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Wie finden Spermien ihr Ziel?

Jülicher Forscher klären den chemotaktischen Signalweg in Spermien auf

[18. September 2006]

Jülich, 18. September 2006 - Wie findet ein Spermium die Eizelle? Auf diese Frage fanden Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich neue Antworten. Mit besonderen Techniken konnten sie die Signalkette aufklären, die in Gang gesetzt wird, wenn Spermien des Seeigels mit dem Lockstoff der Eizelle in Kontakt kommt. Die Biophysiker fanden heraus, dass sich die Membranspannung ändert und in Folge Calcium von außen in das Spermium einströmt. Der Calciumeinstrom steuert das Schwimmverhalten der Spermien zur Eizelle hin. Die Forscher sind zuversichtlich, dass sie mit ihren neuen Techniken nun auch die Signalwege in menschlichen Spermien aufklären können. Die Ergebnisse sind in der Oktober-Ausgabe der renommierten Zeitschrift "Nature Cell Biology" veröffentlicht (Strünker et al. Advance Online Publication 10. September).

Eizellen setzen chemische Lockstoffe frei, die Spermien anlocken. Die Konzentration des Lockstoffs an der Eizelle ist hoch und nimmt mit zunehmender Entfernung ab. Spermien orientieren sich in diesem Lockstoffgradienten, der die Eizelle umgibt, und sind so in der Lage, die Eizelle aufzuspüren. Das Schwimmverhalten von Spermien wird durch den Lockstoff gesteuert, man nennt dies Chemotaxis. "Chemotaxis beobachtet man bei einfachen Meerestieren bis hin zum Menschen", erklärt Prof. U. Benjamin Kaupp, Direktor am Jülicher Institut für Neurowissenschaften und Biophysik. "Die Lockstoffe binden an spezifische Rezeptorproteine auf der Spermienoberfläche und lösen zelluläre Reaktionen aus, die das Schwimmverhalten ändern." Wie der Signalweg von den Rezeptoren bis hin zur Änderung der Schwimmbahn abläuft, lag bisher weitgehend im Dunkeln.

Seit Jahren vermuten Wissenschaftler, dass Ionenkanäle bei diesem Prozess eine wichtige Rolle spielen. Diese mikroskopisch kleinen Poren in der Zellmembran ermöglichen Ionen - geladene Teilchen -, die Zellmembran zu passieren. Ionenströme sind entscheidend dafür, das elektrische Signale in Zellen entstehen und weitergeleitet werden, insbesondere in Nervenzellen. Die elektrischen Signale von Zellen werden normalerweise mit Hilfe von Mikroelektroden gemessen. Dies ist an schwimmenden Spermien aufgrund ihrer geringen Größe und ihrer Beweglichkeit nahezu unmöglich. "Wir konnten nun die elektrische Erregung in frei schwimmenden Spermien mit einer optischen Methode messen", erklärt Dr. Ingo Weyand. "Dazu werden Spermien einer Seeigel-Art mit speziellen spannungsempfindlichen Farbstoffen markiert und mit dem Lockstoff, einem kurzkettigen Eiweiß, schnell gemischt. Der Lockstoff bindet an ein Rezeptorprotein auf der Oberfläche der Spermien, welches wiederum einen zellulären Botenstoff (cyclo GMP) synthetisiert."

Die Wissenschaftler der Arbeitgruppe um Kaupp und Weyand fanden heraus, dass der Botenstoff cyclo GMP einen Ionenkanal öffnet, der auch am Sehen und Riechen beteiligt ist. Der Ionenkanal in Spermien hat aber ungewöhnliche Eigenschaften, die ihn von den Kanälen in Seh- und Riechzellen unterscheiden. Er lässt nur Kalium-Ionen passieren. "Wenn der Kanal öffnet, strömen Kalium-Ionen aus der Spermienzelle und erzeugen elektrische Pulse, wie man sie aus Nervenzellen, insbesondere Sehzellen kennt", erklärt Weyand. Der neue Ionenkanal konnte in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern vom Forschungsinstitut für Molekulare Pharmakologie in Berlin erstmals an der Oberfläche des Spermienschwanzes nachgewiesen werden. Die Forscher entdeckten, dass der Kaliumausstrom weitere Ionenkanäle aktiviert, durch die Calciumionen in das Zellinnere der Spermien strömen. Der schnelle Calciumeinstrom bewirkt, dass die Spermien Wendemanöver durchführen und dadurch ihre Schwimmrichtung ändern.

"Die Signalwege in Sehzellen und Spermien sind erstaunlich ähnlich", zieht Kaupp eine interessante Schlussfolgerung. "Beide Zelltypen sind äußerst empfindlich und antworten schon auf ein einzelnes Lichtquant beziehungsweise Lockstoffmolekül." Der Botenstoff ist in beiden Fällen das cyclo GMP. Dieses reguliert in Sehzellen und Spermien Ionenkanäle, die zur gleichen Proteinfamilie gehören und ein ähnliches elektrisches Signal auslösen.

Die Forscher sind zuversichtlich, dass sie mit ihren neuen Techniken nun auch die Signalwege in menschlichen Spermien aufklären können. Erst wenn man die zellulären Signalwege genau versteht, kann man in den Prozess eingreifen. So könnte eine gezielte Blockierung der Signalkette in Spermien vielleicht zu einer Methode der Empfängnisverhütung beim Mann führen.


Pressekontakt:

Annette Stettien
Wissenschaftsjournalistin, Öffentlichkeitsarbeit
Forschungszentrum Jülich
Tel. 02461 61-2388, Fax 02461 61-4666
E-Mail: k.schinarakis@fz-juelich.de, a.stettien@fz-juelich.de


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