Molekulare Grundlagen der Fortpflanzungsfähigkeit Was Spermien den Schwung gibt

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Spermien sind sie leistungsstarke Schwimmer – zumindest nach Abschluss ihres Reifeprozesses. Welche Rolle spezielle Membranproteine für ihre Mobilität spielen, haben Forscher bei Seeigel-Spermien als Modell untersucht. Die Erkenntnisse könnten perspektivisch zu neuen Verhütungsmethoden führen.

Die Zellen unseres Körpers sind größtenteils eher gemütlich unterwegs und lassen sich mit dem Strom von Körperflüssigkeiten treiben oder bleiben sogar ihr ganzes Leben an einem Ort. Eine herausstechende Ausnahme sind Spermienzellen. Sie unterscheiden sich in Aufbau und Funktion grundlegend von allen anderen Zelltypen. Letztlich besteht ihre einzige Aufgabe darin, die Eizelle aufzufinden und mit ihr zu verschmelzen.

Ihre volle Aktivität erlangen Spermien bei der Reifung der Samenzellen, der so genannten Kapazitation. In einem der letzten Schritte dieses biochemischen Prozesses muss die Beweglichkeit der Spermien erhöht werden. Sind sie nicht oder lediglich in eingeschränktem Maße in der Lage, sich eigenständig zu bewegen, folgt daraus in der Regel eine verringerte Fruchtbarkeit oder vollständige Unfruchtbarkeit. Die Samenzellen können dann die Eizelle nicht erreichen und befruchten.

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Seeigel-Spermien als Modellsystem

Innerhalb des finalen Reifungsprozesses spielen spezielle Proteine in der Hülle des Spermiums eine wichtige Rolle. Es handelt sich dabei um Membrantransporter. Sie sind dafür verantwortlich, zum Beispiel Nährstoffe in die Zelle hinein oder aus der Zelle heraus zu transportieren. „Bei Spermien hat der Transport von bestimmten Ionen in die Zelle hinein eine Erhöhung der Eigenbeweglichkeit zur Folge“, sagt Prof. Dr. Cristina Paulino vom Biochemiezentrum der Universität Heidelberg (BZH). „Daher sind die für den Transport verantwortlichen Proteine direkt verbunden mit der Fertilität eines Spermiums und damit mit der Fruchtbarkeit eines männlichen Lebewesens“, betont die Expertin. Ihre Forschungsgruppe beschäftigt sich am BZH mit Membrantransportern von Seeigeln als Modellsystem für die Forschung an Spermien.

Mithilfe der Kryo-Elektronenmikroskopie haben die Wissenschaftler nun den Aufbau eines wichtigen Membrantransporters für Spermien auf molekularer Ebene entschlüsselt. Sie fanden unter anderem heraus, wie dessen funktionelle Einheiten aussehen, wie diese zusammenhängen und wie sie miteinander interagieren. „Wir haben beobachtet, dass das entscheidende Protein wie ein Legospielzeug aus verschiedenen Baueinheiten aufgebaut ist“, sagt Dr. Valeria Kalienkova von der norwegischen Universität Bergen, die an der Studie mitgearbeitet hat. „Diese Bauteile sind im Grunde von anderen Proteinen bekannt, wurden allerdings noch nie zusammenhängend beobachtet. Mithilfe dieser Informationen konnten wir zum ersten Mal den Mechanismus dieses Transporters entschlüsseln.“

Mit neuen Erkenntnissen die Fruchtbarkeit beeinflussen

Nach den Worten von Dr. Martin Peter, Mitglied im Team von Gruppenleiterin Paulino, sind diese neuen Erkenntnisse hilfreich, um in einem nächsten Schritt potenzielle Substanzen zu entwickeln, die diesen Mechanismus beeinflussen. Damit ließen sich die Funktionen der Proteine möglicherweise aktivieren oder auch deaktivieren. Inwieweit sich diese Erkenntnisse auch auf den Mechanismus von humanen Spermien übertragen lassen, bedarf weiterer Forschung. Auf lange Sicht bergen sie das Potenzial für neue Wege bei der Behandlung von Unfruchtbarkeit oder umgekehrt bei der absichtlichen Verhinderung einer Befruchtung der Eizelle durch Spermien im Rahmen der Verhütung.

Originalpublikation: V. Kalienkova, M. F. Peter, J. Rheinberger, C. Paulino: Structures of a sperm-specific solute carrier gated by voltage and cAMP. Nature (25. Oktober 2023); DOI: 10.1038/s41586-023-06629-w

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