Ausgeduftet

Das „Maiglöckchen-Phänomen“ – Ein wissenschaftlicher Disput

(11. September 2012) Spermien finden die Eizelle, keine Frage, aber es ist nicht die Spur aus Maiglöckchenduft, der sie dabei folgen. Riechen können sie nämlich nicht. Wie also nehmen Spermien chemische Signale wahr? 

Frisch gemähtes Gras riecht nach Frühling, Harz von Kiefern nach Strand und Sonne, ein Parfüm erinnert an die Liebste, und U-Bahnen riechen alle gleich. Düfte wecken Erinnerungen, Emotionen, beeinflussen unsere Stimmung. Riechen steuert unser Leben mehr, als wir uns bewusst sind.

Künstliches Phänomen

Bestimmte Duftstoffe sollen sogar Spermien den Weg zur befruchtungsfähigen Eizelle weisen. 2003 veröffentlichte der Riechrezeptor-Experte Hanns Hatt mit seinen Kollegen, dass Spermien einen Riechrezeptor namens hOR17-4 exprimieren (Science 2003, 299:2054-8). Der Rezeptor erkennt Moleküle von ähnlicher Struktur wie Cyclamal, einem Duftstoff aus dem Alpenveilchen, und veranlasst die Spermien, dorthin zu schwimmen, wo der Duftstoff am stärksten konzentriert ist. Am heftigsten reagieren sie auf ein dem Cyclamal ähnliches, aber synthetisches Molekül namens Bourgeonal, das entfernt an den Duft von Maiglöckchen erinnert, aber in der Pflanze nicht vorkommt. Dennoch war mit dieser Assoziation die Geschichte „Maiglöckchen-Phänomen“ geboren, die seither durch die Medien geistert.

Aber damit soll jetzt Schluss sein. „Das Ende des „Maiglöckchen-Phänomens – Spermien können keine Düfte riechen“, das sei ein „Laborartefakt“, verkündeten im Februar die Presseabteilungen der Max-Planck-Gesellschaft und des Bonner Forschungszentrums caesar (Center of Advanced European Studies and Research).

Wie schade. Maiglöckchenduft-Phänomen, das klingt doch so wunderbar nach romantischem Sex. Hat Hanns Hatt wirklich Unsinn gemessen? Neugier kommt auf. Die Laborjournal-Reporterin liest die betreffenden Publikationen, spricht mit den Autoren und kommt zu dem Schluss: Man soll nicht (immer) glauben, was in der Zeitung und in Pressemitteilungen steht. Die Sache ist nämlich viel komplizierter – wie so oft in der Wissenschaft.

Cherchez la – äh – Oocyte

Vor exakt 100 Jahren berichtete der amerikanische Zoologe Frank Rattray Lillie erstmals von einer Substanz, die dafür sorgt, dass die Spermien der Seeigelart Arbacia punctulata im großen weiten Ozean- tatsächlich „ihre“ Eizellen finden und befruchten können (Science 1912, 36(929):527-30). Lillie nannte diesen Vorgang damals „Agglutination“.

Wir sprechen heute von Chemotaxis. Ohne sie wäre eine Befruchtung außerhalb des Körpers nicht möglich. Wie das funktioniert, untersuchten der Bonner Forscher und jetzige Leiter von caesar, Benjamin Kaupp, und seine Mitarbeiter viele Jahre lang. Sie fanden heraus, dass die Eier des Seeigels Lockstoffe abgeben, die dessen Spermatozoen über einen Rezeptor erkennen. Daraufhin beginnt eine über den Second Messenger cGMP laufende Signalkette, an deren Ende über entsprechende Kanäle erst Kalium aus- und dann Calcium einströmt. Daraufhin beginnen die Spermien, heftig mit ihren Flagellen zu schlagen und in Richtung Seeigelei zu schwimmen.

Reagieren auch menschliche Spermien chemotaktisch?

Warum sollten sie? Schließlich findet die Befruchtung für gewöhnlich im Körper statt, die Chance, dass Spermien und Eier sich finden, ist also mithin ziemlich hoch. Lange Zeit dachte man, die Spermien würden im weiblichen Genitaltrakt einfach nur um die Wette schwimmen. Falsch! Nur etwa fünf bis zehn Prozent der Spermatozoen werden überhaupt so aktiv, dass sie ihr Ziel, den Eileiter, erreichen.

Was diese Aktivierung – die sogenannte Kapazitierung – auslöst, ist bis heute nicht klar. Es gibt aber spannende Beobachtungen. So weiß man beispielsweise schon lange, dass menschliche Spermien auf eine Vielzahl von Stoffen mit einer Calcium-Antwort und einer Veränderung des Bewegungsmusters reagieren, darunter eben verschiedene Duftstoffe wie Bourgeonal und Cyclamal, aber auch Progesteron. Dieses Steroidhormon wird von Zellen der Eihülle abgegeben.

Die molekularen Vorgänge liegen aber bis heute im Dunkeln. Was auch daran liegt, dass es lange Zeit an geeigneten Untersuchungsmethoden mangelte. So konnte man beispielsweise nicht einmal den Ionenfluss an den winzigen Spermien mit Patch Clamp messen.

Nichtsdestotrotz formulierte man anhand der vorhandenen Daten fleißig Hypothesen.

Verstopfter Geruchssensor?

Die Bochumer Forscher postulierten, dass die Duftstoffrezeptoren – analog zu den Vorgängen an anderen G-Protein gekoppelten Rezeptoren – eine membrangebundene Adenylat-Cyclase aktivieren und cAMP über weitere Signale schließlich zum Calcium-Einstrom führt. Die Hypothese stützten die Wissenschaftler auf den Befund, dass die Spermien nicht mehr auf Bourgeonal reagieren, wenn man mit pharmakologischen Inhibitoren die Cyclasen lahm legte.

Kaupp indes glaubte nicht an dieses Modell. Warum nicht? „Man kennt derzeit neun Varianten von membrangebundenen Adenylatcyclasen. Mit Forskolin, einer seit über 30 Jahren bekannten pharmakologischen Substanz, lassen sich alle zuverlässig stimulieren. Aber nicht in Spermien.“ Haben die vielleicht gar keine membrangebundenen Adenylatcyclasen? Und wenn keine solchen Enzyme aktiv sind, wie soll dann eine olfaktorische Signalkaskade „G-Protein gekoppelter Rezeptor – cAMP – Ca²⁺-Einstrom“ möglich sein?

Rätselhaft.

Timo Strünker, einer von Kaupps Gruppenleitern, machte sich mit seinen Mitarbeitern auf die Suche nach Alternativen. Mit dem Calcium-Indikator Fluo-4 zeigten die Forscher zunächst, dass Progesteron tatsächlich Ca²⁺ in die Spermien einströmen lässt. Beim Gebrauch des Wortes „strömen“ muss man allerdings vorsichtig sein. „Die Spermienschwänze sind so winzig, dass schon ein einzelnes Calcium-Ion die intrazelluläre Konzentration um ein Mikromol verändert“, erklärt Kaupp. Die Calcium-Antwort kam immer innerhalb weniger Millisekunden – so schnell, dass sich die Forscher nicht vorstellen konnten, dass die Signalübertragung über mehrere Moleküle und Reaktionen abliefe.

Fruchtbarkeitskanäle

Und tatsächlich gelang es den Bonnern auch nicht, einen Anstieg des in-trazellulären cAMPs messen. Sie konnten aber feststellen, wie das Calcium in die Spermien gelangt: nämlich durch den von David Clapham und Mitarbeiter von der Harvard Medical School entdeckten, Spermien-spezifischen CatSper-Ca²⁺-Kanal (Nature 2001, 413:603-9). CatSper war ein guter Kandidat, denn mit Hilfe von Mutationen hatte man zeigen können, dass dieser Kanal für die männliche Fertilität bei Mäusen und Menschen essenziell ist. Dieser Kanal ist nicht nur durch Progesteron, sondern auch durch einen Anstieg des intrazellulären pH-Werts aktivierbar. Mit Inhibitoren, die spezifisch Ca²⁺-Kanäle blockieren (NNC 55-03967 und Mibefradil), konnten die Wissenschaftler aber diese Reaktion unterdrücken.

Bestätigen ließen sich die auf biochemischem Wege gewonnenen Erkenntnisse mit elektrophysiologischen Methoden. Das war möglich, weil es die Mitarbeiter der Gruppe von Yuriy Kirichok, University of California in San Francisco, kurz zuvor geschafft hatten, mit „whole cell patch clamp“ Ionenströme über die Plasmamembran der nur wenige Mikrometer dünnen Spermienschwänze von Mäusen zu messen. Die Bonner fuhren also in die USA, um die Technologie zu erlernen. Gemeinsam mit der Kirichok-Gruppe zeigten sie schließlich, dass Progesteron tatsächlich den CatSper-Kanal öffnet – entweder indem es direkt daran bindet oder über einen molekularen Vermittler (Nature 2011, 471:382-6; Nature 2011, 471:387-92).

„Erst diese Evolution der Methodik hat es uns also ermöglicht, Modelle zu überprüfen und offene Fragen zu beantworten“, berichtet Strünker.

Rätselhafte Signale

Anschließend untersuchten die caesar--Forscher, ob die von Hanns Hatt beschriebenen Duftstoffe vielleicht auch CatSper direkt steuern – ohne Umwege über Riechrezeptoren und cAMP. Und tatsächlich: Bourgeonal öffnet CatSper und führt wie Progesteron zu einer Dosis-abhängigen Calcium-Antwort (EMBO J 2012, 31(7):1654-65). Allerdings war für die gleiche Antwort rund 1000mal mehr Duftstoff nötig als Progesteron.

Weiterhin stellten sie fest, dass der Duftstoff Undecanal nicht wie in den Hattschen Experimenten die Wirkung von Bourgeonal unterdrückt, sondern im Gegenteil selber CatSper öffnet und damit eine Calcium-Antwort erzeugt. Keiner der befragten Wissenschaftler kann sich diesen Widerspruch erklären.

Auch in Kombination mit Duftstoffen analysierten die Forscher vom caesar eine mögliche Verwicklung von Adenylatcyclasen in die Calcium-Reaktion. Im Bochumer Labor hatten die Cyclase-Inhibitoren SQ22536 und MDL12330A die von Bourgeonal induzierte Calcium-Antwort eindeutig unterdrückt. Daher hatten die Forscher um Hanns Hatt angenommen, dass cAMP bei der Signalübertragung vom Rezeptor eine Rolle spielt. „Wir konnten aber niemals einen cAMP-Anstieg messen“, berichtet Hatt. „Das Fehlen eines detektierbaren cAMP-Anstiegs ist rätselhaft“, schrieben die Bochumer im J. Biol. Chem. (2011, 286: 17311-25).

Auch im Bonner Labor stieg der cAMP-Spiegel in den Spermien unter MDL-12330A-Einfluss nicht an, auch wenn sie in Bourgeonal gebadet wurden. SQ22536 indes erhöhte ihn leicht und veranlasste die Spermien, schneller mit den Flagellen zu schlagen. Diese Beobachtung hatte man früher schon an Mausspermien gemacht.

Warum? Das ist bisher unklar.

Was die Calcium-Antwort angeht, bekam man am Rhein ganz andere Resultate. SQ22536 hatte keine wesentliche Wirkung auf den von Bourgeonal induzierten Ca²⁺-Fluss, MDL12330A reduzierte ihn immerhin. Allerdings: der pharmakologische Wirkstoff kann selber Ca²⁺-Kanäle lahmlegen. Es lag also nahe, dass er auch CatSper behindert – und so ist es auch. Daraus zogen die Forscher in ihrem EMBO-Artikel den Schluss:

„Also sind MDL12330A und SQ22536 nicht geeignet, um cAMP-vermittelte Ca-Signale in Spermien zu testen: Die Unterdrückung der von Duftstoffen ausgelösten Ca-Signale mit MDL12330A------ reflektiert eher die Inhibierung der CatSper-Kanäle als die Inhibierung von tmACs; und SQ22536 inhibiert die durch Bourgeonal ausgelösten Calcium-Signale nicht und erhöht eher die cAMP-Spiegel statt sie zu senken.“ (tmAC steht für Membran-gebundene Adenylatcylasen)

Die Bonner experimentierten sogar mit caged – eingeschlossenem – cAMP. Dabei werden die Moleküle zunächst in einer nicht verfügbaren Form in die Zelle eingeschleust und dort mit einem Lichtblitz freigesetzt. Doch einen Calcium-Strom ließ sich damit nicht auslösen. Kaupp: „Dieses Experiment, das wir mit Seeigeln bis zum Erbrechen getestet haben, hat uns schließlich völlig davon überzeugt, dass cAMP bei der Calcium-Antwort keine Rolle spielt.“ Demzufolge schließt er auch eine Beteiligung eines G-Protein gekoppelten Rezeptors bei der Calcium-Antwort als Auslöser der Chemotaxis aus.

Vorsicht – voreilige Schlüsse!

Was können wir nun aus den unterschiedlichen Ergebnissen als gesicherte Erkenntnis extrahieren?

1. 2001 wurde ein Spermien-spezifischer Calcium-Kanal entdeckt, CatSper.

2. Progesteron aktiviert diesen Kanal.

3. Bourgeonal aktiviert den Kanal.

4. Ob Bourgeonal auch den Riechrezeptor aktiviert, ist unbekannt.

5. Die durch Progesteron oder Bourgeonal ausgelöste Calcium-Antwort ist unabhängig von cAMP und membrangebundenen Adenylatcyclasen.

6. CatSper ist ein promiskuitiver Kanal, der sich durch verschiedene Liganden aktivieren lässt; nicht nur durch Progesteron und Prostaglandine, auch Bourgeonal, verschiedene Inhibitoren, Menthol. Man kennt inzwischen auch andere Kanäle in Neuronen und dem Herzmuskel, die mit ihren Liganden nicht sehr wählerisch sind. Eine „potenzielle Quelle von Artefakten“, warnen Christoph Brenker et al. in EMBO Journal.

7. Man muss bei der Interpretation der Daten, die man mit pharmakologischen Inhibitoren erzeugt, verdammt vorsichtig sein. Diese Substanzen haben mitunter überraschende Nebenwirkungen. Egal als wie spezifisch ein Inhibitor beschrieben ist, man sollte immer testen, welche Effekte er in dem eigenen Experiment auslöst. Die Cyclase-Inhibitoren SQ22536 und MDL12330A---- sowie der Phospholipase C-Inhibitor U733122 lösten selber messbare Calcium-Signale aus – ebenso verschiedene Kanalblocker.

Unbekannte Verlockung

So, und was sagt uns das jetzt in Sachen „Biologie der Reproduktion beim Menschen“? Dass Spermien von Progesteron, das von reifen Eizellen produziert wird, angelockt werden, scheint logisch. Tatsächlich reagieren sie schon auf winzige (nanomolare) Mengen des Hormons. Wie aber steht es um Duftstoffe? Ob und welche Duftstoffe tatsächlich im weiblichen Genitaltrakt vorhanden sind, und ob sie chemotaktisch und chemokinetisch auf Spermien wirken können, ist nach wie vor völlig unklar.

Schon 2004 forderten Marc Spehr und Hanns Hatt: „Schlussendlich ist viel wissenschaftlicher Einsatz nötig, um die Identität und die Quelle von endogenen hOR17-4-Liganden im weiblichen Fortpflanzungstrakt zu entdecken. Bourgeonal und andere synthetische Aktivatoren sind nur Schablonen für die Suche nach den natürlichen Spermien-Lockstoffen“ (Drug News Perspect 2004, 17:165-71). Doch obwohl die Befruchtung von Eizellen ein solch elementares Thema in der Biologie – und der Medizin – ist, hat sich anscheinend noch keiner die Mühe gemacht, mit Gaschromatografie oder Massenspektrometrie festzustellen, was Frau an Lockmitteln so produziert.

Medientaugliche Wissenschaft

Schlussendlich kommen wir noch einmal auf das Zusammenspiel von Wissenschaft und Journalismus zurück. Hier zeigt sich sehr hübsch, wie das funktioniert.

Ein Forscher hat Ergebnisse, formuliert eine plausible Erklärung. Die gilt also solange, bis ein anderer mit neuen Ideen und Methoden kommt und das Gegenteil dokumentiert... hier haben wir ein Paradebeispiel dafür.

„Deshalb sollte ein solcher Fall auch nicht nur über die Massenmedien, sondern in der Fachwelt diskutiert werden“, fordert Hatt. Ausgerechnet er – hat er doch den medialen Wirbel um das Maiglöckchen-Phänomen mit dem Buch „Das Maiglöckchen-Phänomen“, das er gemeinsam mit einer Journalistin geschrieben hat, erst so richtig angefacht (siehe Rezension LJ 10/2010, Seite 100). Jetzt ist er natürlich mit der medialen Berichterstattung nicht wirklich glücklich – die Forscher in Bonn übrigens auch nicht.

„Ich möchte das ausschließlich auf fachlicher Ebene diskutieren“, sagt Strünker. Aber es ist nun einmal so: wie man in den Blätterwald hinein ruft, so schallt es dann auch heraus. Und dass die Massenmedien so ein Thema vereinfacht und möglichst anschaulich darstellen, ist völlig klar. Daran sind aber auch die Mitarbeiter in den Pressestellen schuld. Sie formulieren auch oft ungenau, um das Thema „leicht verdaulich“ an den Journalisten zu bringen. Selbst die Forscher tun es. So heißt es auf der Webseite der Bochumer Arbeitsgruppe: „ Auch menschliche Spermien können riechen.“

Unsinn – wie Hatt selber zugibt. Es ist halt nur so, dass olfaktorische Rezeptoren auch in anderen Zellen exprimiert werden. Nicht nur in Spermien, auch in Nervenzellen und in Prostatakrebszellen.

Da fragt man sich doch, was sie dort tun und welches ihre ursprüngliche Aufgabe ist. „Waren sie zuerst in der Nase oder kamen sie dort erst hinterher hin“, fragt Hatt. Dringend sucht er deshalb nach einem neuen, griffigen Wort als Ersatz für „Riechrezeptor“ für diejenigen Duftstoffrezeptoren, die nicht am Geruchssinn beteiligt sind.

Chemorezeptor? Zu akademisch.

Fällt jemandem ein plakativer Begriff ein? Der darf sich gerne bei Hanns Hatt melden.

Karin Hollricher

Bilder: news.de; L Bouvier/Fotolia.com

Dieser Text ist in Laborjournal 9/2012 (S. 14-18) erschienen.