el período de 4 células éstas perderían su totipotencialidad ya que estas células pueden diferenciarse y saber exactamente sus propias funciones, esto sigue comprobando lo dicho anteriormente de los estadíos anteriores. Los ejes del desarrollo embrionario y el destino celular comienzan a sus definidos de manera precoz, esto descarta que los embriones precoces sean considerados solo un cúmulo de células indiferenciadas. Estas evidencias no son contrapuestas a la demostrada totipotencialidad de las células del embrión precoz, sino que indican que éstas propiedades (el ser totipotentes) no implican una indeterminación, sino solo la posibilidad que tienen de compensar daños y errores del desarrollo. El embrión humano precoz es un sistema armónico en el que todas las partes potencialmente independientes, funcionan juntas para formar un individuo único. Estos descubrimientos advierten sobre los daños que se pueden ocasionar en un embrión cuando se utilizan técnicas que afectan a las células del embrión precoz, con el criterio antiguo de que sus células son iguales y totipotentes. Ya que con la demostración anterior de que cada célula tiene incide en el desarrollo embrionario posterior, alterar o quitar alguna de éstas tendrán repercusiones futuras en el crecimiento del individuo. 2 T. Profesor Jérôme Lejeune Qué es el embrión Humano?

8 DESARROLLO DEL EMBRIÓN ANTES DE LA IMPLANTACIÓN EN EL UTERO MATERNO Los primeros días se producen divisiones celulares acompañadas de crecimiento celular, este proceso se llama segmentación así el cigoto se divide en varias células. Durante este proceso el embrión viaja por la trompa de Falopio hasta llegar al útero. El embrión durante este viaje esta protegido por la zona pelúcida que le impide adherirse a las paredes de la trompa de Falopio. Fig. 4 El desarrollo del embrión humano preimplantado : la célula huevo desprendida del ovario y capturada por la tuba, donde se produce la fecundación con la constitución del cigoto (el embrión en estado de una célula). Mientras el embrión comienza a dividirse recorre la tuba hasta alcanzar el útero donde, en el estado de blastocisto, da inicio el proceso de implantación (de K. L. Moore, T. V. N. Persaud, Lo sviluppo prenatale dell uomo. Embriologia ad orientamento medico, EdiSES, Napoli 2003, p. 46, fig. 2-24). Luego del estadío de 8 células se forma la Mórula, donde las células están ligeramente unidas y tiene la forma de una mora. Luego se produce la compactación, donde las células se estrechan y forman una esfera, donde las células de la parte externa se unen de manera estrecha y las células que quedan en el interior se comunican por uniones comunicantes que les permite intercambiar sustancias y moléculas, para poder regular y coordinar las divisiones celulares. Estas células externas se convertirán en Trofoblasto que dará lugar a la placenta y las células internas formarán la masa celular interna que formará al embrión.

9 Fig. 5 Embrión de ratón en estadio de 8 células, antes (A) y después (B) de la compactación. (Scanning electron micrographs, de S. F. Gilbert, Developmental Biology, Sixth ed., Sinauer, Sunderland (MA) 2000, p. 357, fig ). Fig. 6 Fases de desarrollo del embrión preimplantado : estadio de 2 células (A); 4 células(b); mórula de 8 células antes (C) y después de la compactación (D, E); blastocisto (F). (- Embrión de ratón, desarrollo in vitro-s. F. Gilbert, Developmental Biology, Sixth ed., Sinauer, Sunderland (MA) 2000, p. 356, fig ). El embrión pre-implantado es capaz de producir: Factores de crecimiento, Hormonas, Aminoácidos, Hidratos de Carbono y proteínas, estos van a regular su desarrollo, siendo el embrión el protagonista que conduce su propio crecimiento.

10 DIÁLOGO MATERNO-EMBRIONARIO Y LA PREPARACIÓN PARA LA IMPLANTACIÓN La comunicación entre madre y embrión durante su paso por la trompa de Falopio y en el útero antes de la implantación se denomina diálogo cruzado (cross talk). Primeramente la zona pelúcida que recubre al embrión antes de la implantación, tiene la función de recepcionar, seleccionar y permitir el ingreso de las señales (sustancias) que producen las trompas de Falopio y el útero. Las trompas de Falopio a su vez producen: proteínas, citoquinas y factores de crecimiento. Un ejemplo es la glicoproteína OSP que mejora la capacitación y eficiencia en la unión y penetración del espermatozoide en el ovocito e influye también en el desarrollo embrionario. Estas trompas secretan a su vez inhibidores de la proteasa que protegen la integridad del ovocito y del embrión, promoviendo el desarrollo embrionario y previniendo la degradación del embrión. El útero produce factores de desarrollo embrionario que regulan el número de células del embrión. El blastocisto llega al útero entre el 3º y 4º día. El 5º día sale de la zona pelúcida (Hatching) para poder adherirse a la mucosa uterina. Este importante proceso esta regulado por los estrógenos y progesterona producidos por el ovario. Los Estrógenos permiten que el útero pueda recibir al embrión, pero sólo en un período de tiempo que se llama la: ventana de la implantación (fuera de éste tiempo no es posible la implantación, incluso esta pared uterina puede ser nociva para el embrión). El útero se prepara para la implantación produciendo proteínas esteroido-sencibles: peptidasa, glicosidasa y seterasas que ayudan a la disgregación de la zona pelúcida del embrión y modifican tanto el endometrio como el trofoblasto del embrión para producir la implantación. El útero a su vez produce: factores de tolerancia inmunitaria (que protege al embrión de la inmunidad de la madre), factores de crecimiento y otros. El embrión a su vez produce: hormonas, citoquinas, factores de crecimiento, factores angiogénicos, factores apoptóticos y moléculas de adhesión para poder ser reconocido por la madre. Una de las más importantes hormonas que produce el embrión es la Gonadotropina Coriónica Humana, que altera el organismo materno: detiene la menstruación, indica que existe embarazo. También otro factor importante llamado Paf que produce inmunosupresión e la madre. La implantación inicia con la interacción entre el trofoblasto y el endometrio que expresan unos receptores transmembrana llamados integrinas. En este proceso se produce una intensa comunicación molecular entre la madre y el hijo. La relación madre e hijo, comienza desde el momento de la fecundación y continúa a lo largo de todo el embarazo gracias a la comunicación bioquímica hormonal e inmunológica. Esta relación marca el desarrollo posterior del individuo y quedará memoria de este contacto.