ANÁLISIS DE LA EPIGENÉTICA ESPERMÁTICA

Marta Diñeiro Soto y Juan Manuel López Merino

Introducción

La epigenética espermática comprende el conjunto de mecanismos moleculares que regulan la expresión génica en los espermatozoides sin alterar la secuencia del ADN. Dichos mecanismos desempeñan un papel esencial en la correcta progresión de la espermatogénesis, en la adquisición de la competencia funcional del gameto masculino y en los eventos tempranos posteriores a la fecundación. En las últimas décadas, este campo ha adquirido una relevancia creciente debido a su implicación tanto en la infertilidad masculina como en la transmisión intergeneracional de información ambiental y metabólica (Hosseini et al., 2024; Leggio et al., 2025).

Durante el desarrollo de las células germinales masculinas se produce una reprogramación epigenética extensa, necesaria para garantizar la integridad del genoma paterno y la correcta regulación génica en el embrión temprano. Aunque tras la fecundación tiene lugar un proceso de borrado epigenético global, se ha demostrado que determinadas marcas epigenéticas de origen paterno pueden persistir y contribuir a la regulación de la expresión génica durante el desarrollo preimplantacional (Ashapkin et al., 2023). En este contexto, el epigenoma espermático se considera un intermediario clave entre el estado fisiológico y ambiental del padre y la salud de la descendencia.

Diversos factores, como la dieta, la edad paterna, el estilo de vida y la exposición a contaminantes ambientales han demostrado capacidad para modular el epigenoma del <espermatozoide. Entre ellos, el estrés oxidativo ha emergido como un modulador central, actuando no solo como agente genotóxico directo, sino también como regulador de enzimas epigenéticas y de la expresión de ARN no codificantes. Esta interacción ha permitido identificar nuevas alteraciones epigenéticas con potencial valor como biomarcadores de infertilidad humana reforzando el vínculo entre epigenética, estrés oxidativo y función reproductiva (Dutta et al., 2024).

Reprogramación epigenética durante la espermiogénesis

La espermiogénesis constituye la fase final de la espermatogénesis, durante la cual las espermátidas haploides se diferencian en espermatozoides maduros mediante una serie de cambios morfológicos y moleculares altamente especializados. En esta etapa tiene lugar una reprogramación epigenética profunda, caracterizada principalmente por la remodelación de la cromatina. Este proceso incluye la sustitución progresiva de histonas por proteínas de transición y, posteriormente, por protaminas, lo que permite una compactación extrema del ADN y una protección eficaz del genoma paterno frente a daños genotóxicos (Ashapkin et al., 2023; Hosseini et al., 2024).

De manera concomitante, durante la espermiogénesis se consolidan patrones específicos de metilación del ADN, esenciales para la correcta instauración de las improntas genómicas y el silenciamiento de elementos transponibles. Estas modificaciones epigenéticas son determinantes para la estabilidad genómica del espermatozoide maduro y condicionan la regulación génica tras la fecundación. La evidencia disponible indica que esta fase representa una ventana crítica de susceptibilidad epigenética, dado que alteraciones del microambiente testicular, como el incremento del estrés oxidativo, pueden interferir con la actividad de enzimas epigenéticas y dar lugar a marcas aberrantes persistentes (Dutta et al., 2024).

Principales mecanismos epigenéticos en el espermatozoide

Metilación del ADN

La metilación del ADN constituye uno de los mecanismos epigenéticos mejor caracterizados en el espermatozoide. Este proceso implica la adición de grupos metilo a residuos de citosina en dinucleótidos CpG y se establece de forma específica durante el desarrollo de las células germinales masculinas bajo la regulación de las ADN metiltransferasas, principalmente DNMT3A y DNMT3B, con la participación del cofactor DNMT3L (Hosseini et al., 2024).

En el espermatozoide maduro, los patrones de metilación del ADN se distribuyen de manera no aleatoria y se concentran en regiones implicadas en la impronta genómica, la regulación transcripcional y el control de la estabilidad genómica. Alteraciones en estos patrones se han asociado de forma consistente con infertilidad masculina y con un mayor riesgo de alteraciones en el desarrollo embrionario temprano (Leggio et al., 2025). Además, se ha descrito que el estrés oxidativo puede modificar estos perfiles epigenéticos al afectar a la actividad de las enzimas metiltransferasas, contribuyendo a la aparición de hipermetilación o hipometilación aberrante en genes clave de la espermatogénesis (Dutta et al., 2024).

Modificaciones de histonas y organización de la cromatina

Durante la espermiogénesis, aproximadamente el 90 – 95 % de las histonas nucleares son reemplazadas por protaminas, permitiendo una compactación extrema del ADN y una protección eficaz del genoma paterno frente a agentes genotóxicos. No obstante, una fracción minoritaria de histonas se conserva en regiones genómicas específicas, especialmente en promotores de genes implicados en el desarrollo embrionario temprano, la pluripotencia y la regulación del ciclo celular (Ashapkin et al., 2023).

Las histonas retenidas presentan modificaciones postraduccionales, como metilación, acetilación y fosforilación, que actúan como marcas epigenéticas funcionales. Se ha descrito que el estrés oxidativo puede interferir con estas modificaciones al modular la actividad de enzimas epigenéticas, tales como histona deacetilasas y metiltransferasas, alterando así la arquitectura de la cromatina y la regulación génica en el espermatozoide (Dutta et al., 2024). A pesar de ello, el alcance funcional y la persistencia de estas marcas tras la reprogramación postcigótica continúan siendo objeto de debate.

ARN no codificantes del espermatozoide

El espermatozoide contiene una población diversa de ARN no codificantes, incluidos microARN, ARN asociados a Piwi y fragmentos derivados de ARN de transferencia. Estos ARN se adquieren tanto durante la espermatogénesis como durante la maduración epididimaria y participan en la regulación de la expresión génica tras la fecundación (Leggio et al., 2025).

La expresión de estos ARN es altamente sensible a factores ambientales y fisiológicos. En particular, se ha demostrado que el estrés oxidativo altera perfiles específicos de microARN implicados en la regulación de la apoptosis, la función mitocondrial y la integridad genómica, como miR34c y miR449. Estas alteraciones se han propuesto como potenciales biomarcadores epigenéticos asociados a infertilidad masculina (Dutta et al., 2024).

Factores que modifican el epigenoma espermático

Estrés oxidativo

El estrés oxidativo se produce como consecuencia de un desequilibrio entre la generación de especies reactivas del oxígeno (ROS) y la capacidad antioxidante del organismo. En el contexto reproductivo masculino, un aumento de ROS se ha asociado con daño oxidativo del ADN, peroxidación lipídica y disfunción mitocondrial en los espermatozoides. Desde un punto de vista epigenético, el estrés oxidativo puede alterar la actividad de enzimas reguladoras de la metilación del ADN y de las modificaciones de histonas, así como modificar la expresión de ARN no codificantes, contribuyendo a la disrupción de la regulación génica espermática (Dutta et al., 2024).

La evidencia disponible sugiere que la evaluación combinada de marcadores de estrés oxidativo y perfiles epigenéticos específicos podría constituir una herramienta prometedora para la identificación de biomarcadores de infertilidad masculina, con potencial aplicación clínica en el diagnóstico y el seguimiento terapéutico.

Dieta y estado metabólico

La dieta paterna y el estado metabólico influyen de manera significativa sobre el epigenoma espermático, en parte mediante la modulación del equilibrio redox celular. La exposición a dietas hiperlipídicas o hipercalóricas se ha asociado con un incremento del estrés oxidativo sistémico y con modificaciones en la metilación del ADN y en los perfiles de ARN no codificantes del espermatozoide, lo que puede traducirse en alteraciones metabólicas en la descendencia (Tomar et al., 2024).

Edad paterna

El envejecimiento paterno se asocia con la acumulación progresiva de alteraciones epigenéticas en el espermatozoide, incluyendo cambios en la metilación del ADN, modificaciones postraduccionales de histonas y variaciones en los perfiles de ARN no codificantes (Ashapkin et al., 2023). Estos cambios pueden verse potenciados por el incremento del estrés oxidativo asociado a la edad y se han relacionado con un mayor riesgo de alteraciones del neurodesarrollo y enfermedades complejas en la descendencia.

Exposición a contaminantes ambientales

La exposición a contaminantes ambientales persistentes, como los compuestos perfluoroalquilados, pesticidas y disruptores endocrinos, se ha vinculado con un aumento del estrés oxidativo y con alteraciones epigenéticas en el espermatozoide, incluyendo cambios en la metilación del ADN y en la organización de la cromatina (Maxwell et al., 2024). Estos hallazgos subrayan la relevancia de la epigenética espermática como mecanismo mediador entre la exposición ambiental paterna y la salud reproductiva.

Estilo de vida y otros factores

Factores relacionados con el estilo de vida, como el tabaquismo, el consumo de alcohol, el estrés psicológico crónico y el sedentarismo, se han asociado con un aumento del estrés oxidativo y con modificaciones epigenéticas en el espermatozoide (Leggio et al., 2025). Algunas evidencias sugieren que determinadas alteraciones podrían ser parcialmente reversibles tras intervenciones dirigidas a mejorar el estilo de vida, lo que resalta el potencial de estrategias preventivas preconcepcionales.

Metodología de análisis epigenético espermático

Entre los mecanismos principales destacan: metilación del ADN, modificación de histonas, sustitución de histonas por protaminas y perfiles de ARN no codificante, que son marcas epigenéticas clave en la espermatogénesis y el desarrollo embrionario temprano (Akhatova et al., 2025). El análisis epigenético de los espermatozoides es técnicamente complejo debido a su extremada condensación nuclear, su baja cantidad de citoplasma y su elevada fragmentación post eyaculación (Akhatova et al., 2025).

Metilación del ADN (5-mC)

Es el marcador más estudiado. La metilación en citosinas, principalmente en dinucleótidos CpG, constituye una de las marcas epigenéticas más relevantes en gametos y es responsable del silenciamiento transcripcional y estabilidad genómica (Lombó et al., 2025).

En el espermatozoide, el patrón de metilación es extremadamente compacto y estable, crucial para el silenciamiento de elementos transponibles, mantenimiento de la integridad genómica, imprinting y maduración celular (Lombó et al., 2025).

En reproducción humana, la metilación espermática influye en:

·        Calidad seminal y morfología espermática (Akhatova et al., 2025).

·        Implantación y éxito de FIV/ICSI (Akhatova et al., 2025).

·        Desarrollo temprano del embrión (Lombó et al., 2025).

·        Riesgo de enfermedades neuropsiquiátricas y metabólicas en descendencia (Lombó et al., 2025).

Técnica bisulfito (BS‑Seq)

La conversión con bisulfito es el estándar de oro para detectar metilación, porque convierte citosinas no metiladas en uracilo (leídas como timinas tras secuenciación), permitiendo cuantificar 5‑mC a resolución de nucleótido (Olava et al., 201).

Variantes técnicas

RRBS (Reduced Representation Bisulfite Sequencing)

Método dirigido que selecciona regiones con alta densidad CpG, útil para estudiar imprinting paterno (H19, IGF2, PEG3) y comparaciones entre individuos fértiles e infértiles (Olava et al., 2018).
Uso específico en espermatozoides:

·        Permite estudiar imprinting paterno: H19, IGF2, PEG3…

·        Útil para cohortes grandes por su bajo coste.

·        Facilita comparar individuos infértiles vs fértiles. 

Ventaja: reduce el ruido causado por regiones repetitivas del genoma espermático, extremadamente abundantes.

WGBS (Whole Genome Bisulfite Sequencing)

Permite secuenciar el metiloma completo, útil para identificar regiones metiladas diferencialmente y estudiar efectos de envejecimiento reproductivo o exposición a tóxicos ambientales (Olava et al., 2018).
Aplicaciones en gametos:

·        Identificación de regiones metiladas diferencialmente (DMRs) asociadas a oligozoospermia o astenozoospermia.

·        Estudio de envejecimiento reproductivo masculino (“epigenetic ageing”).

·        Determinación del impacto de tóxicos ambientales: ftalatos, bisfenoles, tabaco.

Limitaciones

·        Artefactos de conversión y fragmentación del ADN, especialmente críticos en cromatina espermática, junto con complejidad bioinformática en genomas ricos en repetidos (Olava et al., 2018).

Modificaciones de Histonas y Protaminas

Durante la espermiogénesis, aproximadamente el 85‑95 % de las histonas son reemplazadas por protaminas, aunque entre el 5‑15 % de las histonas se retienen en regiones genómicas clave para el desarrollo embrionario (Akhatova et al., 2025).

La técnica estándar para estudiar estas modificaciones es ChIP‑Seq (Chromatin Immunoprecipitation Sequencing) (Singh et al., 2025).

Modificaciones más estudiadas:

·        H3K4me3: activación transcripcional (Akhatova et al., 2025).

·        H3K27me3: represión génica (Akhatova et al., 2025).

·        H3K9me3: compactación y silenciamiento heterocromático (Akhatova et al., 2025).

·        Acetilación de histonas (H4ac, H3ac): promotores activos (Akhatova et al., 2025).

Aspectos técnicos:
La extracción de cromatina es difícil debido al empaquetamiento de protaminas y requiere protocolos con SDS, DTT y nucleasas; además, el contenido histónico reducido precisa enfoques de low-input ChIP‑Seq (Akhatova et al., 2025).

Aplicaciones:
Evaluación del ratio PRM1/PRM2 en infertilidad e identificación de marcas asociadas a aborto recurrente o herencia epigenética transgeneracional (Akhatova et al., 2025).

Limitaciones adicionales

·        Falta de estandarización en protocolos: la mayoría son adaptaciones artesanales.

·        Gran variabilidad entre donantes debido a: edad, abstinencia sexual, hábitos alimentarios y exposición a químicos.

Perfil de ARN No Codificante (sncRNA)

El espermatozoide transporta sncRNAs (miRNAs, piRNAs, tsRNAs, lncRNAs y circRNAs) que contribuyen a la regulación post-fertilización y al desarrollo del cigoto (Akhatova et al., 2025).

RNA-Seq para sncRNA

Permite cuantificar y mapear especies regulatorias raras, útil en infertilidad idiopática, fallos de implantación y respuesta al estrés oxidativo (Akhatova et al., 2025).

Aplicaciones en reproducción:

·        Identificación de firmas epigenéticas vinculadas a:

o       infertilidad idiopática,

o       fallos de implantación,

o       fragmentación del ADN,

o       respuesta al estrés oxidativo.

Estudios en modelos animales han demostrado que la dieta paterna y el estrés crónico pueden alterar perfiles de sncRNAs, afectando fenotipos metabólicos o conductuales en descendencia (Lombó et al., 2025).

Ventajas

·        Requiere cantidades mínimas de material.

·        Puede aplicarse incluso a espermatozoides móviles seleccionados (MACS/ICSI).

·        Útil como biomarcador clínico no invasivo. 

Limitaciones

·        El ARN espermático es altamente fragmentado → exige librerías específicas.

·        Gran heterogeneidad entre individuos.

·        Falta definir claramente qué RNAs son funcionales vs residuales.

Perspectivas Futuras y Aplicaciones Clínicas

El campo se desplaza desde la investigación básica hacia la medicina de precisión en fertilidad. Las futuras líneas de trabajo se centran en:

Biomarcadores de Infertilidad Idiopática

Muchos hombres con seminogramas normales (conteo y movilidad óptimos) presentan fallos de implantación recurrentes. La identificación de "epimutaciones" específicas permitirá diagnosticar causas moleculares de infertilidad que hoy son invisibles (Akhatova et al., 2025).

Influencia del Estilo de Vida y Herencia Transgeneracional

Se ha demostrado que el estrés, la dieta (obesidad) y la exposición a toxinas ambientales alteran el rastro epigenético del esperma. La perspectiva futura es utilizar estos análisis para asesorar al paciente sobre periodos de "lavado epigenético" (cambios de hábitos durante 3 meses, el ciclo de la espermatogénesis) antes de la concepción (Akhatova et al., 2025).

Epigenética y Desarrollo de Enfermedades en la Descendencia

Existe una correlación creciente entre marcas epigenéticas anómalas en el esperma y el riesgo de trastornos neurodesarrolladores (autismo, esquizofrenia) o metabólicos en los hijos. El cribado epigenético podría convertirse en una herramienta de medicina preventiva pre-concepcional (Lombó et al., 2025).

Edición Epigenética

Aunque aún en etapas experimentales (usando sistemas dCas9), la posibilidad de corregir marcas de metilación erróneas en el esperma antes de una fertilización in vitro (FIV) representa la frontera final de la biotecnología reproductiva (Lombó et al., 2025).

Conclusiones

El análisis de la epigenética espermática evidencia que el espermatozoide no es únicamente un portador de ADN, sino una célula altamente especializada cuya función reproductiva y capacidad de contribuir al desarrollo embrionario dependen de complejos mecanismos de regulación epigenética. Entre dichos mecanismos, la metilación del ADN, las modificaciones en histonas y protaminas, así como el transporte de ARN no codificante, actúan de forma coordinada para garantizar que la información genética paterna se transmita y active correctamente tras la fecundación.

Además, la epigenética espermática se define como un puente biológico entre el estilo de vida del padre y la salud de la descendencia. Factores como dieta, edad, contaminantes ambientales, consumo de tóxicos o enfermedades metabólicas pueden inducir patrones epigenéticos anómalos transmisibles, lo que refuerza la importancia clínica del estado de salud previo a la concepción. Esta evidencia abre vías para estrategias preventivas y diagnósticas en infertilidad masculina.

En el ámbito metodológico, las técnicas de secuenciación aplicadas a metilación del ADN, el análisis de histonas o la caracterización del ARN espermático permiten identificar biomarcadores moleculares de alta precisión. No obstante, su complejidad técnica y coste elevado justifican el desarrollo de nuevas herramientas más accesibles para su integración clínica.

Finalmente, el futuro de la epigenética espermática se orienta hacia la medicina personalizada reproductiva. La identificación de mutaciones asociadas a infertilidad idiopática, la incorporación de análisis epigenéticos para el asesoramiento preconcepcional y la posibilidad de intervención terapéutica representan áreas de investigación con elevado potencial para mejorar el pronóstico reproductivo y la salud transgeneracional. En conjunto, este campo redefine la comprensión de la herencia paterna, otorgando al espermatozoide un papel determinante en la regulación del desarrollo y en la transmisión de la huella ambiental al embrión.

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