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Neue Ionenkanalfamilie entdeckt Taktgeber für Fischspermien in Süßwasser

Redakteur: Christian Lüttmann

Bei Spermien geben Ionenkanäle den Takt vor, mit dem sie sich per Flagellenschlag vorwärtsbewegen. Im Süßwasser ist das besonders schwierig, da die Ionenkonzentrationen vergleichsweise niedrig sind, was die typischen Mechanismen eigentlich ins Gegenteil verkehren würde. Nun haben Forscher einen neuen Typ von Ionenkanälen entdeckt, mit dem auch Spermien von Süßwasserfischen sicher zum Ziel kommen.

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Abbildung 1: Zebrafischspermium. Der Zebrafisch (Danio rerio), auch als Zebrabärbling bekannt, ist ein beliebtes Tiermodell in der biomedizinischen Forschung.
Abbildung 1: Zebrafischspermium. Der Zebrafisch (Danio rerio), auch als Zebrabärbling bekannt, ist ein beliebtes Tiermodell in der biomedizinischen Forschung.
(Bild: MNS / caesar)

Bonn – Die Fortpflanzung ist für Wasserorganismen eine große Herausforderung. Spermien und Eier werden ins Wasser abgegeben, wo die Spermien sich auf den Weg zum Ei begeben, um damit zu verschmelzen. Fischspermien sind dabei völlig unterschiedlichen Bedingungen ausgesetzt, je nachdem ob sie im Süß- oder Salzwasser vorkommen. Ob es dennoch möglich ist, dass das Schwimmverhalten der Spermien in beiden Lebensräumen von denselben Mechanismen gesteuert wird, haben Forscher der Stiftung Caesar untersucht.

Keine Fortbewegung ohne Ionenkanäle

Man weiß bereits, dass für den Flagellenschlag, mit dem sich Spermien fortbewegen, zwingend die Aktivität von Ionenkanälen erforderlich ist. In Süßwasser ergibt sich aber ein Problem für die Fische, denn dort sind nur wenige Ionen enthalten. Das würde bei vielen Ionenkanälen die Funktion umkehren. Auch sind einige Ionengradienten in Süßwasser – im Vergleich zu Salzwasser – genau entgegengesetzt ausgerichtet. Die Mechanismen, mit denen sich die Spermien von Salzwasserlebewesen fortbewegen, würden im Süßwasser sehr wahrscheinlich nicht funktionieren.

Wie können Spermien in Süßwasser dennoch erfolgreich navigieren? Dazu untersuchten Lea Wobig und Marie-Thérèse Wolfenstetter von der Stiftung Caesar Spermien des Zebrafisches. Ihre Vermutung: Die Spermien von Süßwasserorganismen verfügen über spezielle Ionenkanäle.

Schrittmacher für den Flagellenschlag

Spermien können, ähnlich wie Nervenzellen, elektrisch erregt werden. Spannungsgesteuerte Ionenkanäle sitzen in der Zellmembran und leiten Ionen in die Zelle ein oder aus ihr heraus. Sie öffnen oder schließen, wenn sich die Spannung über der äußeren Schicht der Zelle, der Membran, ändert. Abbildung 2 (links) zeigt die Grundarchitektur eines spannungsgesteuerten Ionenkanals. Vier Untereinheiten bilden zusammen eine zentrale Porendomäne (PD, magenta), die den Durchgang von Ionen ermöglicht. Die seitlichen Domänen werden als Spannungssensordomänen oder VSDs (für Voltage-Sensing Domain, blau) bezeichnet. Geladene Aminosäuren in dieser Domäne „spüren“ die Membranspannung. Sie reagieren und öffnen oder schließen den Weg für die Ionen durch den Kanal.

Abbildung 2: Schematischer Aufbau eines klassischen spannungsgesteuerten Ionenkanals (l.) und des neuidentifizierten HCN-like 1-Kanals (r.). In der Peripherie befinden sich die Spannungssensordomänen (VSD, blau). Die zentrale Pore (PD, magenta) leitet die Ionen in den klassischen Ionenkanälen, ist aber nichtfunktionell im HCN-like 1-Kanal. HCNlike 1 leitet stattdessen Protonen über die VSD.
Abbildung 2: Schematischer Aufbau eines klassischen spannungsgesteuerten Ionenkanals (l.) und des neuidentifizierten HCN-like 1-Kanals (r.). In der Peripherie befinden sich die Spannungssensordomänen (VSD, blau). Die zentrale Pore (PD, magenta) leitet die Ionen in den klassischen Ionenkanälen, ist aber nichtfunktionell im HCN-like 1-Kanal. HCNlike 1 leitet stattdessen Protonen über die VSD.
(Bild: MNS / caesar)

Bei der Untersuchung von Zebrafischspermien entdeckten die Wissenschaftlerinnen eine neuartige Klasse spannungsgesteuerter Ionenkanäle, die sie als HCN-like-Kanäle bezeichnen. Diese Kanäle werden aktiviert, wenn die Membranspannung negativer wird. Das ermöglicht den Zellen, normalerweise in Verbindung mit anderen Kanälen, rhythmische Aktivität zu erzeugen. Daher werden sie auch als Schrittmacherkanäle bezeichnet. Sie sind den Schrittmacherkanälen im Körper des Menschen sehr ähnlich, wie sie beispielsweise im Sinusknoten des Herzens vorkommen. Schrittmacherkanäle steuern auch den rhythmischen Flagellenschlag von Seeigelspermien.

Ionenkanäle mit besonderen Eigenschaften

Ein genauerer Blick auf Zebrafischspermien enthüllte eine Reihe auffälliger Merkmale, welche die neu entdeckten HCN-like-1-Kanäle besonders machen. So leitet die „klassische“ Pore des Kanals, die PD, gar keine Ionen. Diese passieren den Kanal stattdessen über die Spannungssensordomäne (Abbildung 2, rechts). Die Forscher identifizierten innerhalb eines in der Zellmembran liegenden Segments der VSD eine Schlüsselaminosäure, Methionin. Sie hilft dabei, Ionen über die Membran zu bringen.

Weiterhin wird der Strom ausschließlich von Protonen und nicht von anderen Ionen getragen. Protonen sind nur in winzigen Mengen in wässrigen Lösungen vorhanden. Daher sind protonenselektive Kanäle darauf spezialisiert, Protonen gegenüber anderen Ionen auszuwählen, die häufig zehn- bis hunderttausendfach häufiger vorkommen. Der neu entdeckte HCN-like-1-Kanal ist keine Ausnahme: Er bevorzugt Protonen gegenüber anderen Ionen um das Dreimillionenfache.

Neue Wege für Ionen

Die Beschränkungen üblicher HCN-Kanäle, welche in Süßwasser aufgrund der geringen Ionenzahl nicht funktionieren würden, werden durch die HCN-like-1-Kanäle geschickt ausgehebelt. Den falsch gerichteten Ionengradient in Süßwasser umgeht der Kanal, indem die hierfür übliche Pore geschlossen wird. Stattdessen wird ein Ionenweg für Protonen geschaffen, die dann die Funktion der anderen Ionen übernehmen.

Die Forscher vermuten, dass der HCN-like-1-Kanal einem anderen Ionenkanal entgegenwirkt, der zuvor in Zebrafischspermien identifiziert wurde [2]. So verhindert der Kanal, dass die Membranspannung zu negativ wird, wenn Spermien in Süßwasser freigesetzt werden. Damit hat HCN-like-1 die Funktion des verwandten „Schrittmacherkanals“ in Seeigelspermien bewahrt. Bisher findet sich die HCN-like-Unterfamilie in einer Reihe von Fischarten. Es gibt Hinweise, dass ein weiteres Mitglied der neu entdeckten Kanalfamilie in Haarzellen des Hörsystems und im Seitenliniensystem vorhanden sein kann [3]. Diese Sorte der Ionenkanäle könnte eine weitreichende Bedeutung für Süßwasserfische haben.

Literatur:

[1] Wobig et al.: A family of hyperpolarization-activated channels selective for protons, Prog. Natl. Acad. Sci U.S.A. 2020; DOI: 10.1073/pnas.2001214117 (Originalpublikation)

[2] Fechner et al.: A K+-selective CNG channel orchestrates Ca2+ signalling in zebrafish sperm, elife 2015, 4; DOI: 10.7554/eLife.07624

[3] Erickson et al.: Identification of sensory hair-cell transcripts by thiouracil-tagging in zebrafish, BMC Genomics 2015, 16, 842; DOI: 10.1186/s12864-015-2072-5

(ID:46633736)