Bisher unbekannte Helixstruktur in menschlichen Spermien entdeckt

Womöglich könnte die Struktur bei der Entwicklung von Verhütungsmitteln oder Medikamenten gegen Unfruchtbarkeit eine Rolle spielen. Freitag, 23. Februar 2018

Das menschliche Spermium. Eine reife, männliche Keimzelle – und ein mikroskopisch kleines Gefährt, das für die Fortpflanzung des Menschen von grundlegender Bedeutung ist. Es erinnert ein wenig an eine durchsichtige Kaulquappe mit einem Kopf, einer Mittelsektion und einer peitschenden Geißel, mit dessen Hilfe es sich fortbewegt, hin zur Eizelle, die auf ihre Befruchtung wartet. Binnen einer einzigen Sekunde kann ein Mann etwa 1.500 Spermien produzieren, und ein einzelner Samenerguss kann bis zu 250 dieser Samenzellen enthalten.  

Trotz allem, was man über die menschliche Fortpflanzung weiß, wurden bisher nicht alle daran beteiligten Zellstrukturen eingehend untersucht.

„Man weiß eine Menge aus Studien über Protozoen“, sagt Davide Zabeo, ein Doktorand der Universität Göteborg in Schweden. „Aber über menschliche Zellen ist nicht so viel bekannt.“

Dank eines neuen Bildgebungsverfahrens namens Kryoelektronentomographie könnten diese Wissenslücken bald schrumpfen. Die innovative Technologie (mitunter auch als CryoET abgekürzt) kann detaillierte 3D-Modelle von kleinen Strukturen wie beispielsweise Zellen erstellen. Auf diese Weise konnten Zabeo und seine Kollegen menschliche Spermien untersuchen.

In ihrer Studie, die in „Scientific Reports“ veröffentlicht wurde, berichten sie von einer linksgängigen Helixstruktur an der Geißelspitze des Spermiums, die man zuvor noch nie gesehen hatte. Der Fund könnte neue Erkenntnisse darüber liefern, warum manche der kleinen Schwimmer erfolgreicher als andere sind, oder bei der Entwicklung von Verhütungsmittel und Medikamenten gegen Unfruchtbarkeit helfen.

ZELLE AUF EIS

Die Kryoelektronentomographie kombiniert die Elektronenmikroskopie mit CT-Scans. Dabei wird eine biologische Probe schockgefrostet, beispielsweise eine einzelne Zelle, Gewebe oder ein ganzer Organismus. Im Anschluss wird die Probe verdünnt und mit einem Elektronenmikroskop abgebildet. Das Gefrieren der Proben stellt sicher, dass die räumlichen Strukturen erhalten bleiben und die Zellen nicht platzen.

„Im Grunde definiert man einfach nur Proteine, die man isolieren kann. Wir können einen ziemlich genauen Blick auf etwas werfen, das noch nicht durch andere Verfahren, die wir benutzen, verändert wurde“, sagte der Co-Autor Garry Morgan von der Universität von Colorado in Boulder. „Das ist die beste Möglichkeit, die wir haben, um etwas so zu sehen, als wäre es noch am Leben.“

Das Ergebnis: Detaillierte, qualitativ hochwertige Abbildungen der untersuchten Objekte, die nanonmetergenau sind und kombiniert werden können, um daraus 3D-Modelle zu erstellen.

Ohne die Verdünnung wären die Zellkörper zu dick für die CryoET-Methode. Aber die Geißel des Spermiums ist dünn genug, um mit dieser Technik untersucht werden zu können. Der Weg der Spermien wurde im Jahr 2012 erstmals in 3D verfolgt, was offenbarte, dass die meisten Samenzellen relativ gerade Wege schwimmen. Manche schwimmen aber eher in Korkenzieherbahnen und sind „hyperaktiv“. 

Die Geißel eines Spermiums besteht aus drei Teilen: einem Mittelteil mit zahlreichen Mitochondrien, die Energie umwandeln, einer „Propellersektion“ und einer Endsektion an der Spitze der Geißel. Diese Endsektion, die ungefähr das letzte Zehntel der Geißel ausmacht, enthält eine linksgängige, helixförmige Zellstruktur. 

Aktuell weiß man noch nicht, warum Spermien diese Helix haben, aber die Wissenschaftler haben schon ein paar Theorien dazu. Sie könnte beispielsweise als eine Art Korken dienen, der verhindert, dass sich die Mikrotubuli in der Zelle ausdehnen oder zusammenziehen. Womöglich hilft sie auch dabei, die Energie des Spermiums zu kanalisieren, wenn es einer Eizelle entgegenschwimmt.

TECHNIKTEST

Wenn die Forscher mehr über die Funktion der Helix herausfinden können, könnten sie auch weitere Studien über die Antriebsmechanismen der Spermiengeißeln durchführen. Auf molekularer Ebene sind die Geißeln noch immer nicht vollständig untersucht.

Letztendlich könnte ein besseres Verständnis für die Samenzellen auch bei der Behandlung männlicher Unfruchtbarkeit von Nutzen sein, die auftreten kann, wenn der Hormonhaushalt, die Gene oder Umwelteinflüsse aus dem Gleichgewicht geraten.  

In der Zukunft könnten sich Wissenschaftler vielleicht die Helixstrukturen in den Spermien unfruchtbarer Patienten ansehen, um herauszufinden, ob die Funktion der Helices mit der Unfruchtbarkeit zusammenhängt. 

Die Ergebnisse aus solchen Untersuchungen könnten schließlich in die Entwicklung eines Medikaments einfließen, mit dem man männliche Unfruchtbarkeit behandeln kann – oder in ein neues Verhütungsmittel. Die CryoEt-Technologie zeigt sich jedenfalls vielversprechend.

„Bisher wurden noch nicht sehr viele Anwendungsmöglichkeiten dieser Technik erforscht“, sagt Zabeo. „Das zeigt uns, wie viel wir schon mit nur diesem Verfahren lernen und beobachten können.“

Elaina Zachos auf Twitter folgen.

Wei­ter­le­sen