Forschungsbericht 2015 - Assoziierte Einrichtung - Forschungszentrum caesar (center of advanced european studies and research)

Der Unfruchtbarkeit auf der Spur

Autoren

Wachten, Dagmar

Abteilungen

Minerva-Forschungsgruppe Molekulare Physiologie
Assoziierte Einrichtung - Forschungszentrum caesar (center of advanced european studies and research), Bonn

Zusammenfassung
Unfruchtbarkeit beim Mann kann zahlreiche Gründe haben. In etwa der Hälfte der Fälle ist die Ursache männlicher Unfruchtbarkeit unbekannt. Vor kurzer Zeit ist es gelungen, ein neues Protein namens CRIS zu identifizieren, das an der Spermienentwicklung beteiligt ist. Männliche Mäuse, die dieses Protein nicht bilden, sind unfruchtbar oder aber ihre Spermien zeigen ein verändertes Schwimmverhalten, das die Befruchtung erschwert.

Kinderkriegen – die einfachste Sache der Welt?

Nicht für alle Paare! In Deutschland bleibt der Kinderwunsch für mehr als 10% aller Paare unerfüllt. Lange dachte man, dass Kinderlosigkeit vor allem auf eine Unfruchtbarkeit der Frau zurückzuführen ist. Heute weiß man, dass in ca. 40% der Fälle die Ursache allein beim Mann liegt. Unfruchtbarkeit beim Mann kann zahlreiche Gründe haben. Körperliche Ursachen können entweder angeboren sein oder werden im Laufe des Lebens durch Erkrankungen, Operationen oder andere Faktoren erworben. Auch Alkohol, Nikotin, Drogen oder Umweltgifte wirken sich negativ auf die Fruchtbarkeit aus. Bei ungefähr der Hälfte der Fälle sind die Ursachen jedoch unbekannt. Bei dieser sogenannten idiopathischen Infertilität ist oft die Entwicklung der Spermien gestört. Um den bislang ungeklärten Ursachen für männliche Unfruchtbarkeit auf die Spur zu  kommen, muss man die Proteine, die an der Spermienentwicklung beteiligt sind, kennen und ihre Funktion verstehen. Vor kurzer Zeit ist es gelungen, eines dieser Proteine zu  identifizieren: Es handelt sich um CRIS (cyclic nucleotide receptor involved in sperm function), ein bislang unbekanntes Mitglied aus der Familie der zyklisch Nukleotid-bindenden Proteine [1].

Wie wurde das neue Protein entdeckt?

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Abb. 1: Familie der zyklisch Nukleotid-bindenden Proteine. CRIS stellt eine neue Gruppe  innerhalb dieser Familie dar. CNG: cyclic nucleotid-gated; HCN: hyperpolarization activated and cyclic nucleotide-gated; EAG: ether-à-gogo; CAP: catabolite activating protein; EPAC: exchange protein activated by cAMP.
Abb. 1: Familie der zyklisch Nukleotid-bindenden Proteine. CRIS stellt eine neue Gruppe  innerhalb dieser Familie dar. CNG: cyclic nucleotid-gated; HCN: hyperpolarization activated and cyclic nucleotide-gated; EAG: ether-à-gogo; CAP: catabolite activating protein; EPAC: exchange protein activated by cAMP.

Die ehrliche Antwort auf diese Frage lautet: eher zufällig – wie bei so vielen Entdeckungen in der Wissenschaft! Sogenannte zyklische Nukleotide sind  intrazelluläre Signalstoffe, die viele zelluläre Funktionen steuern. Bislang können nicht alle zyklisch Nukleotid-abhängigen Abläufe in der Zelle durch die bekannten Zielproteine für zyklische Nukleotide erklärt werden.  Es stellt sich somit die Frage: Gibt es noch weitere Zielproteine für zyklische Nukleotide? Um diese Frage zu beantworten, suchten die Wissenschaftler in Datenbanken nach neuen Proteinen mit unbekannter Funktion. Interessant waren dabei solche Proteine, deren Aminosäuresequenz ähnlich ist wie die Sequenz von bereits bekannten zyklisch Nukleotid-bindenden Proteinen. Dabei stießen die caesar-Forscher auf CRIS, das eine bekannte Bindestelle für zyklische Nukleotide besitzt. Der Rest des Proteins weist jedoch weder eine Ähnlichkeit zu bekannten zyklisch Nukleotid-bindenden Proteinen noch zu anderen Proteinen auf. CRIS bildet daher eine völlig neue Gruppe in dieser Proteinfamilie (Abb. 1).
 

Was passiert, wenn CRIS fehlt?

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Abb. 2: Flagellenschlag von normalen Spermien (WT) und CRIS Knock-out-Spermien.
Abb. 2: Flagellenschlag von normalen Spermien (WT) und CRIS Knock-out-Spermien.

Um die physiologische Funktion von CRIS zu analysieren, wurden Knock-out-Mäuse gezüchtet, in denen das Cris-Gen ausgeschaltet war. CRIS wird bei diesen Mäusen nicht mehr gebildet. Diese Mäuse zeigen nur eine Auffälligkeit: Bei Knock-out-Männchen ist die Fruchtbarkeit stark beeinträchtigt, während Knock-out-Weibchen fruchtbar sind.  Bei den meisten Mäusen können ohne CRIS keine Spermien gebildet werden – die Männchen sind unfruchtbar. Einem Teil der Mäuse gelingt es zwar, Spermien herzustellen; diese zeigen aber ein völlig verändertes Schwimmverhalten: Der Spermienschwanz, das Flagellum, schlägt hauptsächlich in eine Richtung und nicht – wie bei Spermien von normalen Mäusen – symmetrisch in beide Richtungen (Abb. 2).

Warum schlägt das Flagellum von CRIS Knock-out-Spermien anders?

Die Spermien von CRIS Knock-out-Mäusen können durch den veränderten Flagellenschlag nicht mehr geradeaus schwimmen – sie bewegen sich nur noch auf kreisförmigen Bahnen. Ein zielgerichtetes Schwimmen hin zur Eizelle ist gestört, was die Fertilität dieser Mäuse stark beeinträchtigt. Die Forscher haben versucht herauszufinden, warum das Flagellum von CRIS Knock-out-Spermien anders schlägt. Zunächst haben sie vermutet, dass die Struktur des Motors gestört ist, der für die Ausbildung des Schlagmusters sorgt. Diese Hypothese wurde in Zusammenarbeit mit der Elektronenmikroskopie von caesar (Leitung Stephan Irsen) widerlegt: Es zeigte sich, dass die Ultrastruktur des Flagellums unverändert ist (Abb. 3).

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Abb. 3:Ultrastruktur des Spermienflagellums. a. Schematische Übersicht eines Querschnitts durch ein Spermienflagellum. Die Motorproteine – die  Mikrotubuli – sind in Doublets angeordnet und über Nexin-Brücken miteinander verbunden. Die Bewegung wird durch die Aktivität der Dynein-Arme vermittelt. b. Elektronenmikroskopische Aufnahmen von normalen (WT) und CRIS Knock-out-Spermien (KO). Links: Querschnitt durch den mittleren Teil des Spermienflagellums; rechts: Querschnitt durch den unteren Teil des Spermienflagellums. Die Ultrastruktur ist unverändert.

Abb. 3:Ultrastruktur des Spermienflagellums. a. Schematische Übersicht eines Querschnitts durch ein Spermienflagellum. Die Motorproteine – die  Mikrotubuli – sind in Doublets angeordnet und über Nexin-Brücken miteinander verbunden. Die Bewegung wird durch die Aktivität der Dynein-Arme vermittelt. b. Elektronenmikroskopische Aufnahmen von normalen (WT) und CRIS Knock-out-Spermien (KO). Links: Querschnitt durch den mittleren Teil des Spermienflagellums; rechts: Querschnitt durch den unteren Teil des Spermienflagellums. Die Ultrastruktur ist unverändert.

Was könnte dann die Ursache sein?

Um diese Frage zu beantworten, suchten die Forscher nach möglichen Interaktionspartnern von CRIS. Ihre Vermutung war, dass CRIS durch direkte Interaktion die Funktion anderer Proteine beeinflusst. Die Versuche zeigten, dass vor allem solche Proteine mit CRIS interagieren, die Transportprozesse im Flagellum steuern. Vermutlich ist in Spermien von CRIS Knock-out-Mäusen der Transport von Proteinen in das Flagellum gestört. Daher gelangen bestimmte Proteine nicht an ihren Bestimmungsort; die Regulation des Flagellenschlags ist beeinträchtigt. In Zukunft werden die Forscher versuchen, diese Hypothese in weiterführenden Experimenten mithilfe von hochauflösender Mikroskopie zu beantworten.

Und wie sieht es beim Menschen aus?

Um die Funktion von CRIS beim Menschen näher zu untersuchen, wäre es hilfreich, Patienten zu identifizieren, bei denen die Fruchbarkeit aufgrund eines veränderten Schwimmmusters der Spermien – ähnlich wie bei den CRIS Knock-out-Spermien – eingeschränkt ist. Bei diesen Patienten müsste man dann gezielt nach Mutationen im CRIS-Gen suchen, um einen Zusammenhang zwischen CRIS und Unfruchtbarkeit auch beim Menschen herzustellen.

Mit CRIS konnte ein wichtiger Regulator der Spermienentwicklung und -funktion identifiziert werden. Die caesar-Wissenschaftler hoffen nun, einer der Ursachen für idiopathische Infertilität bei Männern auf die Spur zu kommen.

Literaturhinweise

1.
Krähling, M.; Alvarez, L.; Debowski, K.; Van, Q.; Gunkel, M.; Irsen, S.; Al-Amoudi, A.; Strünker, T.; Kremmer, E.; Krause, E.; Voigt, I.; Wörtge, S.; Waisman, A.; Weyand, I.; Seifert, R.; Kaupp, U. B; Wachten, D.
CRIS- a novel cAMP-binding protein controlling spermiogenesis and the development of flagellar bending
PLoS Genetics (2013) DOI: 10.1371/journal.pgen.1003960
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