Biología, fisiología espermática básica y efecto de la radiación ultravioleta sobre la fisiología e integridad de las células espermáticas del bagre tropical Rhamdia laticauda.

Abstract

La biología, fisiología y genética, son áreas del conocimiento necesarias para la comprensión de los procesos naturales en los organismos y en las células individuales, como todas aquellas que integran los tejidos y órganos. Así también, los que se forman y liberan de las gónadas como son los óvulos y espermatozoides. En tales células los estudios que se realizan son muy reducidos debido a las dificultades para su análisis. Pocos organismos tienen la docilidad y facilidad para el manejo de ciertos tipos de células, en tal contexto los peces tienen la particularidad de fácil manejo, y en muchas especies se han desarrollado protocolos para el control en cautiverio que permite por ejemplo, la obtención de células gaméticas como los espermatozoides, que son un importante medio biológico para comprender los mecanismos fisiológicos que dan inicio y conllevan a la fertilización y hasta para su empleo como modelo biológico para la evaluación de condicionantes ambientales, como la temperatura, fuentes de radiación, etc. (Arias-Rodriguez, 2016). La radiación involucra reacciones físicas que comprenden la emisión, propagación y absorción de energía por la materia orgánica e inorgánica viva o inerte. En ello, existen dos tipos de radiación: ionizante y no ionizante (Brandan et al. 1995). La radiación no ionizante, como es la luz ultravioleta (UV), constituye uno de los agentes físicos que se ha demostrado es causante de mutaciones en diversos organismos y está ligada a procesos de fotocarcinogenésis (Kozmin et al. 2003). Tales efectos son debido a que la luz UV ejerce acción a nivel de exposición subtóxica y las lesiones provocadas pueden resultar en modificación de las características hereditarias o inactivación del ácido desoxirribonucleico (ADN), producido por ruptura del ADN y el mal funcionamiento celular (Herschenfeld y Gilchrest, 1998). La luz ultravioleta es la porción del espectro electromagnético que se encuentra entre los rayos X y la luz visible, siendo así que se han definido cuatro regiones del espectro como son: UV entre 100-200nm, UVC entre 200-280nm, UVB entre 280-315nm, y UVA entre 315-400nm (Meulemans, 1986). La radiación UVB, puede interactuar con átomos y moléculas en las células y promover radicales libres; los cuales pueden producir daño en componentes importantes de la célula, generando efectos biológicos graves sobre aquellos compuestos que absorben los fotones directamente como son los ácidos nucleicos (Bryan et al. 2011; Hessen et al. 2012; Kienzler et al. 2013; Ravanat et al. 2001; Vargas et al. 2011). Para la evaluación del efecto de la radiación ultravioleta, se han empleado diversos modelos biológicos como han sido células procariontes y eucariontes; en el caso particular de los organismos eucariontes, los espermatozoides de los peces han sido el grupo con mayor número de estudios pues el efecto de las ondas UVB y UVA, las cuales presentan mayor longitud de onda difieren entre sí (Lu y Wu, 2005). Las ondas UVB, promueven la formación de fotoproductos (dímeros de timina) que provocan lesiones en la membrana espermática, mientras que las hondas UVA producen productos-oxidativos que provocan la ruptura del ADN y el mal funcionamiento mitocondrial (Lu y Wu, 2005; Pruski et al. 2009). Sin embargo, a pesar del daño producido por la luz UV sobre las estructuras celulares, esta fuente de radiación ha sido empleada en procesos biotecnológicos para inactivar genéticamente células gaméticas (óvulos y espermatozoides) en diversas especies de peces (Flynn et al. 2006; Hassanzadeh and Hallajian, 2014; Ji et al. 2010; Luckenbach et al. 2004; Molina-Luzón et al. 2015; Purdom, 1983; Rougeot et al. 2005; Tvedt et al. 2006). La inactivación genética espermática mediante UV, se produce por la desnaturalización del ADN, que forma dímeros de timina, aunque dichos daños pueden ser revertidos en algunas especies exponiendo las células a luz visible (fotorreactivación) siempre y cuando la especie cuente con la enzima “fotoliaza” que permite dicha renaturalización (Shima and Setlow, 1984; Valcárcel et al. 1994). Irónicamente, la mayoría de los estudios con UV, en peces se han enfocado a la evaluación de aspectos de carácter fisiológico y muy pocos, al estudio de los efectos a nivel intraestructural y extraestructural de las células espermáticas (Arias-Rodriguez et al. 2016). Si bien, en algunas especies de peces, la fertilización externa ha permitido la manipulación de sus gametos (Purdom, 1968; 1983) y con ello, ciertas características genéticas mediante la inducción de ginogénesis y androgénesis artificial (Arai, 2001; Komen y Thorgaard, 2007). En ambas, los huevos y espermatozoides son inactivados genéticamente con radiación gamma, rayos X o luz UV. Para la inducción de ginogénesis artificial, se requiere primero fertilizar un huevo normal (no irradiado) con espermatozoides con el ADN inactivado; mientras para la androgénesis, se realiza lo contrario, un huevo con ADN inactivo, es fertilizados por espermatozoides normales y viables. La primera consecuencia de tales procedimientos es el desarrollo de embriones conteniendo ADN con nivel genómico haploide, lo que ocasiona altos porcentajes de abortos y baja sobrevivencia hasta la primera alimentación; posterior a ello no hay reportes de sobrevivientes. Lo anterior, impulsó el desarrollo de procedimientos para restaurar la condición diploide, mediante choques de temperatura extremos al régimen fisiológico normal de la especie en estudio, por ello existen tratamientos de choque “frío” o “caliente”, con lo que se evita la expulsión del segundo cuerpo polar ovocitarío y se logra el desarrollo de un organismo ginogénetico diploide o bien se evita la primera división mitótica del embrión androgénetico con lo que se logra restaurar la condición diploide (mitoandrogeneticos) (Arai, 2000, 2001; Lasher y Rugh, 1962; Purdom, 1968; Thorgaard, 1983). La radiación UV, ha sido empleada con éxito en varias especies de peces para inactivar el ADN espermático (inerte genéticamente) sin afectar la capacidad fisiológica para la fertilización (Arias-Rodriguez et al. 2004; Dunham, 2004; Felip et al. 2001; Grozea et al. 2006; Morgan et al. 2006). Tales tratamientos conducen al desarrollo haploide de embriones, con abortos tempranos antes o después de la eclosión (Chourrout et al. 1980), aunque en algunos caso se ha observado la sobrevivencia de larvas hasta la primera alimentación (Arias Rodriguez et al. 2004). La ginogénesis ha sido utilizada en peces y otros organismos acuáticos para producir poblaciones de solo un sexo, poblaciones isogénicas (descendencia genéticamente iguales entre ellos ó meioginogenéticos) y líneas semiclónales (mitoginogénesis) (Purdom, 1983). Así como, para la obtención de caracteres de interés para acuicultura como resistencia a enfermedades, para la mejora dirigida por selección genética (Arias-Rodriguez et al. 2004; Purdom, 1983). El creciente interés mundial en el cultivo de peces como alternativa para la obtención de proteína de origen animal a bajo costo, principalmente en países en vías de desarrollo como México, ha motivado la creciente atención de los acuicultores del mundo por dominar la reproducción, la proporción de sexos de algunas especies de peces (hembras o machos) mediante biotecnologías que implican el uso de radiaciones no ionizantes como la luz UV y que no requieren de la inserción de genes extraños o ajenos (Arias-Rodriguez, 2001). Las características biológicas de un pez, como la tasa de crecimiento, eficiencia en la conversión alimenticia, adaptabilidad a condiciones de cultivo, posibilidad de reproducción en cautiverio, etc. Así como, la capacidad tecnológica para realizar su cultivo, afecta los costos de producción y por ende determinan la elegibilidad de la especie para ser cultivada (Aguilera et al. 1990). Los bagres (peces gatos) se han convertido en especies explotadas en las pesquerías y algunas en la acuicultura; por ser especies de fácil cultivo, resistentes a condiciones adversas, además de ser una fuente importante de alimento por su carne blanca, sabrosa y consistente, (SAGARPA, 2011; Xenarthra, 2008). En México, este grupo se encuentra representado por cuatro familias: Ictaluridae, Aridae, Lacantuniidae y Heptapteridae (Hernández et al. 2005; Miller et al. 2009), siendo la familia Heptapteridae una de las más grandes y diversas con cuatro especies representativas; Rhamdia guatemalensis, R. laticauda, R. macuspanensis, R. parryi y R. reddelli (Miller et al. 2009). Las especies de bagres principalmente de origen marino han sido de las más explotadas, especialmente en los estados de Tamaulipas, Veracruz, Campeche, Tabasco y Yucatán (SAGARPA, 2007). El bagre tropical R. laticauda, es primariamente dulceacuícola y no es considerado una fuente importante de alimento a nivel nacional sino solo local en Tabasco. En la citada especie pocos estudios han permitido el conocimiento y discernimiento de algunos aspectos de su biología, ecología, genética y reproducción (España-García, 2012; Jiménez-Trinidad, 2016; López Hernández, 2013), y al igual que a otras especies de bagres, su fácil cultivo, resistencia a condiciones adversas, además, de su carne blanca y consistente, la convierten como un buen candidato como modelo biológico para estudios encaminados a su aprovechamiento y conservación. Pocos han sido los estudios que se han realizado en relación al efecto de la luz UV sobre la morfología intracelular y extracelular de los espermatozoides en los experimentos de inducción de ginogénesis artificial, así como, el daño sobre el ADN, composición química y bioquímica del plasma seminal e integridad de la membrana, sabiendo que estos son de vital importancia para garantizar el éxito de fertilización en las especies y por ende niveles altos de sobrevivencia. Por ello, el objetivo del presente trabajo fue el de describir la fisiología y estructura básica extracelular e intracelular espermática y también la de evaluar el efecto de once dosis (0.1-1.1 J/cm2) de radiación UV sobre la capacidad reproductiva de la células espermáticas de R. laticauda basado en estudio de fisiología extracelular e intracelular, que permitan determinar la viabilidad espermática, la identificación de células apoptóticas (vivas/muertas/apoptóticas) por citometría fluorescente, el daño directo al ADN mediante electroforesis de una célula y daño a la estructura espermática por microscopia electrónica de barrido, microscopia óptica y pruebas de dispersión de ADN.