Kryo-Elektronenmikroskopie enthüllt bisher unbekannte Spiralkonstruktion Neue Struktur im Spermienschwanz entdeckt - scinexx | Das Wissensmagazin
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Kryo-Elektronenmikroskopie enthüllt bisher unbekannte Spiralkonstruktion

Neue Struktur im Spermienschwanz entdeckt

Im Schwanz von menschlichen Spermien haben Forscher eine zuvor unbekannte Struktur entdeckt. © Thorsten Schmitt/ thinkstock

Spitzenschwimmer: Wissenschaftler haben eine zuvor unbekannte Struktur im Schwanz von Spermien beobachtet. Innerhalb der Mikrotubuli – gerüstartigen Röhren im Schwanz – entdeckten sie eine spiralförmige Struktur, die sich von der Schwanzspitze aus nach vorne erstreckte. Sie könnte den Spermien dabei helfen Energie zu sparen und schlussendlich das Ei zu erreichen, so die Forscher im Fachmagazin „Scientific Reports“.

Ein Spermium muss ausgezeichnet schwimmen können, um vor seiner Konkurrenz die Eizelle zu erreichen. Der Schwanz der Zelle muss daher auf Hochtouren laufen. Im Inneren dieser äußerst komplexen Maschine arbeiten etwa 1.000 verschiedene Proteine eng zusammen. Mit am wichtigsten sind die röhrenförmigen Mikrotubuli, an denen Motorproteine für die nötige Bewegung sorgen. „Es ist ziemlich unglaublich, dass das funktioniert“, sagt die Seniorautorin Johanna Höög von der Universität Göteborg. „Die Bewegung von tausenden Motorproteinen muss bis auf das kleinste Detail koordiniert werden, damit das Spermium schwimmen kann.“

Schwanzspitze im Querschnitt: C-förmige Proteinsegmente innerhalb der Mikrotubuli sind blassgrün dargestellt. Auch die Mikrotubuli sind spiralförmig angeordnet. © Davide Zabeo et al./ Scientific Reports, CC-by-sa 4.0

Spiralen im Eis

Die Wissenschaftler wollten sich zunächst nur die 3D-Struktur des Spermienschwanzes anschauen und vom Bauplan auf die Funktion schließen. Dafür nutzten sie die Kryo-Elektronenmikroskopie. Im Jahr 2017 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet, macht dieses Verfahren selbst kleinste Zellstrukturen im Nanobereich sichtbar, ohne sie strukturell anzugreifen. „Da die Zellen ohne Chemikalien gefroren sind, welche die kleinsten Zellstrukturen verschleiern würden, können wir sogar einzelne Proteine innerhalb der Zelle beobachten“, erklärt Höög.

In der Schwanzspitze entdeckten die Forscher eine bisher unbemerkte Struktur. Innerhalb der Mikrotubuli-Röhren war eine dunkel erscheinende Spiralstruktur zu beobachten. Die Forscher erstellten 3D-Modelle dieser Spirale und stellten fest, dass es sich um C-förmige Proteinsegmente handelte, die sich innerhalb der Mikrotubuli in Form einer Helix aufstapeln. Ausgehend von der Spitze erstreckten sich die Spiralen über ein Zehntel des gesamten Schwanzes.

Proteinspiralen im Detail © Davide Zabeo et al./ Scientific Reports, CC-by-sa 4.0

Funktion bleibt rätselhaft

Als nächstes wollen die Forscher beantworten, welche Aufgabe die neue Struktur hat. „Wir glauben, dass diese Spirale als Korken innerhalb der Mikrotubuli wirken könnte“, spekuliert der Erstautor Davide Zabeo. „Das würde diese am sonst üblichen Wachsen und Schrumpfen hindern und den Spermien stattdessen erlauben, ihre Energie voll aufs Schwimmen zu konzentrieren.“ Sie könnte den Mikrotubuli auch eine zusätzliche Steifheit verleihen und damit die Schwanzspitze stabiler und das Spermium beweglicher machen, so die Forscher.

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Die Beweglichkeit und Fitness der Spermien ist entscheidend für die männliche Fruchtbarkeit. Doch aus unbekannten Gründen ist die Spermienzahl von westlichen Männern seit 1973 um gut die Hälfte gesunken – Tendenz weiter fallend. Die neue Struktur genauer zu verstehen, könnte also auch klinische Auswirkungen haben. (Scientific Reports, 2018; doi:10.1038/s41598-018-21165-8)

(University of Gothenburg, 22.02.2018 – YBR)

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