Vivimos periodos en los que algunas amenazas globales se hacen patentes. La pandemia de la COVID-19 o el cambio climático y sus consecuencias son algunas que producen lógica alarma social. Son amenazas reales donde los poderes públicos, la Ciencia y la Biotecnología en particular tienen y pueden ponerse al servicio de su remediación. Sin embargo, otras amenazas aparentemente más silentes, son igualmente muy preocupantes ya que están afectando a un aspecto esencial en la perpetuación de especies, incluida la nuestra: su capacidad reproductiva. No es posible concebir la vida sin su capacidad de reproducción.
Miles de compuestos químicos sintéticos y naturales están presentes en nuestro entorno como contaminantes medioambientales, y cientos de ellos presentan la característica de interferir con procesos mediados por hormonas, incluidas las hormonas cruciales en el desarrollo, diferenciación y función de las células germinales y los órganos sexuales; la salud reproductiva está en juego. Estos compuestos, detectados desde los años 50 en el medioambiente por su actividad sobre el sistema endocrino, fueron denominados “disruptores endocrinos” a partir de los 90 del pasado siglo y, desde entonces, su efecto sobre la fertilidad y la salud reproductiva se ha evidenciado epidemiológicamente. Por ejemplo, recientes metaanálisis1 señalan una disminución anual acumulativa del 1% desde los últimos 50 años sobre la calidad y cantidad espermática en diferentes poblaciones humanas. Algunos países como Australia (Reproductive Health Australia) están ya considerando la biología reproductiva como una prioridad nacional social, de salud y economía2.
Los diferentes disruptores endocrinos pueden afectar a diversas vías funcionales, diferentes tipos celulares y en varios momentos del desarrollo masculino o femenino. Para añadir complejidad a la evaluación de sus efectos adversos hay que considerar: su versatilidad en la relación dosis-efecto (algunos compuestos tienen mayores efectos a baja dosis que a dosis mas altas), el efecto transgeneracional (modificaciones del genoma que sin alterar el DNA -epigenéticas- son transmisibles a varias generaciones no expuestas, a partir de ascendientes expuestos a los compuestos) o el inducido por la exposición a mezclas de compuestos (con efectos sinérgicos o efectos antagónicos).
La diferencia en el desarrollo de la línea germinal en machos o hembras en mamíferos acentúa la necesidad de análisis específicos en ambos sexos; la evaluación en la etapa embrionaria es consecuentemente de particular importancia en la línea femenina, donde en mamíferos se inicia el proceso de meiosis en los ovocitos. Esta dificultad metodológica añadida ha sido una de las causas por las que los datos disponibles se han basado mayoritariamente en el sexo masculino, siendo necesarias por consiguiente mayores aportaciones de investigación de los efectos en la línea femenina y en el periodo prenatal.
La caracterización de los mecanismos moleculares y celulares de la acción adversa de miles de compuestos sobre los sistemas reproductivos puede facilitar la detección de biomarcadores de puntos finales de reprotoxicidad y el análisis del riesgo sobre la salud reproductiva de individuos y poblaciones.
Desde hace años, el grupo de Biología Molecular de la Gametogénesis ha venido profundizando en diferentes ámbitos de la acción de compuestos disruptores endocrinos sobre las células germinales en su diferenciación a gametos: ovocitos y espermatozoides. Fundamentalmente, diversas líneas de investigación nos han llevado a evaluar como algunos compuestos disruptores endocrinos alteraban la expresión normal de cientos de genes importantes para la regulación del proceso de gametogénesis, y como consecuencia afectaban a la fertilidad tanto masculina como femenina. Esas alteraciones de la función génica afectaban a la expresión tanto de genes codificantes a proteínas clave en el proceso como a otros, descubiertos mas recientemente, con funciones reguladoras de aquellos (por ejemplo: los denominados microRNAs, piRNAs…) Con ello, en los últimos años hemos podido evidenciar, entre otros mecanismos: patrones definidos de desregulación génica durante la formación de espermatozoides pero diferentes según el compuesto disruptor endocrino al que estuvieran expuestos los animales de experimentación3; efecto transgeneracional en el que esas alteraciones en la expresión de genes podía ser transmitida incluso a tres generaciones posteriores a la exposición inicial, y afectando a la fertilidad en etapas adultas4,5; efectos sinérgicos de mezclas de diversos disruptores, es decir que la mezcla tenía efectos más acusados que los mismos compuestos individualmente, observable tanto a nivel de desregulación de algunos genes como a nivel hormonal6,7. Todo ello se ha ido llevando a cabo mediante metodologías avanzadas de análisis genético, molecular y celular más avanzadas en cada momento desde abordajes experimentales de creaciones y secuenciaciones de genotecas de expresión diferencial de cDNAs a finales de los años 90, a las de secuenciación masiva de RNAs (NGS) y análisis bioinformáticos actuales.
Más recientemente, también hemos abordado aproximaciones biotecnológicas mediante cultivos 3D in vitro de gónadas de ambos sexos, desde etapas tempranas del desarrollo embrionario de ratón, para analizar in vitro el proceso de generación y diferenciación de las células germinales y así facilitar el análisis molecular y celular de los efectos de los disruptores (u otros potenciales reprotóxicos). Ello permite, por una parte, la implementación de métodos alternativos a la experimentación animal (reduciendo el número de animales para los ensayos) y, por otra, de gran importancia, subsanar la dificultad biológica del estudio de los efectos de estos compuestos en el sexo femenino en mamíferos8,9,10.
Siempre, y en paralelo, hemos contribuido con múltiples aportaciones al análisis y caracterización de los procesos biológicos de ambas gametogénesis para profundizar en esos complejos mecanismos de regulación que conducen a la diferenciación funcional de células cruciales en la perpetuación de las especies: los gametos.
La formación de gametos es un proceso muy complejo con muchas vías de regulación y en la que intervienen múltiples elementos genéticos, celulares, metabólicos y ambientales. Solo una regulación precisa de todo el proceso desde etapas embrionarias a la vida adulta y durante esta, permitirá la generación de gametos fértiles. Investigaciones que profundicen en esta área posibilitarán un mayor conocimiento del proceso, una mayor capacidad de evidenciar potenciales mecanismos que puedan alterarlos, como los disruptores endocrinos, y en consecuencia una mejor salud reproductiva de las poblaciones humanas y animales
Jesús del Mazo
Investigador Ad Honorem del CSIC en el CIB Margarita Salas
Referencias:
1-Levine H, Jorgensen N, Martini-Andrade A, Mendiola J, Weksler-Derri D, Mindlis I, Pinott R & Swan SH 2017 Temporal trends in sperm count: a systematic review and meta-regression analysis. Human Reproduction Update 23 646–659. (https://doi.org/10.1093/humupd/dmx022)
2 Findlay JK, Holland MK, Wong BBM. Reproductive science and the future of the planet. Reproduction. 2019 Sep;158(3):R91-R96. doi: 10.1530/REP-18-0640. PMID: 31013475.
3- P. P. López-Casas, S.C. Mizrak, L. A. López-Fernández, M. Paz, D.G. de Rooij, J. del Mazo. “The effects of different endocrine disruptors defining compound-specific alterations of gene Expression profiles in the developing testis”. Reproductive Toxicology. 33, 106-115 (2012).
4- Brieño-Enríquez M. A., García-López J., Cárdenas D. B., Guibert S., Cleroux E., Děd L., Hourcade J.de D, Pěknicová J., Weber M. and J. del Mazo “Exposure to endocrine disruptor induces transgenerational epigenetic deregulation of microRNAs in primordial germ cells” PLoS ONE 10(4): e0124296. doi:10.1371/journal.pone.0124296 (2015).
5 Brieño-Enríquez M.A., Larriba E. and J. del Mazo. “Endocrine disrupters, microRNAs and primordial germ cells: a dangerous cocktail” Fertility and Sterility 106:871–879 (2016). DOI: 10.1016/j.fertnstert.2016.07.1100
6- Buñay J., Larriba E., Moreno R., and J. del Mazo “Chronic low-dose exposure to a mixture of environmental endocrine disruptors induces microRNAs/isomiRs deregulation in mouse concomitant with intratesticular estradiol reduction” Scientific Reports 7: 3373 (2017) DOI: 10.1038/s41598-017-02752-7
7-Buñay J., Larriba E., Patiño-Garcia D., Urriola-Muñoz P., Moreno R. D., and J. del Mazo. “Combined proteomic and miRNome analyses of mouse testis exposed to an endocrine disruptors chemicals mixture reveals altered toxicological pathways involved in male infertility”. Molecular Human Reproduction (2019) 25: 156–169.
8- E. Bonilla, J. del Mazo “Deregulation of Sod1 and Nd1 genes in mouse fetal oocytes exposed to Mono (2-ethylhexyl) Phthalate (MEHP)”. Reproductive Toxicology. 30/3: 387-392 (2010).
9- Isoler-Alcaraz J., Fernández-Pérez, D., Larriba E. and J. del Mazo “Cellular and molecular characterization of gametogenic progression in ex vivo cultured prepuberal mouse testes” BMC Reproductive Biology and Endocrinology. (2017) 15:85 DOI 10.1186/s12958-017-0305-y.
10-Gonzalez-Sanz S., Barreñada O., Rial E. Brieño-Enriquez M., del Mazo J. “The antiandrogenic vinclozolin induces differentiation delay of germ cells and changes in energy metabolism in 3D cultures of fetal ovaries” Scientific Reports 10, 18036 (2020). https://doi.org/10.1038/s41598-020-75116-3