Spermien riechen ihren Weg zur Eizelle – und dies so gut, dass sie sogar ein einzelnes Lockstoffmolekül registrieren. Das Geheimnis hinter dieser „Supernase“ haben jetzt deutsche Forscher enträtselt. Sie entdeckten einen außergewöhnlichen Ionenkanal, der dafür eine Schlüsselrolle spielt, wie sie in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift „Science Signalling“ berichten.
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Für eine erfolgreiche Befruchtung müssen sich Eizelle und Spermium treffen. Das allerdings geschieht nicht zufällig, stattdessen lockt die Eizelle die Spermien aktiv an mit Hilfe von Lockstoffen. Diese Lockstoffe weisen den Spermien den Weg zum Ziel. Diesen Vorgang bezeichnet man als Chemotaxis. Das Anlocken funktioniert besonders gut bei Seeigeln, die ihre Eizellen und Spermien einfach ins Meerwasser abgeben. Dort, in der Weite des Ozeans, muss die Chemotaxis besonders effektiv sein.
Dass die Spermien des Seeigels Arbacia punctulata an der physikalischen Grenze der Empfindlichkeit arbeiten, entdeckten Wissenschaftler am Center of Advanced European Studies and Research (caesar) in Bonn bereits 2003. Die Spermien können noch ein einzelnes Lockstoffmolekül im Meerwasser detektieren und darauf reagieren. Wie die Spermien so empfindlich auf einen chemischen Reiz antworten können, hat jetzt ein Team des caesar um Professor Benjamin Kaupp herausgefunden.
Ionenkanäle als Schlüssel
Schlüssel zum Verständnis dieser „Supernase“ ist ein außergewöhnlicher Ionenkanal. Ionenkanäle bilden kleine Poren in der Zellmembran, quasi winzige Schleusen, durch die geladene Teilchen – Ionen – die Zellmembran überqueren können. Ionenkanäle sorgen dafür, dass Zellen elektrisch erregbar sind. Es gibt ganz verschiedene Kanaltypen: manche öffnen, wenn sich die Membranspannung ändert, und sie lassen nur eine Ionensorte passieren, beispielsweise Natrium-, Kalium- oder Calciumionen.
Eine hochspezialisierte Kanalfamilie, die vor allem beim Sehen und Riechen eine bedeutende Rolle spielt, sind die sogenannten zyklisch Nukleotid-gesteuerten Kanäle (CNG-Kanäle). Sie werden durch kleine Botenstoffe cAMP oder cGMP (zyklische Nukleotide) aktiviert. CNG-Kanäle sind nicht sehr wählerisch; einmal aktiviert, lassen sie sowohl Natrium-, Kalium- als auch Calciumionen ein- oder ausströmen.
Ungewöhnliche Mischform
„Der Ionenkanal, den wir in Seeigel-Spermien entdeckt haben, ist völlig anders“, berichtet Wolfgang Bönigk, Biologe in Kaupps Team. „Er hat von jedem etwas und lässt sich keiner bisher bekannten Kanalfamilie zuordnen. Er ist wie ein typischer Calcium- oder Natriumkanal aufgebaut, lässt aber nur Kaliumionen passieren. Wie andere CNG-Kanäle besitzt er vier Bindestellen für zyklische Nukleotide.“
Mit dem Andocken des Lockstoffmoleküls an seinen Rezeptor auf der Oberfläche des Spermiums nimmt die chemotaktische Reaktionskette ihren Lauf. Der Rezeptor erkennt nicht nur den Lockstoff, sondern synthetisiert im Spermium auch den Botenstoff cGMP. Der Botenstoff bindet sofort an den Ionenkanal und öffnet ihn. Dadurch wird das Spermium elektrisch erregt. Nach weiteren zellulären Reaktionen, bei denen Calciumionen eine entscheidende Rolle spielen, ändert sich das Schlagmuster des Schwanzes und somit die Schwimmrichtung.
Tausendfach empfindlicher
Das besondere an dem Spermien-Kanal ist seine extrem hohe Empfindlicheit für cGMP: Er reagiert bereits auf nanomolare Konzentrationen – und ist damit fast 1.000 Mal empfindlicher als die klassischen CNG-Kanäle in Seh- und Riechzellen. Die enorme Empfindlichkeit ist aber auch nötig: Die Forscher konnten zeigen, dass nach der Bindung eines einzigen Lockstoffmoleküls nur ca. 50 cGMP-Moleküle synthetisiert werden – die cGMP-Konzentration steigt also nur sehr wenig an.
Die Wissenschaftler bei caesar weisen darauf hin, dass vor allem Nervenzellen und Sinneszellen, die Pheromone detektieren, mit hochempfindlichen Rezeptoren ausgestattet sind. Deshalb glauben sie, dass einzelne Moleküle diese Zellen ebenfalls elektrisch erregen können. Sie hoffen, dass ihre Arbeit an den Seeigelspermien die Forschung auf dem Gebiet der Chemosensorik stimuliert und zur Aufklärung der „supraempfindlichen“ Signalwandlung in anderen Zellen beiträgt.
(Stiftung caesar, 02.11.2009 – NPO)
