Biophysik der Zellmotilität

Viele eukaryotische Zellen besitzen Zilien oder Flagellen. Charakteristisch für diese Zellausläufer ist ihr hoch-konserviertes Zytoskelett (Axonem), das aus ringförmig angeordneten Mikrotubuli-Doublets besteht. Der Zilien- bzw. Flagellenschlag wird durch die koordinierte Aktivität von Motorproteinen innerhalb des Axonems gesteuert. Seit langem ist bekannt, dass in vielen Zelltypen – von der Alge bis zum Spermium – intrazelluläres Ca2+ eine Schlüsselrolle bei der Kontrolle des Flagellenschlags spielt.

Spermien können ihre Schwimmbahn anhand chemischer Wegweiser - Lockstoffe - ausrichten, die von der Eizelle abgegeben werden. Das Navigieren der Spermien in einem Lockstoffgradienten, der die Eizelle umgibt, wird als „Spermien-Chemotaxis“ bezeichnet. Die Lockstoffe binden an Lockstoff-Rezeptoren in der Flagellenmembran, wodurch eine Signalkaskade aktiviert wird; an deren Ende strömt Ca2+ in das Flagellum. Dieser Ca2+-Einstrom ändert den Flagellanschlag und das Schwimmverhalten. Frühere Studien ließen vermuten, dass der Flagellenschlag von der absoluten intrazellulären Ca2+-Konzentration bestimmt wird. Unsere Forschung an Seeigel-Spermien zeigt jedoch, dass die Krümmung der Schwimmbahn nicht mit der Ca2+-Konzentration, sondern mit deren zeitlichen Änderung (d[Ca2]]i/dt) korreliert. Dies deutet darauf hin, dass der Flagellenschlag über einen adaptiven Mechanismus kontrolliert wird.

Viele wichtige Fragen zur Spermienmotilität und Chemotaxis sind nach wie vor ungeklärt. Diese Fragen bilden den Schwerpunkt unserer aktuellen Forschung: Wie genau entschlüsseln die Spermien einen chemischen Gradienten, und wie setzen sie die Information in Bewegung um? Wo liegen die physikalischen Grenzen der Chemosensorik im Spermium? Wie kann man die dreidimensionale Schwimmbahn verfolgen?

Veröffentlichungen

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