Optogenetik, die Steuerung von Genen und Enzymen mittels Lichtsignalen, ist ein faszinierendes Spielzeug mit immer neuen Einsatzmöglichkeiten (siehe z.B. hier und hier). Vera Jansen und ein Team am Bonner Forschungszentrum caesar haben jetzt eine besonders kreative Anwendung gefunden. Die Spermien ihrer transgenen Mäuseriche sind schlaff wie Kartoffelsäcke und taugen nicht zur Befruchtung. Aber eine kurze Beleuchtung mit Blaulicht aktiviert einen Signalweg, der die Spermien wieder munter und fruchtbar macht (eLife 4:e05161).
Wer jetzt meint, dass diese Arbeit ein Vorstudie für eine innovative Empfängnisverhütungsmethode der Zukunft ist („Schatz, ich will ein Kind von dir. Komm, lass uns die Spermien beleuchten!“) – der liegt leider komplett falsch.
Spot an, Spermien go!
Vielmehr sind die lichtgesteuerten Gameten ein interessantes Hilfsmittel, um die Signalwege während der Aktivierung der männlichen Keimzellen besser zu verstehen. Denn dass die vielen Millionen Spermien, die Mann pro Ejakulation in die Freiheit entlässt, mobil werden, den Weg Richtung Ei finden und dann auch noch in der Lage sind, mit der Eizelle zu fusionieren – das alles hängt von reichlich verwickelten molekularbiologischen Signalen ab, deren Zusammenwirken noch nicht im Detail verstanden ist.
Wichtig für fitte Spermien sind vor allem drei Prozesse:
1. Mobilisierung durch Bikarbonat: Während des Transits durch den weiblichen Genitaltrakt steigt die Bikarbonat-Konzentration an. Als Reaktion darauf produziert eine Adenylatzyclase (SACY) in den männlichen Gameten den sekundären Botenstoff cAMP (cyclisches Adenosinmonophosphat). Folge: Die Flagelle des Spermiums fängt kräftig an zu schlagen. Dieser Prozess geht schnell, schon Sekunden nach dem cAMP-Signal fängt die Flagelle an, verstärkt zu rudern.
2. Kapazitation: Darunter versteht man die letzte Phase der Spermienreifung vor der eigentlichen Befruchtung, eine Art Umbauphase, während der unter anderem Glykoproteine an der Oberfläche des Spermiums entfernt werden. Die Kapazitation dauert wesentlich länger als die Mobilisierung der Flagelle. Während der Befruchtung selbst ist dann noch die Akrosomenreaktion von Bedeutung, also die biochemische Interaktion mit der Eizelle, die unter anderem verhindert, dass mehr als ein Spermium das Ei befruchtet. Auch daran ist cAMP beteiligt.
3. Parallel zu den cAMP-vermittelten Signalen spielen aber auch Calcium-Signale eine wichtige Rolle für Mobilisierung und Befruchtung der männlichen Keimzellen. Aber wie cAMP- und Calcium-gesteuerte Signalketten im Detail zusammenwirken, ist noch relativ wenig erforscht und teilweise umstritten. Und genau da erhoffen sich die Bonner Forscher, dass ihre optogenetisch aktivierbaren Spermien mehr Klarheit schaffen können.
Als lichtgesteuerten Schalter verwenden die caesar-Forscher eine photoaktivierbare Adenylatzyklase (bPAC), die ursprünglich aus einem Bodenbakterium stammt. Peter Hegemann (Humboldt-Universität Berlin) hat dieses Enzym und seine ungewöhnlichen Eigenschaften vor ein paar Jahren identifiziert. Im Dunkeln zeigt bPAC kaum enzymatische Aktivität, bei Beleuchtung mit blauem Licht wird es dann 300-mal aktiver.
bPAC rettet unbewegliche Mutanten-Spermien
Im Detail funktioniert die Fruchtbarkeits-Kontrolle mit bPAC so: Slc9a10-Null-Mutanten fehlt die endogene SACY-Aktivität, sie reagieren also nicht auf Bikarbonat. Mangels cAMP-Signal sind die Spermien dieser Mutante nicht mobil und damit unfruchtbar. Transgene Slc9a10-Mäuse aber, die die photoaktivierbare Adenylatzyklase bPAC tragen, können Mobilität und Fruchtbarkeit experimentell wiedererlangen. Durch Bestrahlung mit blauem Licht wird bPAC aktiv, das Enzym produziert cAMP und schon schlägt die Flagelle kräftig. Die Spermienreifung läuft ebenfalls an, so dass die „angeknipsten“ Spermien erfolgreich Eizellen befruchten können.
Das Journal eLife pflegt die löbliche Praxis, die Kommentare der (in diesem Fall anonymen) Gutachter zusammen mit dem Paper zu veröffentlichen. Gutachter Nummer Eins fasst die Meriten der Arbeit so zusammen: „Das Werkzeug, das im Paper beschrieben wird, ermöglichte den Autoren, die Funktion von cAMP [in den Spermien, Red.] direkt zu testen. Frühere Experimente verließen sich auf die Zugabe von Bikarbonat, zell-permeablen cAMP oder cAMP UV-uncaging, also eher indirekte Methoden.“
So faszinierend das Werkzeug ist, die bisherigen Ergebnisse selbst bestätigen also im Prinzip, was man über indirekte Experimente schon herausgefunden hatte: cAMP ist der entscheidende second messenger für die Spermien-Physiologie, inklusive Mobilität, Reifung und eigentlichem Befruchtungsvorgang. Im Wesentlichen stellt das Paper also das neue Werkzeug vor und zeigt, dass es funktioniert. Aber die Hoffnung ist wohl berechtigt, dass damit neue, interessante Experimente möglich sind, mit denen verzwackte Details der Spermienbiologie aufgeklärt werden können.
Hans Zauner
Abb.: Fig. 4 aus Jansen et al, eLife 4:e05161; cc-by