Forschungsbericht 2013 - Assoziierte Einrichtung - Forschungszentrum caesar (center of advanced european studies and research)

Spermien können keine Düfte riechen - Das Ende des „Maiglöckchen-Phänomens“ in der Spermienforschung?

Autoren
Brenker, Christoph; Müller, Astrid; Hartmann, Stefan; Strünker, Timo
Abteilungen
Abteilung Molekulare Neurosensorik
Zusammenfassung
Vor etwa 10 Jahren wurde das „Maiglöckchen-Phänomen“ geboren: Spermien orientieren sich im Eileiter als schwimmende Riechzellen anhand einer Duftfährte, ausgelegt von der Eizelle. Wissenschaftler des Bonner Forschungszentrums caesar konnten nun zeigen, dass Spermien nicht wie Riechzellen funktionieren, was bezweifeln lässt, dass Duftstoffe die Befruchtung koordinieren.

Einer Studie deutscher und amerikanischer Wissenschaftler aus dem Jahr 2003 zufolge greift der künstliche Duftstoff Bourgeonal in den Kalzium-Haushalt menschlicher Spermien ein und lockt sie an. Der Bourgeonal-Duft erinnert an den Geruch von Maiglöckchen. Das „Maiglöckchen-Phänomen“ war geboren: Im Eileiter folgen Spermien wie schwimmende Riechzellen einer „Duftspur“, ausgelegt von der Eizelle. Allerdings blieben Zweifel an diesem Modell für die menschliche Befruchtung, da weder Bourgeonal noch andere Duftstoffe im weiblichen Geschlechtsorgan identifiziert werden konnten. Wissenschaftler des Bonner Forschungszentrums caesar konnten nun zeigen, dass Spermien zudem nicht wie Riechzellen funktionieren, sondern ihren ganz eigenen Signalmechanismus entwickelt haben, um weibliche Reize zu registrieren: Ein außergewöhnlicher Ionenkanal im Spermienschwanz – CatSper (cation channel of sperm) – dient als sensibler und flexibler Detektor für chemische Wegweiser der Eizelle, wie beispielsweise das Sexualhormon Progesteron. Unter Laborbedingungen imitiert der künstliche Duftstoff Bourgeonal lediglich die Progesteron-Wirkung auf die CatSper-Kanäle. Spermien und Spermienforscher haben sich von diesem Laborphänomen jahrelang auf die falsche Fährte locken lassen.

Die chemische Kommunikation zwischen Eizelle und Spermium

Spermien haben einen weiten Weg vor sich, um die Eizelle zu finden; nur wenige der Millionen von Spermien erreichen ihr Ziel. Die Eizelle unterstützt die Spermien bei ihrer Suche, indem sie „chemische Wegweiser“, sogenannte Lockstoffe aussendet. Dieses raffinierte System wurde schon vor ungefähr 100 Jahren bei Seeigeln entdeckt; man fand dabei heraus, dass Lockstoffe die Schwimmbewegungen der Spermien steuern, indem sie deren Kalzium-Haushalt verändern. Das Navigieren der Spermien in einem Lockstoffgradienten bezeichnet man als Chemotaxis. Während man bei Seeigeln bereits viel über den Wirkungsmechanismus des Lockstoffs weiß, stehen die Spermien-Forscher, was die menschliche Befruchtung angeht, noch am Anfang. Denn anders als bei Seeigeln, die Spermien und Eizellen ins Seewasser abgeben, lassen sich die Bedingungen im engen Eileiter der Frau nur schwer experimentell nachstellen.

Beim Menschen lockt wahrscheinlich das weibliche Sexualhormon Progesteron, das von Kumuluszellen in der Nähe der Eizelle gebildet wird, die Spermien an. Progesteron führt zu einem Anstieg der Kalzium-Konzentration und ändert damit das Schwimmverhalten der Spermien. Im Jahr 2011 konnten die Wissenschaftler vom Forschungszentrum caesar zeigen, dass Progesteron die CatSper-Kanäle im Spermienschwanz öffnet (Abb. 1 a). CatSper-Kanäle sind unersetzlich für die Befruchtung; sie kontrollieren den Kalzium-Haushalt und darüber das Schwimmverhalten der Spermien.

Auch der künstliche Maiglöckchenduft Bourgeonal löst in Spermien Kalzium-Antworten aus. Bisher wurde vermutet, dass Bourgeonal an einen spezifischen Duftstoffrezeptor bindet und einen ähnlichen Signalweg einleitet wie in Riechzellen. Diesem Riech-Signalweg zufolge muss die Stimulation der Spermien mit Bourgeonal zunächst zu einem Anstieg des intrazellulären Botenstoffs cAMP führen, der durch das Enzym Adenylatzyklase synthetisiert wird (Abb. 1 b).

Abb. 1: Zwei konkurrierende Modelle der Signalverarbeitung in Spermien. a. „Direkte Aktivierung“: Progesteron aktiviert die CatSper-Kanäle direkt und führt so in menschlichen Spermien zu einem Kalzium-Einstrom. b. „Olfaktorischer Riech-Signalweg“: Bourgeonal bindet an einen Duftstoffrezeptor, der eine Signalkaskade in Gang setzt: Durch das Enzym Adenylatzyklase (AC) steigt die cAMP-Konzentration in den Spermien an, wodurch ein bisher nicht identifizierter Kalzium-Kanal (Ca2+-Kanal) aktiviert wird.

Spermien funktionieren nicht wie Riechzellen

Die Untersuchungen der caesar-Wissenschaftler zeigen jedoch, dass Bourgeonal die cAMP-Konzentration in Spermien nicht ändert. Durch weiterführende Experimente fanden sie heraus, dass Spermien gar keine funktionierende Adenylatzyklase in ihrer Membran besitzen. Spermien fehlt also ein wesentlicher Baustein des Signalwegs in Riechzellen. Wenn es diesen Signalweg in Spermien nicht gibt, welche Rolle spielt dann der Duftstoffrezeptor, der angeblich die Bourgeonal-Wirkung vermittelt? Um diese Frage zu beantworten, haben die Spermien-Forscher eine pharmakologische Eigenschaft des olfaktorischen Bourgeonal-Rezeptors ausgenutzt: Neben Bourgeonal, das den Rezeptor aktiviert, gibt es einen anderen Duftstoff, Undecanal, der den Rezeptor inhibiert. Undecanal schiebt der Wirkung von Bourgeonal sozusagen einen Riegel vor. In der Nase funktioniert das hervorragend: Liegt der Duft von Undecanal in der Luft, kann man Maiglöckchen nicht mehr riechen. Wäre der Bourgeonal-Rezeptor nicht nur in der Nase, sondern auch in Spermien aktiv, müsste man auch hier die inhibierende Wirkung von Undecanal beobachten – Undecanal sollte die Kalzium-Antworten der Spermien unterdrücken. Überraschenderweise wurden die Kalzium-Antworten auf Bourgeonal durch Undecanal nicht unterdrückt – im Gegenteil, sie wurden deutlich größer (Abb. 2)! Diese Beobachtung ist nicht mit den Eigenschaften des olfaktorischen Bourgeonal-Rezeptors und einem Riech-Signalweg in Einklang zu bringen.

Abb. 2: Bourgeonal-induzierte Kalzium-Signale in menschlichen Spermien. Die Stimulation der Spermien mit Bourgeonal oder Undecanal führt zu Kalzium-Signalen. Durch gleichzeitige Zugabe beider Substanzen werden die Signale weiter verstärkt. Für das Experiment wurde ein fluoreszierender Kalzium-Indikatorfarbstoff in die Spermien eingeschleust. Der Farbstoff wird in den Spermien zur Fluoreszenz angeregt. Steigt die Kalzium-Konzentration in den Spermien an, nimmt die Fluoreszenzintensität des Indikators zu.

Bourgeonal

Wie wirken die Duftstoffe dann auf Spermien? Um dieses Rätsel zu lösen, wurde die Bourgeonal-Wirkung mit der Patch-Clamp-Technik untersucht: Unter dem Mikroskop wird eine feine Glaspipette vorsichtig auf die Spermien-Membran aufgesetzt. Diese Glaspipette funktioniert – im übertragenen Sinne – wie das Stethoskop eines Arztes. Mithilfe der Pipette lässt sich der Fluss von Kalzium-Ionen durch die Ionenkanäle in der Spermien-Membran verfolgen. Bereits 2011 konnten die Bonner Wissenschaftler mit dieser elektrophysiologischen Technik zeigen, dass Progesteron die CatSper-Kanäle öffnet, wodurch Kalzium-Ionen in das Spermium fließen. Überraschenderweise stellten sie jetzt fest, dass auch Bourgeonal den CatSper-Kanal öffnet (Abb. 3).

Abb. 3: Bourgeonal-induzierte CatSper-Ströme, aufgenommen mit der Patch-Clamp-Technik. a. Eine Glaselektrode wird vorsichtig auf das Spermium aufgesetzt. Anschließend wird die Membran unter der Elektrodenöffnung durch einen kurzen Unterdruck zerstört; so erhält man einen elektrischen Zugang zum Inneren des Spermiums. Mit dieser Technik können die winzigen Ströme – wenige hundert Picoampere (pA) – über Ionenkanäle in der Spermien-Membran gemessen werden. b. CatSper-Ströme in menschlichen Spermien in Abwesenheit (links) und Anwesenheit (rechts) von Bourgeonal. Bourgeonal erhöht die Stromamplituden. Die CatSper-Ströme wurden bei Membranspannungen von -80 mV bis +80 mV aufgenommen.

Bourgeonal öffnet die CatSper-Kanäle direkt – ohne Umwege über einen komplizierten olfaktorischen Signalweg. Der Duft imitiert sozusagen die Progesteron-Wirkung auf Spermien. Allerdings wirkt Bourgeonal erst bei mehr als 1000-fach höheren Konzentrationen als Progesteron. Fazit: Duftstoffe wirken nur bei einer Überdosis. Das „Maiglöckchen-Phänomen“ beruht also auf einem Labor-Artefakt; einen Riech-Signalweg gibt es nicht in Spermien. Interessant ist, dass nicht nur Duftstoffe wie Bourgeonal, sondern auch andere Substanzen die CatSper-Kanäle direkt aktivieren (Abb. 4). Mit Ausnahme der Prostaglandine, die auch von Kumuluszellen rund um die Eizelle abgesondert werden, kann man für alle anderen Substanzen ausschließen, dass sie im weiblichen Genitaltrakt vorkommen.

Abb. 4: CatSper-Kanäle als vielseitige „Chemosensoren“. Menschliche CatSper-Kanäle können durch eine Vielzahl von unterschiedlichen Substanzen aktiviert werden. Die „Promiskuitivität“ dieser Kanäle ermöglicht es den Spermien, auf ihrem Weg zur Eizelle ihre chemische Umgebung wahrzunehmen.

„Promiskuitive“ Ionenkanäle

Warum sind die CatSper-Kanäle so wenig wählerisch und reagieren sogar auf Menthol, wenn die Konzentration nur hoch genug ist? Vermutlich ist diese „promiskuitive“ Eigenschaft (der Spermien wohlgemerkt!) entscheidend für die Fortpflanzung. Spermien müssen sich auf ihrer beschwerlichen Reise zur Eizelle immer wieder anhand  „chemischer Wegweiser“ vergewissern, dass sie noch auf der richtigen Spur sind. Mithilfe der CatSper-Kanäle als vielseitige und empfindliche Chemosensoren können Spermien das chemische Milieu im Eileiter „auslesen“ und so die Eizelle aufspüren. Es gilt nun, diese weiblichen „Reize“ zu identifizieren. Es hat sich jedoch gezeigt, dass man bei der Suche auf der Hut sein muss, um nicht erneut einer falschen Fährte zu folgen.

Literaturhinweise

1.
Brenker, C.; Goodwin, N.; Weyand, I.; Kashikar, N. D.; Naruse, M.; Krähling, M.; Müller, A.; Kaupp, U. B.; Strünker, T.
The CatSper channel: a polymodal chemosensor in human sperm
EMBO Journal 31, 1654-1665 (2012)
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