Sensibler geht's nicht: Wissenschaftler bei caesar entdecken außergewöhnlichen Ionenkanal in Spermien
Für eine erfolgreiche Befruchtung müssen sich Eizelle und Spermium treffen. Das geschieht nicht zufällig: vielmehr lockt die Eizelle die Spermien aktiv an mit Hilfe von Lockstoffen. Die 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. Die Arbeitsgruppe von Professor Kaupp am Center of Advanced European Studies and Research (caesar) in Bonn entdeckte bereits 2003, dass Spermien des Seeigels Arbacia punctulata an der physikalischen Grenze der Empfindlichkeit arbeiten: sie können ein einzelnes Lockstoffmolekül detektieren und darauf reagieren.
In der aktuellen Ausgabe von Science Signalling berichtet das caesar-Team um Benjamin Kaupp wie Spermien so empfindlich auf einen chemischen Reiz antworten können.
Schlüssel zum Verständnis 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.
"Der Ionenkanal, den wir in Seeigel-Spermien entdeckt haben, ist völlig anders!", erzählt Dr. 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.
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.
Originalveröffentlichung: W. Bönigk et al.; "An Atypical CNG Channel Activated by a Single cGMP Molecule Controls Sperm Chemotaxis"; Sci. Signal. 2, ra68 (2009)
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