Modelo matemático para la capacitación de espermatozoides en la fecundación de mamíferos

Resumen La capacitación es un proceso de maduración complejo el cual los espermatozoides de mamífero deben atravesar durante su transito y residencia en el tracto reproductor femenino a fin de volverse capaces de fertilizar al óvulo. Este proceso involucra cambios fisiológicos en: el patrón de batido flagelar, el potencial de membrana, la concentración intracelular de varios iones, la fosforilación de proteínas, entre otros. Típicamente, en un medio capacitante, sólo una fracción de los espermatozoides alcanza dicho estado. La causa de esta respuesta heterogénea es una pregunta abierta. En el presente trabajo, se desarrolló para los niveles tempranos de la capacitación de ratón, un modelo de red de regulación discreto con dinámica determinista y algunos elementos estocásticos. En particular, el modelo sugiere que el grado de variabilidad en el número de transportadores iónicos entre la población de espermatozoides está relacionado con el porcentaje de células capacitadas. A nivel de célula única, el modelo requiere para la capacitación de la confluencia de niveles específicos de concentraciones y activación de algunos nodos selectos de la red. También en este estudio, se ponen de manifiesto comportamientos sinérgicos entre nodos clave de la red. Basado en el análisis del modelo, se proponen condiciones experimentales para controlar los niveles de capacitación.

Abstract Capacitation is a complex maturation process that mammalian sperm must undergo in the female genital tract to be able to fertilize an egg. This process involves, amongst others, physiological changes in: flagellar beating pattern, membrane potential, intracellular ion concentrations and protein phosphorylation. Typically, in a capacitation medium, only a fraction of sperm achieve this state. The cause for this heterogeneous response is still not well understood and remains an open question. Here, we develope a discrete regulatory network with mainly deterministic dynamics in conjuction with some stochastic elements, wich increases our understanding of this process. In particular the model suggests that the variability in ion transporter counts among sperm is related to the fraction of capacitated cells in population. In singel cell for early capacitation the model requires the convergence of specific levels of concentration and activation of a select set of nodes. In the study synergistic traits amongst some components of the network are manifested. Based on the mathamtical analysis, certain experimental conditions are proposed that control capacitation levels.