LAURA HUNTER COLWIN: COAUTORA DEL MATIZ EMPÍRICO SOBRE LA FECUNDACIÓN

Transcripción

1 Laura Colwin 1 LAURA HUNTER COLWIN: COAUTORA DEL MATIZ EMPÍRICO SOBRE LA FECUNDACIÓN Laura y Arthur Colwin Laura Hunter, que al casarse adquirió el apellido Colwin, nació en 1911 en Pensilvania. Desde que era una joven estudiante, en 1933, empezó a acudir al famoso Laboratorio de Biología Marina en Woods Hole. Allí se dedicó a recolectar y estudiar organismos marinos, asistió a seminarios sobre una amplia variedad de temas y tuvo contactos con biólogos procedentes de todo el mundo. En el verano de 1937, en unas clases de laboratorio conoció al embriólogo recién graduado Arthur L. Colwin, con quien se casó en Previamente, en 1938, la joven científica había leído su tesis doctoral, que trataba sobre protozoología. Su trabajo consistió en investigar la reproducción de los ciliados, pero poniendo el énfasis en los fenómenos nucleares. Aunque sus primeras investigaciones estuvieron centradas en estos protozoos, ella ha declarado que su verdadera vocación siempre fue la Embriología. Desde los primeros años de su matrimonio, sobre todo a partir del final de la Segunda Guerra Mundial, la pareja formada por Laura y Arthur Colwin decidió trabajar en colaboración en esta disciplina. Optaron por dedicarse a la investigación y a la enseñanza, mientras que en los veranos normalmente retornaban a Woods Hole. En 1953 pasaron un año en la Estación de Biología Marina de la Universidad de Tokio, donde ampliaron y perfeccionaron sus técnicas de investigación. Laura Hunter Colwin y su marido centraron la mayor parte de sus esfuerzos en estudios sobre la fecundación, fenómeno sobre el que realizaron importantes descubrimientos y publicaron numerosos trabajos en destacadas revistas. Hay que puntualizar que, según sus colegas, Hunter Colwin y su marido eran científicos de similar valía que habían alcanzado un equilibrado nivel de colaboración. De hecho, alternaban el nombre del primer autor en los artículos que publicaban. Y, lo que es más importante, ambos se consideraban como iguales. Al parecer, su relación estaba construida sobre un respeto mutuo, incluyendo el hecho de tener opiniones diferentes a la hora de interpretar algunos datos.

2 Laura Colwin 2 Como nuestro propósito es tratar de comprender con claridad los trabajos de Laura y Arthur Colwin, resulta oportuno realizar primero un breve recordatorio sobre el proceso de la fecundación, aunque las líneas principales ya se han esbozado en el capítulo I. Seguidamente trataremos de destacar las aportaciones más significativas de estos dos científicos, y pondremos el acento en los invertebrados porque estos autores realizaron la mayor parte de su trabajo en un gusano y, sobre todo, en el erizo de mar. Notas sobre el proceso de la fecundación y su nuevo enfoque Sabemos que la fecundación es una parte fundamental del proceso reproductivo que, básicamente, hace referencia a la unión entre un óvulo y un espermatozoide. Obviamente, estas células deben unirse entre sí y no con otras células del organismo; hecho que es posible gracias a que los gametos han alcanzado un grado de especialización tan alto que la membrana ovular sólo se fusionará con la de un único espermatozoide de su misma especie 1. Para asegurar tan específica fusión han evolucionado intrincados mecanismos especiales que a continuación resumimos. Mencionemos, antes de nada, que un espermatozoide tendrá capacidad para fusionarse con un gameto femenino si previamente se ha activado mediante la llamada reacción acrosómica, que se desencadena en presencia del óvulo. Esta reacción óvulo dependiente fue inicialmente estudiada en los invertebrados marinos, sobre todo en el erizo de mar, donde se conocen con detalle los mecanismos que intervienen. En este sentido debemos recordar algunos detalles; por ejemplo, los cigotos de los erizos son fáciles de estudiar pues su fecundación es externa, debido a que estos animales vierten sus gametos al agua que los rodea; no ocurre así con los mamíferos, tradicionalmente muy difíciles de estudiar ya que la fecundación tiene lugar en el interior del cuerpo de la hembra 2. Además, en el erizo de mar los cigotos se presentan por millones, mientras que en el caso de los mamíferos los investigadores deben contentarse con examinar unas decenas o, como mucho unas centenas de cigotos. 1 Si bien en unos pocos casos (en algunos cnidarios como las hidras, las anémonas o las medusas), los óvulos secretan una sustancia quimiotáctica que atrae a los espermatozoides de la misma especie, por lo general no suele producirse una atracción química de los espermatozoides por el óvulo. De hecho, se asume que el encuentro entre ambos gametos puede ser en gran medida cuestión de azar. 2 En la actualidad esta situación ha cambiado gracias a que es posible fecundar los óvulos de mamíferos in vitro, es decir, en recipientes del laboratorio fuera del cuerpo de la hembra. Esto ha permitido grandes avances a la hora de estudiar algunos de los acontecimientos que se producen durante y después de la fecundación.

3 Laura Colwin 3 Dado que los óvulos de todas las especies están protegidos por una capa gelatinosa 3, cuando el espermatozoide entra en contacto con esa capa el acrosoma (una vesícula rodeada por membrana que se encuentra en la cabeza del gameto justo por encima del núcleo) descarga de su contenido, por exocitosis, en las inmediaciones e inicia la reacción acrosómica 4. Se liberan entonces una serie de enzimas hidrolíticas cuya función es digerir la matriz extracelular del óvulo. A continuación, el acrosoma se proyecta hacia adelante formando larga prolongación 5 que atraviesa la envoltura ovular; en ese momento el espermatozoide y el óvulo se reconocen como pertenecientes a la misma especie 6. Una vez que el extremo de la prolongación acrosómica ha atravesado la cubierta del óvulo, contacta con las microvellosidades 7 unas cortas evaginaciones de la membrana, que rodearán a la cabeza del espermatozoide formando el cono de fecundación, una protuberancia en forma de dedo. El gameto masculino es entonces transportado hacia el interior del óvulo por contracción del cono de fecundación. Una vez sucedidos todos estos pasos, las membranas plasmáticas del óvulo y del espermatozoide se fusionan y el contenido de la cabeza del espermatozoide queda en el interior del óvulo. Tan pronto como las membranas del óvulo y del espermatozoide se han fusionado, se producen en el citoplasma ovular alteraciones en ciertas 3 El óvulo presenta una cubierta externa, una matriz extracelular especializada formada en gran parte por moléculas de glucoproteínas. En todas las especies, esta estructura tiene una capa interna inmediata a la membrana plasmática, denominada zona pelúcida en los óvulos de mamíferos y membrana vitelina en los óvulos de los demás vertebrados y de los invertebrados. Entre otras cosas, estas capas protegen al óvulo de lesiones mecánicas. 4 Al parecer, los espermatozoides se unen específicamente a una glucoproteína principal de la matriz extracelular, y este reconocimiento es lo que desencadena la reacción acrosómica. 5 La prolongación acrosómica contiene actina, una proteína que se polimeriza inmediatamente después de la exocitosis de la vesícula acrosómica formando unos filamentos. Estos filamentos son los que permiten a la prolongación acrosómica traspasar la matriz extracelular y entrar en contacto con la membrana vitelina, o la zona pelúcida, situada inmediatamente en contacto con la membrana plasmática. 6 Se ha aislado una molécula secretada por el espermatozoide del erizo de mar que es responsable de la adherencia específica entre gametos; se trata de una proteína, denominada bindina, que normalmente se encuentra incluida dentro de la vesícula acrosómica. Tras su liberación durante la reacción acrosómica, la bindina reviste la superficie de la prolongación acrosómica y permite que el espermatozoide se fije a un receptor específico, localizado en la membrana vitelina. Ha ocurrido, por tanto, un reconocimiento a nivel molecular que propicia la unión entre un óvulo y un espermatozoide sólo si pertenecen a la misma especie. Esto es especialmente importante cuando la fecundación tiene lugar externamente en el agua, donde es probable que estén presentes gametos de otras especies. En el caso de los mamíferos, las moléculas liberadas en la reacción acrosómica ayudan al espermatozoide a atravesar la zona pelúcida y, por consiguiente, tener acceso a la membrana plasmática del óvulo con la que se produce el reconocimiento, también en una proteína receptora. Seguidamente tiene lugar la fusión. 7 Las microvellosidades pueden ser muy numerosas; por ejemplo, el óvulo del erizo de mar presenta más de

4 Laura Colwin 4 concentraciones iónicas, cuyo fin inmediato es impedir la polispermia, esto es, que entre en el óvulo más de un espermatozoide. Si el gameto femenino se fusionara con más de un gameto masculino, el número de cromosomas del cigoto sería anormal y el desarrollo se vería rápidamente interrumpido. La polispermia debe evitarse de manera inmediata, lo que se consigue por una despolarización o sea, pérdida de carga eléctrica de la membrana ovular; este hecho impide la fusión de otros espermatozoides 8. No obstante, el potencial de membrana del óvulo vuelve a los valores normales a los pocos minutos de la fusión; por consiguiente, se requiere un segundo mecanismo que proporcione una barrera a largo plazo para la polispermia. Mecanismo que básicamente se desencadena por una liberación masiva de Ca +2, de procedencia intracelular 9. La liberación de iones de calcio en el citoplasma ovular también incita una serie de cambios metabólicos dentro del gameto femenino. De hecho, antes de la fecundación el óvulo tiene un metabolismo muy lento, pero unos pocos minutos después la tasa de respiración celular y de síntesis de proteínas se incrementa sustancialmente. En esta activación del óvulo, el calcio actúa indirectamente estimulando mecanismos que cambian el ph del citoplasma de 6,8 a 7,3; al parecer, este cambio de ph es directamente responsable de muchas de las respuestas metabólicas del óvulo ante la fecundación. Debe también tenerse presente que, mientras el citoplasma del óvulo acelera su metabolismo, en el núcleo de la célula espermática igualmente se producen modificaciones. Después de su entrada en el óvulo, el núcleo espermático es guiado 8 Inmediatamente después de fusión, el óvulo asegura el bloqueo a la entrada de espermatozoides adicionales mediante un aumento de la permeabilidad de su membrana debida a la apertura de canales iónicos. A través de estos canales entrarán al óvulo iones de Na + que, en cuestión de segundos, generan una despolarización, es decir, la pérdida de carga eléctrica de la membrana. Esta rápida despolarización de la membrana, insistimos, inducida por la fusión con el primer espermatozoide, impide la polispermia. 9 El incremento en la concentración de Ca +2 provoca que unas vesículas, llamadas gránulos corticales y localizados en la periferia del óvulo, se fusionen con la membrana plasmática y por exocitosis descarguen su contenido en el exterior. En el erizo de mar, los gránulos corticales vierten enzimas en la zona comprendida entre la membrana plasmática y la vitelina; esta última se hincha y constituye la membrana de fecundación, endurecida, que impide que entren más espermatozoides. En los mamíferos, el aumento en la concentración del Ca +2 intracelular también induce la fusión de los gránulos corticales con la membrana plasmática, con la consiguiente expulsión de su contenido al exterior. En este caso, sin embargo, no se forma membrana de fecundación (ya que en los mamíferos no existe membrana vitelina), sino que las enzimas liberadas modifican los receptores espermáticos de la zona pelúcida de modo que ya no pueden unirse a ellos espermatozoides adicionales.

5 Laura Colwin 5 hacia el núcleo ovular por un sistema de microtúbulos 10 que se forma en el citoplasma. El núcleo del espermatozoide se hincha, y transcurridos unos 20 minutos, forma el pronúcleo masculino haploide que se fusiona con el pronúcleo femenino, también haploide, dando como resultado el núcleo del cigoto diploide. A continuación, comienza la replicación del ADN, y la primera división celular tiene lugar aproximadamente a los 90 minutos (en el caso del erizo de mar). El desarrollo del embrión está en camino. Queremos recordar que la entrada del espermatozoide no es imprescindible para la activación del óvulo. En realidad, los gametos femeninos pueden activarse artificialmente mediante, por ejemplo, la inyección de calcio o mediante una serie de estímulos mecánicos como pincharlo con una aguja o someterlos a una pequeña descarga eléctrica. Esto desencadena las respuestas metabólicas del óvulo y provoca su desarrollo por partenogénesis (sin participación del espermatozoide). El hecho de que un óvulo sin núcleo sintetice nuevas proteínas, se ha considerado una prueba válida de que en el citoplasma ovular hay una importante concentración de ARNm de origen materno, almacenado antes de que tenga lugar la fecundación. Con este repaso al proceso de la fecundación, consideramos que comprender el trabajo realizado por Laura y Arthur Colwin puede resultar más asequible. Las aportaciones de Laura Hunter Colwin En el año 1949, esta científica y su marido, usando como material de trabajo un gusano del género Saccoglossus, publicaron un artículo en el que describían haber observado que durante el proceso de la fecundación se forma un filamento que conecta el óvulo con el espermatozoide. Anotemos que tal filamento ya había sido detectado por otro investigador en 1877, pero había pasado desapercibido para la comunidad científica, y desde aquel entonces nadie se había detenido a determinar su origen o su función. Espoleados por la curiosidad y el interés en explicar la naturaleza del fenómeno detectado, en los primeros años de la década de 1950, Laura Hunter Colwin y su marido continuaron investigando el desarrollo de Saccoglossus, al tiempo que su deseo de elucidar las cuestiones relacionadas con la fecundación se incrementaba. Como 10 Los microtúbulos son estructuras intracelulares de naturaleza proteica presentes en las células eucariotas; tienen forma de finos tubos huecos. Se hallan formando parte del citoesqueleto celular, del huso mitótico, de los cilios y flagelos y de otras estructuras celulares.

6 Laura Colwin 6 resultado de sus trabajos, en 1954 publicaron dos artículos. Uno trataba de los cambios que habían observado en las cubiertas extracelulares del óvulo, y el otro estaba enfocado al espermatozoide y a la formación del cono de fecundación, por aquel entonces apenas conocido. Precisamente en este último trabajo presentaban una relación completa del filamento que mencionaban en su trabajo de Los científicos fueron los primeros en interpretar, al cabo de cinco años y numerosas observaciones, que el filamento era el resultado de la reacción del acrosoma de la cabeza del espermatozoide en respuesta a su aproximación al óvulo. En esta misma línea, otro científico en 1952 había publicado la ruptura del acrosoma de espermatozoides de equinodermos al exponerlo al óvulo, y había descrito que este fenómeno provocaba la liberación de una «masa de sustancia lábil»; se propuso entonces que este material jugaba un papel para permitir que el espermatozoide atravesase la envoltura extracelular del óvulo. Laura y Arthur Colwin sugirieron que cuando el espermatozoide de Saccoglossus alcanzaba la cubierta extracelular del óvulo, reaccionaba formando un filamento similar al descrito en equinodermos. Como mencionábamos más arriba, en 1953 los dos científicos estuvieron un año trabajando en la Estación de Biología Marina de la Universidad de Tokio. En este centro se dedicaron a estudiar cuidadosamente la fecundación en varios equinodermos y lograron profundizar sus conocimientos sobre el filamento objeto de su interés. De regreso a los Estados Unidos continuaron con sus investigaciones, gran parte de las cuales las llevaron a cabo durante los veranos en el Laboratorio de Biología Marina en Woods Hole. Así, llegaron a detectar que el intrigante filamento precede al esperma en el citoplasma del óvulo. La gran difusión que tuvo el empleo del microscopio electrónico a partir de esos años ejerció una influencia enorme sobre el trabajo de Laura y Arthur Colwin, pues les permitió profundizar notablemente en sus investigaciones. En consecuencia, a principios de los años sesenta publicaron tres apreciables artículos; en ellos describían detalladamente las actividades líticas que ejercía el esperma sobre las cubiertas del

7 Laura Colwin 7 óvulo. Mediante un esforzado y meticuloso trabajo consiguieron secciones seriadas de fotografías tomadas al microscopio electrónico de los espermatozoides y óvulos a lo largo de cortos intervalos de tiempo, antes, durante y después de la fecundación. Así, evaluando miles de micrografías del electrónico, realizaron uno de sus descubrimientos más significativo sobre la fecundación: detectaron que el espermatozoide no entra en el óvulo, como todo el mundo, incluyéndose ellos mismos habían creído. Por el contrario, como ya hemos adelantado, comprobaron que lo que realmente sucede es que el espermatozoide y el óvulo se fusionan uno con el otro en el momento en que se encuentran. En septiembre de 1960 presentaron este hallazgo trascendental en un simposio sobre células reproductoras y desarrollo, organizado por el Instituto Internacional de Embriología, en Italia. Posteriormente, en 1961, publicaron su trabajo. Reacción acrosómica En este artículo, Laura Hunter Colwin y su marido describían e ilustraban la intrincada morfología del acrosoma y la complicada secuencia de cambios que éste sufre al aproximarse al óvulo. Sus micrografías al electrónico mostraban que la membrana de la prolongación del acrosoma se fusiona con la del óvulo y que las dos membranas así unidas permiten que el contenido de ambas células confluya, formándose el cigoto cuya membrana celular es un mosaico de la del óvulo y la del espermatozoide. Lo que ha ocurrido es por lo tanto una fusión, afirmaban los expertos. De esta manera, Laura y Arthur Colwin lograban poner de manifiesto el error contenido en la vieja idea del espermatozoide penetrando el óvulo durante la fecundación. Para corregir esta noción equivocada propusieron que debería usarse el término incorporación en vez del de penetración. Sólo así, insistían los científicos, podría darse una descripción fidedigna de tan importante proceso. Además, esta pareja de expertos durante los años siguientes extendió sus investigaciones a la fecundación

8 Laura Colwin 8 en otras especies de invertebrados. En todos los casos por ellos analizados encontraron que cuando se constituía el cigoto siempre tenía lugar un proceso de fusión de membranas, con algunas variaciones propias de cada una de las distintas especies analizadas. Otros científicos estudiaron la ultraestructura 11 de la fecundación en gran variedad de animales, incluyendo mamíferos, y constataron que los hallazgos de Laura y Arthur Colwin se repetían una y otra vez. En sus últimos trabajos sobre la materia, realizados en la década de 1970, estos científicos continuaron confirmando la existencia de una mutua incorporación de las membranas mediante la fusión, y nunca la «penetración» del espermatozoide en el óvulo. Desafortunadamente, aún hoy, después de múltiples observaciones, todas coincidentes, muchos autores continúan usando el término penetración cuando escriben sobre la fecundación en lugar de la palabra fusión, mucho más correcta y realista. Para terminar, resaltamos que Laura Hunter Colwin recibió el reconocimiento de sus colegas por sus fundamentales contribuciones a un mejor entendimiento al proceso de la fecundación. Por ello fue elegida miembro de muchas sociedades importantes, incluyendo la Sociedad Americana de Biología del Desarrollo, la Sociedad Americana de Zoólogos o la prestigiosa Academia de las Ciencias de Nueva York. En 2002, con motivo de la generosa dotación económica para becas donada por ella y su marido 12, la anciana científica ha expresado su deseo de que muchos jóvenes estudiantes puedan tener la misma experiencia maravillosa que ellos han tenido al llevar a cabo sus investigaciones en el campo de la Biología celular y del desarrollo a lo largo de tantos fructíferos años. Laura Hunter Colwin murió en Miami, Florida, el 6 de diciembre de Tenía 95 años. 11 Por ultraestructura se entiende aquellas estructuras celulares que no pueden detectarse con el microscopio óptico; sólo pueden observarse al microscopio electrónico, cuyo poder de resolución es unas cien veces superior al de aquél. 12 Esta pareja de investigadores siempre mostró un gran interés por la formación de jóvenes científicos, hasta el punto de que en el año 2002 hicieron un extraordinario donativo de 2,3 millones de dólares al Laboratorio de Biología Marina en Woods Hole que, según ha manifestado agradecido el director de este centro, «incrementará sustancialmente el número de becas de investigación que podremos ofrecer anualmente». Así, Laura y Arthur Colwin han consolidado su larga asociación con la prestigiosa institución.

9 Laura Colwin 9 BIBLIOGRAFÍA Angier, N. (2000), Mujer. Una biografía íntima, Temas de Debate, Madrid. Fausto-Sterling, A. (1992), Myth of Gender. Biological Theories of Male and Female, New York Basic Books. Fox Keller, E. (1993), Lenguaje y vida. Metáforas de la Biología en el siglo XX. Manantial. Buenos Aires. Martínez Pulido, C. (2004), Gestando vida, alumbrando ideas, Minerva, Madrid.