Chemosensorik im Spermium

Der chemische Lockruf der Eizelle    Die Keimzellen    Die Befruchtung   Signalwanderung im Seeigel-Spermium  
Die Navigation der Spermien   
Spermien und Sehzellen - eine erhellende Verwandtschaft  
... und Spermien von Säugetieren?

Der chemische Lockruf der Eizelle

Ein neues Lebewesen entsteht, wenn eine männliche und weibliche Keimzelle miteinander verschmelzen. Die Wahrscheinlichkeit, dass Eizelle und Spermium zufällig aufeinandertreffen, ist äußerst gering. Das ist besonders augenfällig bei Seeigeln, die in Kolonien leben und ihre Keimzellen ins Meerwasser freisetzen. Dort beginnen die Spermien ihre Suche nach der Eizelle. Die Aufgabe scheint schier unlösbar zu sein. Ein Vergleich soll dies veranschaulichen. Ein Spermium ist ca. 50 µm lang und kann ca. 100 µm pro Sekunde schnell schwimmen. Wir nehmen an, dass Eizelle und Spermium 1 cm voneinander entfernt sind. Ein Spermium, wenn es direkt geradeaus zur Eizelle schwimmt, benötigt für diese Strecke ca. 2 min. Wenn wir dieses Beispiel auf die Dimensionen eines Menschen übertragen (Maßstab 1:200), besteht die Aufgabe darin, eine Kugel (die Eizelle) mit einem Durchmesser von ca. 2 m in einem Umkreis von 400 m zu finden.
Die Eizelle unterstützt die Suche der Spermien durch Lockstoffe. Die ausgeschütteten Lockstoffe breiten sich im Meerwasser aus und weisen den Spermien den Weg zur Eizelle. Das folgende Video zeigt die Schwimmbewegungen von Seeigel-Spermien, beobachtet unter einem Mikroskop. Die hellen Punkte stellen den Kopf der Spermien dar. Zu Beginn des Films sieht man, dass die Spermien homogen in der Suspension verteilt sind (verdeutlicht durch den Kameraschwenk) und gleichmäßig in Kreisen schwimmen. Die Spermien schwimmen in einer Lösung, die den Lockstoff der Eizelle bereits enthält. Allerdings ist der Lockstoff mit einer chemischen Schutzgruppe versehen und so für die Spermien „unsichtbar“. Die Mitte der Messkammer wird mit einem kurzen UV-Blitz belichtet. Das UV-Licht trennt die chemische Schutzgruppe von dem Lockstoff ab und der Lockstoff wird freigesetzt. Man sieht, dass sich die Spermien unmittelbar danach in der Mitte der Messkammer anreichern – die Spermien schwimmen in Richtung der künstlich erzeugten Lockstoffquelle.

Mit Hilfe dieser Methode kann man der künstlichen Lockstoffquelle sogar
bestimmte Formen verleihen. Dazu wird nur ein bestimmter Teil der Messkammer über eine Maske mit dem UV-Licht bestrahlt. Diese Maske kann z.B. die Form einer Mickey-Mouse haben, wie im folgenden Bild zu sehen. Gibt man dem UV-Blitz ein solches Aussehen, so akkumulieren die Spermien in der Kammer tatsächlich in Form eines Mickey-Mouse-Kopfes.

Video: Luis Alvarez 

Die Spermien orientieren sich an dem chemischen Gradienten, der von dem Lockstoff gebildet wird. Eine solche Wanderung hin zur Quelle eines chemischen Lockstoffes nennt man Chemotaxis. Sie spielt bei vielen biologischen Prozessen - etwa bei der Nahrungssuche von Bakterien oder der Entwicklung des Nervensystems - eine wichtige Rolle.

Obwohl Wissenschaftler schon seit einem Jahrhundert die Spermien-Chemotaxis untersuchen, konnten die zellulären Mechanismen erst in jüngster Zeit aufgeklärt werden. Dieser Erfolg ist vor allem kinetischen Methoden zu verdanken, mit denen die schnellen zellulären Reaktionen in Seeigel-Spermien entschüsselt werden konnten. Hingegen liegen die Mechanismen der Chemotaxis von Säugetierspermien weitgehend im Dunkeln. Weder der Lockstoff der Eizelle noch der intrazelluläre Signalweg konnten bisher eindeutig identifiziert werden.

Im Folgenden wird das Navigationsverhalten und die Signalverarbeitung in Spermien dargestellt. Zunächst sollen aber die Keimzellen und der Befruchtungsvorgang genauer vorgestellt werden.

Die Keimzellen

Das Spermium ist eine stark polarisierte bewegliche Zelle; sie trägt die väterliche DNA zur mütterlichen DNA der Eizelle. Das reife Spermium hat einen komplizierten Entwicklungsprozess (Spermatogenese) hinter sich. Reife Spermien können weder Nukleinsäuren noch Proteine synthetisieren. Die unreifen Vorläuferzellen sind rund. Während der Reifung verschwindet der größte Teil des Zytoplasmas. Deshalb ist das Zytoplasma im reifen Spermium sehr klein (ca. 7 Femtoliter; 1 fl = 10^-15 l). Spermien besitzen einen Kopf (2-5 µm Durchmesser) und einen Schwanz (10-100 µm lang). Der Kopf enthält den Zellkern und ein kleines Vesikel, das sogenannte Akrosom, das oberhalb des Zellkerns im vorderen Bereich des Kopfes liegt. Der Schwanz besitzt die für eukaryontische Zilien typische „9+2“-Anordnung der Mikrotubuli (Axonem).

Die Energie für die Bewegung des Flagellums und damit für den Antrieb des Sper­miums wird von Mitochondrien geliefert, die sich entweder am unteren Teil des Kopfes (so wie bei Seeigeln) oder im Mittelteil des Schwanzes (so wie bei Säugetieren) befinden. Das Spermium setzt nur ca. ein Zehntel der Energie für die Schwimmbewegung ein; der Großteil der Energie wird für die Aufrechterhaltung der Ionengradienten der Zelle benötigt.Die Eizelle ist wesentlich größer als das Spermium (Seeigel-Spermienkopf: Ø 5 µm; Seeigel-Eizelle: Ø 150 µm).
Die Eizelle ist umgeben von einer schützenden Hülle, der sogenannten Zona pelucida. Das Spermium muss diese durchdringen, um mit der Zellmembran der Eizelle verschmelzen zu können.

Die Befruchtung

Die Befruchtung der Eizelle läuft in mehreren Stufen ab.

Signalwandlung im Seeigel-Spermium

Eizellen und Spermien von Seeigeln dienen seit fast 100 Jahren als Modell zur Erforschung der Chemotaxis. Die Eihülle enthält die Lockstoffe - kurze Peptide, die aus wenigen Aminosäuren aufgebaut sind. Die Oberfläche des Spermienschwanzes ist mit Rezeptoren belegt; die Lockstoffpeptide binden an diese Rezeptoren und lösen eine biochemische Reaktion aus. Der Rezeptor ist eine Guanylylzyklase (GC); sie synthetisiert den intrazellulären Botenstoff cGMP. Durch Stimulation mit dem Lockstoff steigt die cGMP-Konzentration schnell an. Welche zelluläre Reaktion löst cGMP aus?
Mit Hilfe spannungssensitiver Fluoreszenzfarbstoffe gelang es, elektrische Signale an intakten schwimmenden Spermien zu registrieren (Strünker et al. 2006). Das Ergebnis war überraschend: Spermien besitzen ein Ruhepotential, das deutlich positiver ist als das anderer Zellen (ca. − 42 mV im Vergleich zu  − 70 mV). Wenn man Spermien mit dem Lockstoff stimuliert, wird das Membranpotential negativer, d.h. die Zelle hyperpolarisiert. Der Botenstoff cGMP aktiviert zyklisch-nukleotid-gesteuerte (CNG) Ionenkanäle; durch die geöffneten Kanäle strömen K⁺-Ionen aus der Zelle, und die Zellmembran wird hyperpolarisiert.
Wie führt nun die Hyperpolarisation zu einem Ca²⁺-Einstrom? Sie wirkt sich auf zwei weitere Kanaltypen aus: spannungsabhängige HCN-Kanäle und Ca_v-Kanäle. Die Ca_v-Kanäle sind bei einem Ruhe­potential von − 42 mV inaktiviert und erholen sich von der Inaktivierung bei negativeren Potentialwerten: Sie werden vom inaktivierten in den geschlossenen Zustand überführt und können, bei einer erneuten Depolarisation, wieder öffnen. Die Depolarisation wird durch HCN-Kanäle eingeleitet, die ebenfalls durch die Hy­perpolarisation aktiviert werden (Gauss et al. 1998). HCN-Kanäle kommen in vielen anderen Zellen vor. Sie kontrollieren die rhythmische Aktivität von Neuronen und Herzmuskelzellen und werden deshalb auch als Schrittmacherkanäle bezeichnet (Pape 1996). HCN-Kanäle leiten unter phy­siologischen Bedingungen einen Na⁺‑Einwärtsstrom und wirken der Hyperpolarisation entgegen. Sie tragen dazu bei, dass das Membranpotential der Spermien nach dem Reiz wieder auf den Ruhewert zurückkehrt.

Dieser chemotaktische Signalweg ist während der Evolution in phylogenetisch weit ent­fernten Wirbellosen, z.B. dem Seestern Asterias amurensis, konserviert worden. Auch diese Spermien verwenden Peptide als Lockstoffe und Guanylylzyklasen als Lockstoffrezeptoren. Zwar unterscheiden sich die Lockstoffpeptide in ihrer Größe, Aminosäuresequenz und Struktur: Die Seeigel-Lockstoffe Resact und Speract sind kurze Peptide, während Asterosap, das Peptid des Seesterns A. amurensis, ein großes ringförmiges, glutaminreiches Peptid ist. Der Aufbau des chemosensorischen Signalwegs jedoch ist seit mindestens 500 Millionen Jahren in verschiedenen Tierstämmen erhalten geblieben. Interessanterweise gibt es im Riechepithel von Säugetieren eine kleine Gruppe von Riechzellen, die ebenfalls eine Guanylylzyklase als „Riechrezeptor“ und einen cGMP-Signalweg verwenden (Meyer et al. 2000; Leinders-Zufall et al. 2007). Im Urin von Mäusen konnten Peptide identifiziert werden, die die Guanylylzyklase aktivieren.

Die Navigation der Spermien

Im Meer schwimmen Seeigelspermien auf spiralförmigen Bahnen. Im Labor jedoch lässt sich das Schwimmverhalten leichter unter dem Mikroskop verfolgen, wenn sich die Spermien in einer flachen Beobachtungskammer befinden. Dort schwimmen sie auf kreisförmigen Bahnen an der Grenzfläche zwischen Glas und Wasser. Erzeugt man einen Lockstoffgradienten, so ändert sich das Schwimmverhalten der Spermien: Sie bewegen sich entlang einer Bahn aus driftenden Kreisen auf die Lockstoffquelle zu (Abbildung 6).

Wie ist dieses Schwimmverhalten zu erklären?

Die Krümmung der Schwimmbahn wird durch das Schlagmuster des Spermienschwanzes, dem sogenannten Flagellum, bestimmt. Das Schlagmuster ist leicht asymmetrisch, so dass die Spermien im Kreis schwimmen. Je stärker die Asymmetrie des Flagellenschlags ausgeprägt ist, desto stärker ist die Schwimmbahn gekrümmt. Ist die Schwimmbahn kurzfristig stark gekrümmt, sprechen wir von einem "turn". Bei weniger starker Krümmung schwimmen die Spermien geradeaus, eine solche Phase bezeichnen wir als "run". Dieses Schwimmverhalten ist stark an Änderungen der intrazellulären Ca²⁺-Konzentration gekoppelt: Steigt die Ca²⁺-Konzentration im Flagellum an, beobachtet man einen "turn", sinkt sie ab, kommt es zu einem "run".
Da sich das Spermium im Gradienten auf kreis- oder spiralförmigen Bahnen bewegt, ist es periodischen Änderungen der Lockstoffkonzentration ausgesetzt: es wird periodisch mit Lockstoff stimuliert. Auf jede Stimulation folgt mit einer charakteristischen Verzögerung ein kurzfristiger Anstieg der intrazellulären Ca²⁺-Konzentration. Das Spermium reagiert mit einem "turn", gefolgt von einem "run" in der anschließenden Phase, in der die Ca²⁺-Konzentration wieder absinkt. Die driftende Kreisbahn im Lockstoffgradienten kann man also durch eine Abfolge von zwei Schlagmustern erklären, die erst einen "turn" und dann einen "run" auslösen (Abbildung 7).

Das folgende Video zeigt die Schwimmbahn eines Spermiums des Seeigels A. punctulata in einem Lockstoffgradienten, der durch caged-Resact erzeugt worden ist. Die Ca²⁺-Signale wurden mit Hilfe von Fluoreszenzfarbstoffen verfolgt. Der Lockstoff löst Oszillationen der Ca²⁺-Konzentration aus, die wiederum die Krümmung der Schwimmbahn periodisch verändern.

Spermien und Sehzellen - eine erhellende Verwandtschaft

Es gibt faszinierende Parallelen zur Signalwandlung in Sehzellen. Spermien und Sehzellen besitzen lange Kompartimente -das Flagellum bzw. das Außensegment-, in denen der Reiz zunächst in ein biochemisches und dann in ein elektrisches Signal umgewandelt wird. Beide Zelltypen arbeiten an der Grenze der physikalischen Empfindlichkeit: Sie können ein einziges Molekül bzw. Photon detek­tieren; die elektrischen Signale sättigen, wenn ca. 100 Lockstoffmoleküle bzw. Photonen auftreffen. Spermien und Sehzellen sind im Vergleich zu anderen Zellen „depolarisiert“, d.h. ihr Membranpotential ist im Ruhezustand weniger negativ. Lockstoff bzw. Licht hyperpolarisieren die Zelle kurzfristig. Diese Hyperpolarisation wird in Spermien und Sehzellen durch den intrazellulären Botenstoff cGMP ausgelöst. Allerdings sind die Mechanismen, die die Zelle hyperpolarisieren, unterschiedlich. In Spermien ist die cGMP-Konzentration gering, und die K⁺-selektiven CNG-Kanäle sind geschlossen; sie öffnen, wenn die cGMP-Konzentration ansteigt. Das cGMP wird später durch eine Phosphodiesterase wieder abgebaut, und die Spermien kehren in den Ruhezustand zurück. In Sehzellen dagegen ist die cGMP-Konzentration im Dunkeln hoch, und die CNG-Kanäle sind geöffnet. Eine Phosphodiesterase, die durch eine hochverstärkte Kaskade enzymatischer Reaktionen aktiviert wird, hydrolysiert cGMP zu GMP. Dadurch schließen die CNG‑Kanäle.

Obwohl Spermien und Sehstäbchen dieselbe absolute Empfindlichkeit besitzen und einen ähnlichen Signalweg verwenden, ist der Mechanismus der Signalverstärkung unterschiedlich. Ein Lockstoffmolekül stimuliert die Synthese von ca. 10 cGMP-Molekülen, während ein Photon die Hydrolyse von ca. 10.000 cGMP-Molekülen einleitet. Die unterschiedliche Signalverstärkung auf der ersten Stufe der Signalwandlung kann durch zwei Unterschiede erklärt werden: Zum einen sind Guanylylzyklasen langsame Enzyme im Vergleich zu Phosphodiesterasen (Synthese von ca. 20-30 cGMP-Molekülen pro Sekunde gegenüber Hydrolyse von 4.000 cGMP-Molekülen pro Sekunde). Zum anderen fungieren Guanylylzyklasen gleichzeitig als Rezeptor und als Enzym, während das Rhodopsin nur als Rezeptor dient. Es überträgt das Signal zunächst auf ca. 300 G-Proteine („Transducin“), die in einem nächsten Schritt Phosphodiesterasen aktivieren. Bei Spermien fehlt diese Verstärkungsstufe. Allerdings könnte ein anderer Mechanismus das Fehlen dieser Verstärkungsstufe in Spermien wettmachen. Die Hyperpolarisation, die wahrscheinlich durch die Öffnung von wenigen CNG-Kanälen erreicht wird, breitet sich in wenigen Millisekunden entlang des Flagel­lums aus: dadurch erholen sich alle Ca_v-Kanäle von der Inaktivierung - zumindest teilweise - und können danach wieder geöffnet werden. Schließlich ist das Volumen eines Flagellums ca. 30−mal kleiner als das eines Außensegments. Deshalb sind die relativen Änderungen der cGMP-Konzentration - bei gleicher Syntheserate - im Flagellum größer.
Sowohl Spermien als auch Sehzellen sind mit der Schwierigkeit konfrontiert, eine hohe absolute Empfindlichkeit mit einem großen dynamischen Arbeitsbereich zu verbinden. In beiden Zelltypen verhindern die HCN-Kanäle, dass bei hohen Lockstoffkonzentrationen bzw. Lichtintensitäten das Gleichgewichtspotential für K⁺-Ionen, V_K, und damit die vorzeitige Sättigung erreicht wird. Die HCN-Kanäle ermöglichen deshalb Spermien und Sehzellen Reizstärken über 4-6 Größenordnungen zu verarbeiten.

Die Signalwandlung in Spermien und Sehzellen läuft nach ähnlichen Prinzipien ab und verläuft über ähnliche Moleküle. Der Vergleich zeigt eindrucksvoll, wie die Natur Strukturmotive und Funktionsmodule variiert, um eine völlig andere Aufgabe zu lösen. In diesem Sinne können Spermien als schwimmende Sehstäbchen bezeichnet werden, die blind sind!

... und Spermien von Säugetieren?

Lange Zeit glaubte man, dass Spermien von Säugetieren die Eizelle im Eileiter ohne Chemotaxis finden. Inzwischen gibt es aber verlässliche Hinweise auf Chemotaxis bei Spermien von Mensch, Kaninchen und Maus. Allerdings scheint die Suche nach der Eizelle im Eileiter für Säugetierspermien eine anspruchsvolle Aufgabe zu sein. Zum einen können sich Spermien im Eileiter nicht so frei bewegen wie Seeigel-Spermien im Seewasser. Sie kriechen mehr entlang der Innenwand des Eileiters als dass sie frei dem Ziel entgegen schwimmen. Es wurden mehrere Lockstoffe vorgeschlagen: Progesteron, Duftstoffe oder kurze Peptide. In der Tat sind Säuge­tier-Spermien mit Duftstoffrezeptoren ausgestattet, die auch in den Riechzellen der Nase vorkommen. Allerdings sind die biologischen Liganden der Duftstoffrezeptoren und ihre Funktion im Spermium unbekannt.
Außerdem existiert ein Temperatur­gradient im Eileiter von Säugetieren, und menschliche Spermien zeigen thermotaktisches Verhalten, d.h. sie orientieren sich an einem Temperaturgradienten. Vielleicht benötigen Säugetier-Spermien verschiedene Lockstoffe und einen chemischen und thermischen Gradienten, um die Eizelle zu orten. 

Veröffentlichungen:

Berg, H. C., Purcell, E. M. „Physics of chemoreception.“  Biophys. J. 20 (1977) 193-219. 

Böhmer, M., Van, Q., Weyand, I., Hagen, V., Beyermann, M., Matsumoto, M., Hoshi, M., Hildebrand, E., Kaupp, U.B. „Ca²⁺ spikes in the flagellum control chemotactic behavior of sperm.“ EMBO J. 24 (2005) 2741-2752. 

Gauss, R., Seifert, R., Kaupp, U. B. „Molecular identification of a hyperpolarization-activated channel in sea urchin sperm.“  Nature 393 (1998) 583-587. 

Kaupp, U. B., Kashikar, N., Weyand, I. „Mechanisms of sperm chemotaxis.“  Ann. Rev. Physiol. (2008) 70, 93-117. 

Kaupp, U. B., Solzin, J., Hildebrand, E., Brown, J.E., Helbig, A., Hagen, V., Beyermann, M., Pampaloni, F., Weyand, I. „The signal flow and motor response controling chemotaxis of sea urchin sperm.“ Nature Cell Biology 5 (2003) 109-117. 

Leinders-Zufall, T., Cockerham, R. E., Michalakis, S., Biel, M., Garbers, D. L., Reed, R. R., Zufall, F., Munger, S. D. „Contribution of the receptor guanylyl cyclase GC-D to chemosensory function in the olfactory epithelium.“  Proc. Natl. Acad. Sci. USA (2007) 14507-14512. 

Meyer, M. R., Angele, A., Kremmer, E., Kaupp, U. B., Müller, F.  „A cGMP-signaling pathway in a subset of olfactory sensory neurons.“  Proc. Natl. Acad. Sci. USA (2000) 10595-10600. 

Pape, H.-C. „Queer current and pacemaker: The hyperpolarization-activated cation current in neurons.“  Annu. Rev. Physiol. 58 (1996) 299-327. 

Strünker, T., Weyand, I., Bönigk, W., Van, Q., Loogen, A., Brown, J. E., Kashikar, N., Hagen, V., Krause, E., Kaupp, U. B. „A K⁺-selective cGMP-gated ion channel controls chemosensation of sperm.“ Nat. Cell Biol. 8 (2006) 1149-1154.