Perché troppi spermini rovinano l'uovo

Fonte: cartone originale di Alex Martin

Rapporti ben documentati che coprono 25 anni hanno prodotto prove crescenti che i conteggi di spermatozoi stanno crollando nei paesi industrializzati. (Vedi il mio post del 20 aprile 2017 Going, Going, Gone? I conteggi di spermatozoi umani stanno precipitando . ) Una caduta di oltre il 50 percento in conteggi per un periodo di 40 anni ha finalmente attivato l'interesse dei media attivi, provocando terribili avvertimenti di incombente estinzione umana . Sebbene molti ritengano che questa sia una buona notizia per il pianeta, è improbabile che accada abbastanza velocemente. Inoltre, questa storia ha un capovolgimento raramente accennato: i risultati poco discussi indicano che troppi spermatozoi possono anche danneggiare la fertilità.

Schema di uno spermatozoo umano che mostra il nucleo contenente una serie aploide di 23 cromosomi nella sua testa. Il set include un cromosoma di sesso singolo, una X o una Y.

Fonte: adattato da un diagramma di AGeremia (opera propria); via Wikimedia Commons, file con licenza Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported.

Fecondazione di più di uno spermatozoo

È noto che la fecondazione di un uovo di mammifero da parte di più di uno spermatozoo ( polispermia ) ha effetti catastrofici. Quando vengono prodotte cellule sessuali (uova e spermatozoi), il numero usuale di cromosomi si dimezza. Le cellule del corpo umano hanno in genere 46 cromosomi ( numero diploide ), ma una cellula sessuale contiene solo 23 ( numero aploide ). Una cellula sessuale contiene solo un cromosoma di sesso singolo, X in un uovo e X o Y in uno spermatozoo. La fusione di uno spermatozoo con un ovulo alla fecondazione ripristina il normale numero cromosomico, e vengono prodotti approssimativamente un numero uguale di prole femminile (XX) e maschio (XY). Se due spermatozoi fecondano un uovo, le cose vanno decisamente male, producendo una prole triploide con 69 cromosomi con un set extra in aggiunta alla normale coppia materna / paterna. Un uovo fecondato da tre spermatozoi riceve due set cromosomici in più, risultando in un individuo quadruploide con 92 cromosomi. Set di cromosomi extra danneggiano direttamente la determinazione del sesso. Un individuo triploide, per esempio, ha una combinazione anormale di cromosomi sessuali (XXX, XXY o XYY).

Uovo umano quasi maturo, con i suoi strati circostanti (zona pellucida, corona radiata). Come in altri mammiferi, il tuorlo è limitato a un ciuffo di granuli relativamente piccolo, mentre la zona pellucida blocca il concime di più di uno spermatozoo.

Fonte: Wikimedia Commons, immagine di pubblico dominio (After O. Hertwig and G. Retzius.). Fonte: Conklin, EG (1914) Fatti e fattori di sviluppo. Popular Science Monthly 84: 524.

Si potrebbe pensare che tutti gli animali possiedano meccanismi efficaci per prevenire la fecondazione di un uovo da parte di più di uno spermatozoo. Tuttavia, in almeno alcune specie di pesci e uccelli diversi spermatozoi effettivamente fecondano l'uovo. Solo in seguito i meccanismi speciali assicurano che un solo gruppo di cromosomi maschili contribuisca alla progenie. Quindi, perché la fertilizzazione con sperma singolo dell'uovo è la regola per i mammiferi? Una connessione è stata suggerita con le minuscole dimensioni dell'uovo di mammifero, che è estremamente piccolo perché non contiene tuorlo. Qualunque sia la ragione, una volta che l'ovulo è stato fecondato, due strati circostanti – la chiara zona pellucida esterna e la membrana uovo sottostante – di solito impediscono l'ingresso di ulteriori spermatozoi.

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Troppi spermatozoi legati all'aborto

John MacLeod e Ruth Gold hanno fornito una prima indicazione di un lato negativo degli alti numeri di spermatozoi in un articolo del 1957. Hanno confrontato la qualità dello sperma tra uomini le cui mogli hanno sperimentato aborti ripetuti e uomini che avevano generato almeno tre figli normali viventi senza intervenire su gravidanze fallite. Sorprendentemente, la qualità dello sperma era più alta nel gruppo aborto. Gli uomini in quel gruppo avevano concentrazioni di sperma significativamente più elevate (in media oltre 100 milioni / ml) e più spermatozoi mobili (in media oltre il 60 percento). Quasi il doppio (26% contro 14%) aveva una concentrazione di spermatozoi superiore a 200 milioni / ml. MacLeod e Gold hanno anche osservato che quasi un terzo degli uomini che hanno prodotto quattro o più bambini vivi senza gravidanza fallita avevano solo moderate concentrazioni di spermatozoi (20-59 milioni / ml).

Confronto delle concentrazioni di spermatozoi tra uomini le cui mogli hanno subito 3 o più aborti e padri di 3 o più bambini sopravvissuti. Gli uomini nel primo gruppo avevano in particolare una maggiore concentrazione di spermatozoi, con il 26% che aveva più di 200 milioni / ml rispetto al 14% per i padri con almeno 3 bambini sopravvissuti.

Fonte: adattato da una figura in MacLeod & Gold (1957).

Molto più tardi, nel 1975, Naghma-E-Rehan e colleghi hanno pubblicato un'analisi dei campioni di sperma raccolti prima della vasectomia da 1.300 uomini che avevano generato almeno due figli. Le concentrazioni di spermatozoi variano ampiamente, da 1,5 a 375 milioni / ml, con una media di 65 milioni / ml. Quindici uomini (poco più dell'1%) avevano valori straordinariamente alti. In questa condizione estrema, nota come polioospermia nei circoli medici, le concentrazioni di spermatozoi superano i 250 milioni / ml e il numero totale di spermatozoi supera gli 800 milioni. I coniugi di sei di questi uomini (40%) hanno avuto almeno un aborto spontaneo, rispetto a un tasso complessivo del 7%. Per le mogli di 25 uomini che avevano uno spermatozoo inferiore a 10 milioni / ml, ma avevano generato due o più figli, il tasso era solo del 4%.

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Riepilogo delle anomalie cromosomiche riscontrate in un'indagine su larga scala di tessuti da aborti spontanei. In molti casi, come la sindrome di Down, c'è solo un cromosoma aggiuntivo (trisomia), che produce un totale di 47 (barre gialle). L'aggiunta di uno o due set cromosomici completi produce triploidia (con 69 cromosomi) e quadruploidia (92 cromosomi), rispettivamente (barre rosse). Tr = traslocazioni cromosomiche.

Fonte: adattato da una figura in Boué et al. (1975)

Diversi studi sul materiale fetale da aborti hanno mostrato che sono spesso presenti anomalie cromosomiche maggiori. Nel 1975, Joëlle Boué e colleghi hanno pubblicato uno studio fondamentale su 1.500 casi. Analizzando le frequenze relative dei diversi tipi di anomalie cromosomiche, hanno stimato che un certo tipo di aberrazione si verifica in metà di tutte le concezioni. Tra queste aberrazioni, circa il 20 per cento aveva 69 cromosomi (triploidia), che potevano derivare da due spermatozoi fecondare un uovo, mentre un altro 6 per cento aveva 92 cromosomi (quadruploidia), potenzialmente indicanti tre spermatozoi fertilizzanti.

Feti con set cromosomici aggiuntivi

La fecondazione di un uovo da parte di due spermatozoi determina la presenza di un set di cromosomi triploidi, inclusi tre cromosomi sessuali. Questa condizione può tuttavia presentarsi in altri due modi. Innanzitutto – a causa di un errore di sviluppo – uno spermatozoo può occasionalmente avere due set cromosomici invece del solito. Uno spermatozoo che concimasse un uovo produrrebbe una condizione triploide. Secondo, un uovo anormale con due set cromosomici potrebbe essere fecondato da uno spermatozoo normale.

Diversi studi medici hanno prodotto prove dirette di una doppia fecondazione delle uova umane, generalmente con conseguenze fatali. Quasi tutte le concezioni con triploidia vengono eliminate nell'utero, e le poche che ne fanno sopravvivere sopravvive per poche ore. Un rapporto del 1977 di Nora Blackwell e colleghi descrisse un bambino con più gravi anormalità che morì poco dopo la nascita. È stato trovato che ha 69 cromosomi, tra cui tre cromosomi sessuali (XXY). Le caratteristiche di certi cromosomi che potevano venire solo dal padre in modo convincente indicavano che due spermatozoi avevano fecondato l'uovo.

Poco dopo, Patricia Jacobs e colleghi hanno seguito questo report caso singolo con una panoramica delle origini dei triploidi umani. Il loro innovativo documento del 1978 ha esaminato tutti gli aborti per due anni in un ospedale per la maternità hawaiano. Per 21 su 26 feti falliti con triploidia sono stati in grado di identificare la fonte dei cromosomi aggiuntivi. Un set cromosomico aggiuntivo proveniva dal padre in 17 casi e dalla madre in 3, con un caso rimasto irrisolto. Ulteriori calcoli hanno indicato che due terzi dei triploidi derivavano dalla fecondazione di due spermatozoi, un quarto dalla fecondazione di un singolo spermatozoo con un doppio set di cromosomi e solo uno su dieci da uno spermatozoo normale che penetrava in un uovo con due serie di cromosomi. Jacobs e colleghi hanno notato che il triploidia è relativamente comune negli esseri umani, stimando che essa colpisce l'1% -3% di tutte le concezioni rilevabili.

Beneficiando di tecniche più avanzate, nel 2000 Qinghua Shi e René Martin hanno riportato risultati per numeri di cromosomi aberranti in oltre 200.000 spermatozoi da 10 uomini cinesi sani rispetto a un campione simile di 10 canadesi sani. La frequenza media degli spermatozoi diploidi contenenti 46 cromosomi era notevolmente bassa, inferiore allo 0,4 per cento. Nonostante le marcate differenze tra i donatori nel verificarsi di spermicidi diploidi, non vi era una distinzione generale tra uomini cinesi e canadesi. Sempre nel 2000, Michael Zaragoza e colleghi hanno riferito di uno studio sull'origine genitoriale dei cromosomi in 91 aborti con triploidia. Hanno confermato che la maggior parte dei casi erano attribuibili alla fecondazione dell'uovo da parte di due spermatozoi.

Implicazioni di polispermia

Vi è quindi una chiara prova che gli uomini possono produrre troppi spermatozoi, non solo troppo pochi. Tuttavia, le discussioni sul numero di spermatozoi negli esseri umani e in altri mammiferi si concentrano esclusivamente sulla necessità di grandi numeri, senza alcun riferimento al rischio di eccessive concentrazioni di spermatozoi che possono minacciare lo sviluppo fetale. Per questo motivo, le attuali nozioni unilaterali di "competizione spermatica" avranno bisogno di un attento riesame. Come ha notato l'esperto di sperma Michael Bedford in un saggio articolo del 2008, "… si dovrebbe diffidare del concetto che esiste una" razza "per raggiungere le uova non fecondate in funzione della velocità dello sperma e delle immagini dei media che mostrano molti spermatozoi che si suppone competano per un uovo non fecondato. "

^Riferimenti

^{Bedford, JM (2008) Puzzle di fecondazione dei mammiferi – e oltre. International Journal of Developmental Biology 52 : 415-426.}

^{Blackwell, NJ, Keeling, JW & Lindenbaum, RH (1977) Origine dispermica di un 69, XXY triploide. Genetica umana 32 : 121-124.}

^{Boué, J., Boué, A. & Lazar, P. (1975) Studi epidemiologici retrospettivi e prospettici di 1500 aborti umani spontanei cariotipo. Teratologia 12 : 11-26.}

^{Gardner, AJ & Evans, JP (2006) Blocco della membrana dei mammiferi alla polispermia: nuove conoscenze su come le uova di mammiferi prevengono la fecondazione da parte di più spermatozoi. Riproduzione, fertilità e sviluppo 18 : 53-61.}

^{Hunter, RHF (1996) Controllo ovarico di spermatozoi / ovuli molto bassi all'inizio della fecondazione dei mammiferi per evitare polispermia. Riproduzione e sviluppo molecolari 44: 417-422.}

^{MacLeod, J. & Gold, RZ (1957) Il fattore maschile nella fertilità e infertilità. IX. Qualità dello sperma in relazione agli incidenti di gravidanza. Fertilità e sterilità 8 : 36-49.}

^{Naghma-E-Rehan, Sobrero, AJ & Fertig, JW (1975) Lo sperma dell'uomo fertile: analisi statistica di 1300 uomini. Fertilità e sterilità 26 : 492-502.}

^{Shi, Q. & Martin, RH (2000) Frequenze spontanee di sperma aneuploide e diploide in 10 uomini cinesi normali: valutate mediante ibridazione in situ a fluorescenza multicolor. Citogenetica e genetica cellulare 90 : 79-83.}

^{Snook, RR, Hosken, DJ & Karr, TL (2011) La biologia e l'evoluzione della polispermia: intuizioni dagli studi cellulari e funzionali del centrosoma dello sperma; comportamento nell'uovo fecondato. Riproduzione 142 : 779-792.}

^{Saragozza, MV, Surti, U., Redline, RW, Millie, E., Chakravarti, A. & Hassold, TJ (2000) Origine genitoriale e fenotipo di triploidia negli aborti spontanei: Predominanza di diandry e associazione con la talpa idatiforme parziale. American Journal of Human Genetics 66 : 1807-1820.}