Genetic control of the seasonal reproduction cycle in micromammals

Resumen

Introducción La reproducción estacional es el proceso por el que las especies de las regiones templadas de la Tierra concentran su esfuerzo reproductivo en aquellas estaciones que ofrecen mejores condiciones ambientales. En las especies con reproducción estacional, tanto las hembras como los machos experimentan cambios sustanciales en los periodos de transición entre la época reproductiva y la no reproductiva, pero estos procesos han sido estudiados en muy pocas especies hasta la fecha, de manera que los mecanismos de inactivación gonadal no se conocen bien todavía. Además, la mayor parte de los estudios realizados son incompletos pues sólo enfocan aspectos muy particulares de proceso en muchos casos (apoptosis, variaciones hormonales, ultraestructura, cambios morfológicos, dinámica de la moléculas de adhesión celular). Estudios completos que incluyan todas estas características sólo se han llevado a cabo en el topo ibérico y en el armadillo de pelo largo. Por tanto, es necesario investigar otras especies con reproducción estacional para saber si hay un único mecanismo conservado de regresión testicular, o existen varios mecanismos alternativos que puedan operar en distintas circunstancias. Los micromamíferos son especies ideales para este tipo de estudios, pues permiten la realización de las múltiples capturas de animales silvestres necesarias para alcanzar la potencia estadística requerida para realizar comparaciones entre parámetros reproductivos en distintas estaciones. Objetivos En este trabajo hemos investigado durante dos años cuatro especies de micromamíferos, la musaraña común, Crocidura russula, el ratón moruno, Mus spretus, el ratón de campo, Apodemus sylvaticus y el topillo mediterráneo, Microtus duodecimcostatus, con el fin de estudiar: 1) si estas especies tienen reproducción estacional; 2) el estado funcional de los principales tipos celulares (Sertoli, Leydig, peritubulares y germinales), estructuras (túbulos seminíferos, lamina propria) y procesos biológicos (espermatogénesis) durante el ciclo reproductivo estacional; 3) el patrón espacio-temporal de expresión de varios genes involucrados en la función testicular; 4) la función androgénica de los testículos; 5) el papel de la apoptosis y la proliferación celular en el proceso de regresión testicular; 6) el papel de las uniones intercelulares en la dinámica estacional de las células germinales; 7) la posible existencia de asociaciones entre patrones alterados de expresión génica y la regresión testicular en estas especies, para establecer posibles papeles de estos genes en el control de la reproducción estacional. Resultados y Discusión Inesperadamente, en Crocidura russula no encontramos diferencias significativas entre los machos de verano y de invierno, a pesar de que los datos de las hembras confirmaron un periodo no reproductivo en verano, lo que demuestra que los machos retienen todo su potencial espermatogénico incluso cuando las hembras no son sexualmente receptivas. Este fenómeno no ha sido descrito anteriormente y no ocurre en poblaciones de esta especie situadas más al norte. Además, el ciclo reproductivo está invertido en el norte con respecto al sur, ya que periodo no reproductivo ocurre en invierno en el norte y en verano en el sur. Puesto que éste se va acortando conforme avanzamos hacia menores latitudes, sugerimos que en en las poblaciones del sur el periodo reproductivo es lo suficientemente corto como para que la regresión testicular sea ineficiente en términos de ahorro energético. Dos hechos apoyan esta hipótesis: 1) los testículos de C. russula son muy pequeños, una condición derivada de su monogamia y que implica un baja inversión en espermatogénesis, y 2) el ciclo espermatogénico de esta especie es lento y largo. El ciclo reproductivo estacional invertido y la ausencia de regresión testicular descritos aquí son nuevos procesos adaptativos que merecen ulterior investigación en esta y en otras especies. En las poblaciones de M. spretus en el sur de la Península Ibérica, los testículos de los machos mantienen la función espermatogénica durante todo el año, pero aparecen ligeramente reducidos en el invierno, si se comparan con los de los machos de verano, lo que podría ser un mecanismo para mantener una menor actividad reproductora en este periodo. Nuestros resultados indican que esta reducción testicular limitada que los ratones morunos sufren durante el invierno está mediada por un incremento de la apoptosis en las células germinales, una hipótesis coherente con los niveles reducidos de testosterona sérica detectada en estos machos. Sin embargo, no detectamos ningunas diferencia entre los machos de invierno y de verano en la expresión de varios genes. Esta reducción limitada en la actividad testicular puede ser, como en el caso de C. russula, una respuesta adaptativa a un periodo corto de inactividad sexual. Además, encontramos que la BTB pierde su impermeabilidad durante el invierno a pesar de que las gónadas parecen tener un aspecto normal. Se trata de un hallazgo sorprendente porque la integridad de la BTB es necesaria para mantener el privilegio autoinmune del testículo. Sin embargo, nuestros datos sugieren que estos ratones morunos pasan el invierno sin perder su potencial reproductor. Una posible explicación para este intrigante fenómeno es una reducida virulencia de la respuesta autoinmune en el microambiente testicular. El programa reproductivo anual de las poblaciones de Apodemus sylvaticus estudiadas encaja perfectamente en un modelo clásico que incluya un periodo reproductivo continuo que comprenda casi todo el año, interrumpido por un corto periodo no reproductivo. La regresión testicular del verano, que está mediada por niveles reducidos de testosterona sérica, implica una drástica remodelación de las células somáticas de la gónada. Las células de Leydig se acomodan al nuevo espacio, más reducido, que queda entre los túbulos seminíferos adyacentes, y las células de Sertoli reducen su volumen citoplasmático. La permeabilización de la BTB y la expresión alterada de CLAUDINA11 (un componente principal de las uniones estrechas), indica que la expresión de los genes que codifican las moléculas de adhesión celular resulta afectada durante la regresión testicular, lo que sugiere que la pérdida de células germinales en esta especie puede ocurrir por descamación directa, tal como se ha demostrado en el topo. Encontramos un incremento muy significativo en la frecuencia de células apoptóticas en los testículos de los machos inactivos, lo que indica que el papel de la apoptosis en estos testículos es eliminar los espermatocitos antes de que alcancen estadios meióticos más avanzados. Microtus duodecimcostatus es, junto con A. sylvaticus, la única especie de las cuatro estudiadas en este trabajo, que muestra regresión testicular completa durante el verano. Sin embargo, esto sólo ocurre en las poblaciones localizadas en páramos y en tierras de cultivos de cereales, pero no en las alamedas de las misma región geográfica ni en el animalario, donde la reproducción tiene lugar durante todo el año. Puesto que los tres grupos de animales (páramos, alamedas y animalario) estuvieron sometidos al mismo foroperiodo de verano, nuestra observaciones muestran claramente que es el microambiente en que vive cada población de topillos lo que determina su estatus reproductivo y la existencia o no de reproducción estacional local. Cuando las condiciones de vida son favorables, ya sea en poblaciones naturales o artificiales, los topillos no cesan la reproducción, mientras que en el pobre ambiente de los páramos en el verano del sudeste de la Península Ibérica ocurre la regresión testicular y la reproducción es detenida. Los patrones de expresión génica en los testículos activos e inactivos de los machos con reproducción estacional están muy conservados, incluidos los genes SOX9, DMTR1, CLAUDIN11, y DMC1. Estos cuatro genes tienen el mismo patrón de expresión en todas las especies investigadas hasta ahora y nuestros datos sugieren claramente que SOX9 y DMRT1 juegan papeles importantes en la regulación de la espermatogenesis por parte de las células de Sertoli. Otros genes, como AR y PCNA mostraron algunas diferencias de expresión entre las especies, lo que refleja la existencia de diferencias específicas en sus mecanismos de regulación. Detectamos regresión testicular en verano tanto en A. sylvaticus como en M. duodecimcostatus, que sin embargo mostraron niveles muy distintos de apoptosis en los testículos inactivos, siendo muy altos en la primera y muy bajos en la segunda especie. Nuestros resultados en A. sylvaticus, junto con los que publicamos previamente sobre T. occidentalis, sugieren que el papel de la apoptosis en el testículo inactivo es eliminar las células germinales que continúan entrando en meiosis durante el periodo no reproductivo. Sin embargo, el caso de M. duodecimcostatus es excepcional porque en esta especie la frecuencia de células apoptóticas desciende durante la regresión testicular. Sin embargo, los datos de esta especie también apoyan la hipótesis ya que el número de células germinales que entran en meiosis en sus testículos inactivos es a su vez muy baja si se compara con la de A. sylvaticus. Hemos encontrado que varias características de los testículos involucionados en los machos con reproducción estacional están bastante bien conservados desde un punto de vista evolutivo. Por ejemplo, la función androgénica del macho está disminuida durante el periodo no reproductivo, lo que sugiere que una menor concentración de andrógenos es probablemente la señal hormonal que induce la pérdida estacional de células germinales en todas las especies. Otra característica constante en los testículos involucionados es la permeabilización de la BTB, aunque encontramos resultados contradictorios en M. spretus ya que la BTB de esta especie se permeabiliza aparentemente en invierno, sin que se aprecie ningún signo en desecho del epitelio germinativo. Son necesarios estudios posteriores para comprender mejor la conexión funcional entre la concentración de andrógenos el descarte del epitelio germinativo y la permeabilización de la BTB en mamíferos con reproducción estacional. Nuestros resultados ponen en evidencia que la reproducción estacional no es una característica específica de especie en las poblaciones analizadas. Mas bien, ello depende de las condiciones de vida que cada individuo afronta en cada momento. Por tanto, parece que estos animales muestran una clara tendencia a reproducirse de forma continua en todas las estacionas, pero los factores ambientales propios de una determinada estación climática en una latitud concreta los fuerzan a cesar la reproducción. Podemos reconocer dos situaciones extremas en los mamíferos en relación con el control del ritmo reproductivo circanual: 1) especies en las que el eje hipotálamo-hipófisis-gónada está estrictamente regulado por el fotoperiodo y muestran patrones rígidos de reproducción estacional; 2) especies con reproducción estacional oportunista en las que el fotoperiodo tiene poca o ninguna influencia en su ritmo reproductivo, que depende principalmente de factores microambientales tales como la disponibilidad de agua y alimento, temperatura, pluviometría, etc... Los topos, lemings, hamsters, ciervos, osos pardos y otras muchas especies que viven en la Europa Central y del Norte y en similares latitudes de América del Norte y Asia, probablemente pertenecen al primer grupo. La musaraña común, el topillo mediterráneo y probablemente muchas otras especies cuyo área de distribución se extiende hasta regiones de menor latitud pertenecen al segundo grupo. Las cuatro especies analizadas en este estudio mostraron al menos una peculiaridad en su biología reproductiva que la hace distinta de la demás. Estos múltiples modelos de variación testicular estacional específicos de especie sugieren: 1) que los mecanismos que controlan la reproducción estacional son de hecho muy plásticos y mucho menos rígidos de lo que en principio pudimos haber imaginado, y 2) que dichos mecanismos parecen evolucionar muy rápidamente. Por tanto, las poblaciones de mamíferos parecen disponer de múltiples vías para adaptarse a las condiciones ambientales inestables que el cambio climático probablemente cause en el futuro.