La reproducción sexual requiere de la comunicación entre el espermatozoide y el óvulo para generar un nuevo individuo. El erizo de mar continúa siendo uno de los organismos modelo preferidos para estudiar la fecundación. Este organismo es el deuterostomado más primitivo en la rama de la evolución animal que lleva a los vertebrados. El estudio de los mecanismos de señalización de sus gametos ha revelado valiosa información general sobre la fecundación y su evolución. Por otra parte, el erizo de mar produce miles de veces la cantidad de gametos que produce el hombre. La capa externa que rodea al óvulo del erizo de mar contiene péptidos pequeños (SAP, por sus siglas en inglés) que activan y regulan la forma de nadar del espermatozoide. Uno de ellos, el speract, promueve cambios en la concentración intracelular de Ca2+, Na+, pH, GMPc y AMPc, que favorecen el encuentro óvulo-espermatozoide de los erizos de mar Strongylocentrotus purpuratus y Lytechinus pictus. El speract dispara un tren de fluctuaciones en la concentración de Ca2+ intracelular ([Ca2+]i) que están reguladas en tiempo y espacio y dirigen la trayectoria del espermatozoide modulando el batido flagelar. Mientras que L. pictus se reproduce en regiones de aguas profundas y tranquilas, S purpuratus lo hace en las regiones costeras de alta turbulencia. Se puede pensar que los espermatozoides desarrollaron estrategias de nado específicas para el microambiente donde habitan. Nuestros datos preliminares muestran que un determinado gradiente de speract generado bajo las mismas condiciones, induce en los espermatozoides de ambas especies cambios intracelulares similares que en L. pictus resultan en una respuesta quimiotáctica pero no en S. purpuratus. El propósito de este proyecto es estudiar las características de la relación entre la dinámica del [Ca2+]i y los cambios inducidos en la curvatura del flagelo que determinan que espermatozoides de una especie experimenten quimiotaxis frente a un gradiente de speract definido. Sabemos que el ácido niflúmico, un bloqueador de canales de Cl- regulados por Ca2+, altera la cinética de las fluctuaciones y la relocalización inducida por speract en espermatozoides de S. Purpuratus. Nuestros datos preliminares muestran que este compuesto elimina la quimiotaxis en los espermatozoides de L. Pictus. La comparación detallada de las características de los cambios dinámicos en la [Ca2+]i y sus repercusiones en la movilidad proporcionará información valiosa sobre los mecanismos involucrados en la quimiotaxis. Expondremos a los espermatozoides de ambas especies a diferentes gradientes de concentración de speract y estudiaremos la relación entre la dinámica de los cambios en la [Ca2+]i y la forma del batido flagelar. Para lograrlo implementaremos un sistema de adquisición de imágenes de fluorescencia en dos canales que nos permita detectar el flagelo antes y después del aumento en la [Ca2+]i. Estamos desarrollando un programa en colaboración con el Dr. Carneiro de Portugal para rastrear automáticamente a los espermatozoides y correlacionar el [Ca2+]i en el flagelo con sus cambios de forma. Utilizaremos diferentes bloqueadores de canales e inhibidores de las vías de señalización para examinar cómo afectan las relaciones entre las oscilaciones en el [Ca2+]i y la forma de nadar de los espermatozoides de las dos especies de erizo de mar. Además, estudiaremos como el GMPc y el AMPc modulan la respuesta al speract y si participan en procesos de adaptación.

La reproducción sexual requiere de comunicación entre el espermatozoide y el óvulo. Los espermatozoides de deuterostomados, tanto invertebrados como vertebrados, son móviles gracias al deslizamiento de los microtúbulos que se encuentran en el axonema de sus flagelos. La regulación de la movilidad es clave para que se encuentren los gametos, esto es particularmente dramático en organismos marinos que liberan sus gametos al mar donde se diluyen enormemente. El espermatozoide del erizo de mar es un excelente modelo para estudiar como el Ca2+ regula la forma del flagelo y la movilidad. Nosotros mostramos por primera vez que el speract induce fluctuaciones en el [Ca2+]i en espermatozoides individuales. Propusimos que estas fluctuaciones regulan como nada el espermatozoide. Nuestro sistema experimental mejorado de adquisición y análisis de imágenes para medir [Ca2+]i en espermatozoides individuales en movimiento nos permite registrar simultáneamente la forma del flagelo y su concentración local de [Ca2+]i. Recientemente demostramos cuantitativamente que las fluctuaciones en el [Ca2+]i producidas fotoactivando speract enjaulado regulan la forma en que nada el espermatozoide. Cada fluctuación va acompañada de un aumento en la asimetría flagelar y en la curvatura de la trayectoria del espermatozoide. Confirmamos que las fluctuaciones de los espermatozoides nadando son sensibles a bloqueadores de canales de Ca2+ voltaje dependientes (Cav) y que quizá un canal de Cl- regulado por Ca2+ y/o uno de K+ sean importante en la regulación de la respuesta al speract. Nuestros experimentos recientes indican que L. pictus es la segunda especie del erizo de mar cuyos espermatozoides responden quimotacticamente. Ahora tenemos dos especies de espermatozoides de erizo de mar que responden a un gradiente de speract definido, una regulando su movilidad y la otra con quimotaxis. En este proyecto nos proponemos comparar detalladamente las características de la dinámica del [Ca2+]i y los cambios inducidos en la curvatura del flagelo que determinan que espermatozoides de una especie experimenten quimotaxis frente a un gradiente de speract definido. Este proyecto tendrá las siguientes aportaciones 1) Contribuir a nuestra comprensión de como cambios espacio-temporales en el [Ca2+]i regulan la forma en la que el flagelo bate. 2) Ayudar a entender los mecanismos moleculares que controlan la dinámica del [Ca2+]i disparada por el speract en el flagelo del espermatozoide del erizo de mar S. purpuratus y L. pictus. 3) Explorar que vías de señalización relacionan los cambios dinámicos en el [Ca2+]i con los periodos de nado con vueltas pronunciadas y periodos de nado recto, que determinan que el espermatozoide del erizo de mar aumente su probabilidad de encontrar al óvulo. 4) La importancia de comprender como el [Ca2+]i regula el batido flagelar va más allá del espermatozoide. Las características generales del aparto flagelar, el axonema, se conservan a lo largo del reino animal. La mayoría de las células de nuestro cuerpo tiene al menos un cilio que es importante para: la reproducción, el desarrollo, la percepción y otras funciones. Defectos en los cilios pueden causar infertilidad, fibrosis, obesidad y diabetes. Lo anterior deja claro que entender los mecanismos que gobiernan la operación del axonema es un problema importante de la Biología Celular. 5) Se formará al menos un estudiante de doctorado y continuarán su formación académica varios postdoctorales.