Einführung
Viele der Geheimnisse der menschlichen Fortpflanzung sind tief in den Organen unseres Körpers verborgen. Das gilt auch für die Bildung der hochspezialisierten Samenzelle in den Hoden. Jede Zelle wird stromlinienförmig und beweglich, um ihr fest verpacktes DNA-Paket effizient zu einer wartenden Eizelle zu bringen. Die Bildung und Funktion von Spermien ist für die Fruchtbarkeit von entscheidender Bedeutung – Mängel in der Spermienmenge, -qualität und -beweglichkeit sind für bis zu 50 % der Fälle von Unfruchtbarkeit verantwortlich und können bis zu 7 % aller Männer betreffen. Unser grundlegendes Verständnis der Spermienentwicklung und -funktion ist jedoch unzureichend, was zu einem Mangel an Wissen darüber führt, wie Probleme entstehen, die zu Unfruchtbarkeit führen.
Die Bildung von Spermien ist in verschiedenen Regionen der Hoden sorgfältig abgestuft. Menschliche Spermien werden zunächst in den Hodenkanälchen gebildet, wo die DNA aufgeteilt und dann fest verdichtet wird, unnötige Zellbestandteile eliminiert werden und die Zellen sich differenzieren. Diese Veränderungen bilden ein kompaktes und geschütztes Paket mit einer langen Geißel (Abb. 1A). Diese Spermien können sich jedoch weder bewegen noch befruchten. Sie erwerben diese Fähigkeiten durch Signale, die sie von außen erhalten und die ohne Transkription, die aufgrund der engen Verdichtung der Spermien-DNA abgeschaltet ist, durch die Zelle übertragen werden müssen. Die Beweglichkeit wird während der „Reifung“ der Spermien ermöglicht, indem sie die Nebenhoden durchqueren, ein Netzwerk aus gewundenen Röhren, die, wenn sie gestreckt sind, mehrere Meter lang sind (Abb. 1A). Innerhalb dieser Röhrchen werden die Spermien in Flüssigkeiten gebadet, die Reifungssignale enthalten, die sie auf die Abgabe an die Frau vorbereiten. Nach der Abgabe werden sie durch einen Prozess, der als Kapazitation bezeichnet wird, weiter aktiviert, indem sie für die Fruchtbarkeit wichtige Rezeptoren freilegen und hypermotil werden. Leider hat die Unzugänglichkeit der reproduktiven Gewebe unser Verständnis der molekularen Natur der Komponenten, die Signale erzeugen oder übermitteln, die zu diesen Umwandlungen beitragen, behindert.
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(A) Beim Menschen werden die Spermien während der Spermatogenese in den Hodenkanälchen gebildet, sind aber weder beweglich noch befruchtungsfähig. Während des Transports und der Lagerung in den Nebenhoden durchlaufen sie eine Reifung, um die Fähigkeit zur Bewegung zu erlangen. Nach der Einbringung in den weiblichen Fortpflanzungstrakt werden die Spermien durch einen Prozess, der als Kapazitation bezeichnet wird, befruchtungsfähig, wobei sich die Kopfmembran der Spermien so verändert, dass eine Membranverschmelzung möglich wird und die Spermien hypermotil werden. (B) Bei C. elegans werden die Spermien während der Spermatogenese sowohl bei Zwittern als auch bei Männchen gebildet. Wenn sich Männchen mit Hermaphroditen paaren oder wenn Hermaphroditen zur Eizellenbildung übergehen, werden die Spermien aktiviert. Diese Aktivierung bewirkt die Bildung des Pseudopods, der es den Spermien ermöglicht, zu kriechen.
https://doi.org/10.1371/journal.pbio.2006204.g001
Die Notwendigkeit, dass Spermien während einer Periode der transkriptionellen Inaktivität reifen oder aktiviert werden, ist bei sich sexuell fortpflanzenden Tieren üblich, selbst bei einfachen Tieren mit sehr unterschiedlich aussehenden Spermien. Diese weniger komplexen Organismen sind seit langem ideal für die Erforschung der männlichen Fruchtbarkeit, da sie die Anwendung von Methoden ermöglichen, die beim Menschen nicht so einfach durchzuführen sind. Ein solcher Organismus ist der kleine Fadenwurm Caenorhabditis elegans . C. elegans ist durchsichtig, so dass Forscher die Spermatogenese bei Männchen oder Zwittern und die Befruchtung von Eizellen bei Zwittern leicht beobachten können. Die amöboiden Spermien von C. elegans krabbeln im Gegensatz zu den durch Geißeln angetriebenen Spermien von Säugetieren mit Hilfe eines Anhängsels, das Pseudopod genannt wird. Wie die Spermien von Säugetieren müssen auch die Spermien von C. elegans Signale empfangen, um die Bildung ihres Motilitätsapparats, des Pseudopods, auszulösen, der aktiv wird, sobald er sich bildet (Abb. 1B).
In den 1970er und 1980er Jahren führten die Forscher von C. elegans umfangreiche genetische Untersuchungen durch, bei denen Dutzende von Genen identifiziert wurden, deren Mutation die Spermatogenese (spe) oder die Befruchtung (fer) beeinträchtigte. Ein Beispiel ist das spe-8-Gen, das für eine Protein-Tyrosinkinase kodiert, deren Familienmitglieder zelluläre Informationen durch Phosphorylierung weiterleiten. Mehrere andere SPE-Proteine arbeiten ebenfalls mit SPE-8 zusammen und bilden den SPE-8-Signalweg, der zwar in beiden Geschlechtern aktiv ist, aber bei Zwittertieren für die Bildung von Pseudopods und die Motilität wesentlich ist. Bei neueren genetischen Untersuchungen wurde auch ein besonderer Aktivierungsweg für männliche Spermien festgestellt, der durch eine Protease ausgelöst wird, die von den Männchen zusammen mit den Spermien abgegeben wird. Unser Verständnis des SPE-8-Signalwegs bei Hermaphroditen weist jedoch noch erhebliche Lücken auf. Dazu gehört, wie dieser Weg aktiviert wird und wie das Signal innerhalb der Zellen weitergeleitet wird, um Spermien beweglich zu machen. Forscher haben Mutanten durchkämmt, die durch Fertilitätsscreens identifiziert wurden, um diese fehlenden Glieder zu finden, müssen aber noch alle Teile zusammenfügen, um den gesamten Signalweg zu definieren.
Ein überraschender Kandidat für den Signalweg – Zink – wurde durch eine In-vitro-Methode gefunden, bei der unreife C. elegans-Spermien isoliert und Verbindungen ausgesetzt werden. Hohe Mengen an extrazellulärem Zink oder die Aktivierung des SPE-8-Signalwegs führten zu einer Umverteilung des intrazellulären Zinkspiegels. Diese Studien deuten darauf hin, dass Zink die SPE-8-Signalkaskade auslösen oder innerhalb der Kaskade zur Aktivierung der Spermien beitragen kann. Die molekularen Details, wie genau Zink in einem Signalweg wirkt – als Initiierungssignal oder als Signalvermittler – waren jedoch unklar.
Die Geschichten liefen zusammen, als drei Forschergruppen erkannten, dass sie an demselben Protein arbeiteten – einem Zinktransporter. Die Labors von Kornfeld und Ellis suchten nach Proteinen, die den evolutionär hoch konservierten ZIP-Proteinen ähneln, die nach den Zrt- und Irt-ähnlichen Proteinen der Hefe benannt sind. Sie fanden heraus, dass die Deletion eines dieser Homologe, zipt-7.1, Sterilität verursacht. In der Zwischenzeit suchte das Labor von Singson nach einem Spermienaktivierungssignal, indem es nach Fruchtbarkeitsmutanten suchte. Sie fanden eine Mutante mit einer Läsion in demselben Gen, das in einem der ursprünglichen Fruchtbarkeits-Screens entdeckt worden war, bekannt als hc130. Die Sequenzierung der hc130-Tiere bestätigte, dass sie eine Mutation im zipt-7.1-Gen aufweisen.
Die Labors arbeiteten zusammen, um zu bestimmen, wie Zink und der ZIPT-7.1-Zink-Transporter in einen für die Fruchtbarkeit erforderlichen Signalweg passen: Ist Zink ein externes Signal für die Aktivierung oder ein interner Bote des Signals? Ein Hinweis auf die Funktion von ZIPT-7.1 ist die Tatsache, dass dieses Transmembranprotein in sich früh entwickelnden Spermien lokalisiert ist, was auf eine mögliche Funktion an internen Membranen hinweist. Wenn ZIPT-7.1 aus C. elegans in Säugetierzellen exprimiert wird, lokalisiert es sich außerdem in Regionen, die sich mit intrazellulären Organellen überschneiden. Die Autoren zeigen, dass ZIPT-7.1 bei der Regulierung des Zinkspiegels in Zellen eine Rolle spielt: C. elegans-Mutanten ohne zipt-7.1 haben geringere Mengen an internem Zink, das in internen Organellen gespeichert wird, und Säugetierzellen, die C. elegans zipt-7.1 exprimieren, zeigen eine erhöhte Zinkaufnahmerate in Anwesenheit von extern zugegebenem markiertem Zink.
Um weiter zu zeigen, dass ZIPT-7.1 innerhalb von Zellen funktioniert, bestimmten die Autoren, wo ZIPT-7.1 innerhalb des SPE-8-Signalwegs funktioniert. Sie fanden heraus, dass ZIPT-7.1 stromabwärts von einem Mitglied des Pfads – SPE-6, von dem bekannt ist, dass es innerhalb der Zelle funktioniert – funktioniert und mit einem anderen Mitglied namens SPE-4 interagiert, das ebenfalls an internen Membranen lokalisiert ist. Damit steht ZIPT-7.1 am Ende des SPE-8-Wegs und reguliert die Freisetzung von Zink aus internen Speichern ins Zytoplasma, um das Aktivierungssignal weiterzuleiten. Die Autoren konnten nicht ausschließen, dass Zink auch eine gewisse Rolle bei der extrazellulären Signalübertragung spielt, vermuten aber, dass hohe Mengen an extrazellulärem Zink die intrazelluläre Freisetzung imitieren und so einen Großteil des SPE-8-Signalwegs umgehen können. Da Zink und ZIPT-7.1 jedoch eindeutig intrazelluläre Funktionen haben, ist es wahrscheinlich, dass das aktivierende Signal des SPE-8-Signalwegs noch nicht geklärt ist.
Das Modell für diesen Signalweg platziert das ZIPT-7.1-Protein auf den Membranen der internen Organellen, die Zink in inaktiven Spermien speichern. Wenn Spermien das immer noch rätselhafte Signal erhalten, das den SPE-8-Weg aktiviert, wird ZIPT-7.1 aktiv und setzt das Zink aus den intrazellulären Organellen in das Zytosol frei. Hohe Zinkkonzentrationen im Zytoplasma aktivieren vermutlich zinkregulierte Proteine, die in Abwesenheit der Transkription Motilitätsstrukturen entwickeln (Abb. 2). Dies macht Zink zu einem wichtigen „zweiten Botenstoff“, der das Aktivierungssignal an intrazelluläre Proteine weiterleitet, die den Motilitätserwerb modulieren.
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Bei der Aktivierung durch den SPE-8-Signalweg wird Zink aus intrazellulären Speicherorganellen über ZIPT-7.1 ins Zytoplasma freigesetzt. Hohe Zinkkonzentrationen im Zytoplasma aktivieren noch zu identifizierende zinkbindende Proteine, die die physiologischen Veränderungen zur Entwicklung von Motilitätsstrukturen auslösen. SPE-8, Spermatogenese defekt; ZIPT-7.1, Zrt- und Irt-ähnlicher Proteintransporter 7.1.
https://doi.org/10.1371/journal.pbio.2006204.g002
Die Ergebnisse dieser Arbeit sind neuartig, weil sie zeigen, dass Zink eine eindeutige Rolle als zweiter Botenstoff in einem definierten biologischen Signalweg spielt, der für die Fruchtbarkeit entscheidend ist. Zink, ein essentieller Mineralstoff, spielt nachweislich eine wichtige Rolle bei der Stabilisierung der Struktur und der enzymatischen Aktivität bestimmter Klassen von zinkbindenden Proteinen, wie z. B. Transkriptionsfaktoren. Das Fehlen der Transkription in diesem Stadium der Spermienentwicklung macht es jedoch unwahrscheinlich, dass Zink die Transkription fördert. Stattdessen zeigt diese Studie, wie der Zinkspiegel von der Zelle kontrolliert und gelesen wird. (1) Der Zinkgehalt in der Zelle wird in hohem Maße reguliert, da er die Aktivität von Zellproteinen beeinflusst. (2) Zink-Transporter sind für die Regulierung des Zinkspiegels innerhalb der Zelle von entscheidender Bedeutung, was darauf hindeutet, dass sie die Freisetzung von Zink aus internen Speichern in das Zytoplasma regulieren können und nicht nur den Import von Zink aus der äußeren Umgebung. (3) Die männliche Fruchtbarkeit hängt von zweiten Botenstoffen wie Zink ab, um physiologische Veränderungen in Spermien während einer kritischen Zeitspanne zu bewirken, in der die Transkription nicht aktiv ist.
Diese Studie zeigt, dass die Rolle von Zink und Zinksignaltransportern bei der Entwicklung und Funktion menschlicher Spermien wichtig sein könnte, um untersucht zu werden. Obwohl seit langem bekannt ist, dass Kalzium eine für die Fruchtbarkeit wichtige Signalkomponente darstellt, gibt es weitere Berichte über die Rolle von Zink als Signalstoff in verschiedenen Zusammenhängen. So wurde beispielsweise nachgewiesen, dass bei der Befruchtung der Eizellen Zink in den extrazellulären Raum freigesetzt wird, was als Zinkfunken bezeichnet wird. Intrazelluläres Zink kann auch die Kalziumfreisetzung in Herzzellen regulieren. Für die männliche Fruchtbarkeit sind die Zinkspiegel in den Hoden hoch, und in verschiedenen Regionen der Nebenhoden werden Zink-Transporter exprimiert. Darüber hinaus wird ein Zinkmangel mit einer verminderten männlichen Fruchtbarkeit in Verbindung gebracht. Da Zink im Labyrinth der Hodenkanälchen so reichlich vorhanden ist, muss die Rolle von Zink für die männliche Fruchtbarkeit noch geklärt werden. Diese Studien zeigen jedoch, dass die Untersuchung der Rolle von intrazellulärem Zink bei der Vermittlung von Entwicklungsveränderungen ein wichtiger Weg sein wird, der für zahlreiche Prozesse bei einer Vielzahl von Arten zu erforschen ist.