Sensibler geht's nicht - Forschung an einem außergewöhnlichen Ionenkanal

Alle Tierarten erkunden ihre Umwelt durch chemische Signalstoffe, die Informationen über Nahrung, Fressfeinde, Sexualpartner oder Krankheitserreger übermitteln. Diese „chemische Analyse“ ist überlebensnotwendig. Doch nicht nur ganze Organismen, auch einzelne Zellen reagieren auf solche Signalstoffe. Schon geringste Konzentrationen eines chemischen Reizes können eine zelluläre Antwort auslösen. Bitterstoffe in der Nahrung, beispielsweise, warnen schon in nanomolaren Konzentrationen vor pflanzlichen Giftstoffen. Eine besonders empfindliche Reaktion ist die Chemotaxis, d.h. die gerichtete Bewegung eines Organismus oder einer Zelle in einem chemischen Gradienten.

Bei der Fortpflanzung von Stachelhäutern spielt Chemotaxis eine entscheidende Rolle. Seeigel schütten ihre Keimzellen einfach ins Meerwasser aus. Dort treffen sich Eizelle und Spermium, jedoch nicht zufällig. Vielmehr werden die Spermien von der Eizelle mit Hilfe von chemischen Substanzen angelockt: Die Lockstoffe weisen den Spermien den Weg zum Ziel. Spermien des Seeigels Arbacia punctulata reagieren sehr empfindlich: Sie können einzelne Lockstoffmoleküle detektieren. Diese empfindliche Reaktion, an der absoluten physikalischen Grenze, war bislang ein Mysterium. In der November-Ausgabe von Science Signaling berichten wir darüber, dass ein außergewöhnlicher, extrem empfindlicher Ionenkanal im Spermienschwanz, die Einzelmolekül-Detektion ermöglicht.

Ionenkanäle sind Poren-bildende Proteine, quasi winzige Schleusen, durch die Ionen die Zellmembran passieren können. Ionenkanäle werden durch unterschiedliche Mechanismen aktiviert: Einige Kanäle reagieren auf Änderungen der Membranspannung, andere wiederum werden durch die Bindung von Botenstoffen geöffnet. Eine hochspezialisierte Kanalfamilie sind die sogenannten zyklisch Nukleotid-gesteuerten Kanäle (CNG-Kanäle). Sie werden durch die intrazellulären Botenstoffe cAMP oder cGMP (zyklische Nukleotide) aktiviert.

Klassische CNG-Kanäle, wie man sie in Sehzellen des Auges oder in Riechzellen der Nase findet, sind – wie andere Ionenkanäle auch - aus mehreren „Bausteinen“ oder Untereinheiten zusammengesetzt. Spannungsaktivierte Kaliumkanäle (K_v) und CNG-Kanäle bestehen aus vier identischen oder zumindest ähnlichen Untereinheiten, die sich zu einer Pore zusammenlagern. Sie bilden ein sogenanntes Tetramer. Spannungsabhängige Natrium- und Calciumkanäle (Na_v und Ca_v) dagegen bestehen aus einem einzigen Polypeptid, das vier ähnliche Domänen enthält. Jede dieser Domänen „repräsentiert“ eine Kanal-Untereinheit; man spricht von einer pseudotetrameren Anordnung.

Der CNG-Kanal in Seeigelspermien hat von jedem etwas: er ist aufgebaut wie ein typischer Calcium- oder Natriumkanal, lässt aber nur Kaliumionen passieren. Wie ein klassischer CNG-Kanal besitzt er vier Bindestellen für zyklische Nukleotide. Es ist also ein Zwitter aus einem K_v-Kanal, einem CNG-Kanal und einem Ca_v/Na_v-Kanal.
 
Wenn das Lockstoffmolekül an seinen Rezeptor auf der Oberfläche des Spermiums andockt, wird die chemotaktische Reaktionskette angestoßen. Der Rezeptor, der zugleich auch ein Enzym ist – die Guanylylzyklase – synthetisiert im Inneren des Spermiums den Botenstoff cGMP. Das cGMP bindet an den CNGK-Kanal und öffnet ihn: Kaliumionen strömen aus, die Zelle hyperpolarisiert. Die Änderung der Membranspannung löst weitere biochemische Schritte aus und führt schließlich zu einem Calciumeinstrom. Die erhöhte Calcium-Konzentration lässt den Schwanz asymmetrischer schlagen. Damit ändert sich auch die Schwimmbahn des Spermiums: Es steuert auf die Eizelle zu.
 
Während „klassische“ CNG-Kanäle nur öffnen, wenn mindestens zwei der vier Bindestellen mit cAMP oder cGMP besetzt sind, genügt beim CNGK-Kanal das Besetzen einer einzigen Bindestelle. Wir isolierten das CNGK-Gen aus Hoden des Seeigels und untersuchten seine Eigenschaften in menschlichen embryonalen Nierenzellen. In diesen Ammenzellen leiteten wir den Ionenstrom durch die CNGK-Kanäle ab. Zu unserer Überraschung öffnete der Kanal bereits bei nanomolaren cGMP-Konzentrationen – er ist also fast 1000-mal empfindlicher als klassische CNG-Kanäle. Durch Mutagenese der vier cGMP-Bindungsstellen fanden wir heraus, dass die dritte Bindestelle völlig ausreicht, damit der Kanal auf cGMP reagiert. Die Funktion der anderen cGMP-Bindestellen ist unklar; sie tragen aber nicht zur Aktivierung des Kanals bei.

Die enorme Liganden-Empfindlichkeit ermöglicht es den Spermien, bereits auf einzelne Lockstoffmoleküle zu reagieren. Wir konnten zeigen, dass nach der Bindung eines einzelnen Lockstoffmoleküls nur ca. 45 cGMP-Moleküle synthetisiert werden – die cGMP-Konzentration steigt also nur geringfügig an. Wenn so wenige cGMP-Moleküle vorhanden sind, ist es sehr unwahrscheinlich, dass gleichzeitig zwei, drei oder gar vier cGMP-Moleküle an ein und denselben CNGK-Kanal binden. Die nicht-kooperative Aktivierung des CNGK-Kanals stellt wahrscheinlich eine evolutionäre Adaptation für sehr geringe Liganden-Konzentrationen dar.

Dass eine Zelle auf ein einzelnes Teilchen reagiert, konnte bisher nur bei Bakterien und Sehzellen im Auge beobachtet werden. In Sehzellen reicht ein Lichtquant (Photon) aus, die Signalkette auszulösen und die Zelle elektrisch zu erregen. Allerdings wird beim Sehprozess das Signal zigtausendfach verstärkt, und nicht – wie bei Seeigelspermien- nur 45fach.

Wahrscheinlich können auch andere Zellen - neben Sehzellen und Seeigelspermien – auf Reize extrem empfindlich reagieren z.B. Nervenzellen, die durch Pheromone, Hormone, oder Neuropeptide aktiviert werden. Wir hoffen, dass unsere Arbeit an den Seeigelspermien die Forschung auf dem Gebiet der Chemosensorik stimuliert und zur Aufklärung der Signalverarbeitung in anderen Zellen beiträgt.

Weitere Informationen:

Veröffentlichung:
 
Bönigk, W., Loogen, A., Seifert, R., Kashikar, N., Klemm, C., Krause, E., Hagen, V., Kremmer, E., Strünker, T., and Kaupp, U.B. (2009) "An Atypical CNG Channel Activated by a Single cGMP Molecule Controls Sperm Chemotaxis" Sci. Signal. 2, ra68