Andrologie

Spermatozoen und der Wettlauf zur Eizelle: Auf die Verlierer wartet der programmierte Zelltod
 

Auf den Weg gebracht werden Millionen von Samenzellen, doch bei der Befruchtung der Eizelle gibt es nur einen Gewinner. Was passiert mit den unzähligen Spermatozoen, die nach Kapazitation und Akrosomreaktion nicht „zum Zug“ gekommen sind? Auf welche Art sterben sie und wie wird dies initiiert? Andrologen in Leipzig haben erstmals den Beweis geführt, dass die „Verlierer“-Spermien, die nach der Akrosomreaktion nicht mit der Eizelle verschmelzen, schnell den programmierten Tod sterben und damit koordiniert abgebaut werden können. Das Team um PD Dr. Sonja Grunewald hat zudem den Kalziumspiegel als Bindeglied zwischen Akrosomreaktion und programmiertem Zelltod identifiziert.

Der Ironman zur Eizelle

Zur Navigation im weiblichen Genitaltrakt verlassen sich Spermatozoen zu Beginn der Strecke auf den „Fernsinn“ und schwimmen gegen den Strom (Rheotaxis). Für die „Mittelstrecke“ nutzen sie den Temperaturgradienten von zwei Grad Celsius zwischen Vagina und Ampulle (Thermotaxis) und bewältigen die letzte Etappe über Chemotaxis. Die Lockstoffe sind unbekannt. Progesteron ist nach den Forschungen des Bonner Teams von Prof. U. Benjamin Kaupp ein Kandidat.

Auf menschliche Größenverhältnisse übertragen, müssen Spermien quasi den Ironman in Hawaii schwimmen, um die Eizelle im Eileiter zu erreichen. Ob sie dabei rotieren oder nicht, wurde beim 17. Arbeitskreis Molekularbiologie heftig diskutiert:

Für Prof. Timo Strünker (Münster) bedienen sie sich einer eher passiven Fortbewegungsart, indem sie um eine konusförmige Längsachse rotieren. Mit Hilfe der Dunkelfeld-Mikroskopie er in Minuten die Frequenz des longitudinalen „rolling“ einzelner Spermien ermitteln.

Für Caroline Wenders (Essen) dagegen rotieren Spermatozoen nicht. Zumindest Mäuse-Spermien. Diese bewegen sich durch eine Kippbewegung des Kopfes von einer Seite auf die andere, basierend auf einem „chiralen Gedächtnis“. Die rollende Bewegung des Kopfes ist nach Untersuchungen mit digitaler Hologramm-Mikroskopie verantwortlich für die Chiralität: Liegt der Kopf auf der rechten „Backe“, dreht sich der Kopf des Spermatozoons gegen den Uhrzeigersinn, auf der linken „Backe“ liegend im Uhrzeigersinn.

Zelltod dem Verlierer

Gewinnen und mit der Eizelle verschmelzen kann nur ein einziges Spermatozoon. Silber und Bronze gibt es nicht, allen nicht erfolgreichen droht wohl das gleiche, unausweichliche Schicksal – der programmierte Zelltod. Das wiederum hatten einige Kollegen wegen der fehlenden RNA-Synthese im Zytoplasma der Spermien angezweifelt.

Die Apoptose-Prozesse sind in unreifen Samenzellen zwar häufiger als in reifen aktiviert. Hier kann die Signalkaskade durch externe Noxen angestoßen werden, etwa bei der Kryokonservierung und dem späteren Auftauen. Es resultiert eine verminderte Fähigkeit zur Kapazitation, sie binden schlechter an die Zona pellucida, ihre Befruchtungsfähigkeit ist stark herabgesetzt.

Die Leipziger Andrologen haben die Fähigkeit zum programmierten Zelltod bei Samenproben von 27 Männern mit Normozoospermie erstmals nicht nur anhand der aktivierten Apoptose-Signalkaskade aufgezeigt, sondern auch anhand der typischen elektronenmikroskopischen Veränderungen (etwa dem membrane blebbing) belegt.

Die Proben wurden inkubiert mit Substanzen, die die Apoptose induzieren (Betulinsäure, Thapsigargin), die Akrosomreaktion einleiten (Thapsigargin, Kalzium-Ionophor), mit H2O2, um die Produktion reaktiver Sauerstoff-Spezies anzuregen – jeweils mit und ohne vorherige Inkubation mit einem Kalzium-Chelator. Sowohl die Induktion der Apoptose als auch das Kalzium-Ionophor bewirkten einen Anstieg der apoptose-typischen Kaspasen. Das mitochondriale Membranpotenzial wurde unterbrochen, die Akrosomreaktion erfolgte vollständig. In allen Fällen resultierte eine verminderte Motilität.

Die Vorstellung, wonach sich Spermien von fertilen und subfertilen Männern unterscheiden, was die Induktion der Apoptose betrifft, ist nach Untersuchungen von Faundez R, et al. allerdings wohl nicht zutreffend: Bei Samenproben von 19 Männern mit Normozoospermie und 27 subfertilen Patienten ließ sich die Apoptose vergleichbar induzieren, auch hinsichtlich der einzelnen Klassen des programmierten Zelltods. In beiden Gruppen konnte zudem eine Autoaktivierung nachgewiesen werden.

Fazit

Apoptose spielt eine wichtige Rolle in den Hoden, einerseits um die Zahl der Samenzellen zu kontrollieren, andererseits um defekte Keimzellen während der Spermatogenese zu eliminieren. In akrosom-reagierten Spermatozoen wird der programmierte Zelltod durch hohe intrazelluläre Kalziumspiegel vermittelt.

Literatur:
Engel KM, Springsguth CH, Grunewald S. Andrology 2018, doi: 10.1111/andr.12467
Faundez R, Chelstowska A, et al. 2018. Reproduktion in domestic animals 53 suppl. 1, pp. 9



Dr. Renate Leinmüller, Wiesbaden.



April 2018

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