Verlag des Forschungszentrums Jülich

JUEL-4190
Van, Qui
Untersuchungen zur Bedeutung der intrazellulären Ca2+-Konzentration für die Chemotaxis von Seeigel- und Seesternspermien
131 S., 2005

In dieser Arbeit wurde eine Methode entwickelt, mit deren Hilfe simultan das Schwimmverhalten und die intrazelluläre Ca²⁺-Konzentration von schwimmenden Spermien des Seeigels A. punctulata und des Seesterns A. amurensis beobachtet und analysiert wurden. Es konnte gezeigt werden, dass sowohl die extrazelluläre Stimulation von A. punctulata Spermien mit dem Lockstoff Resact als auch die intrazelluläre Freisetzung von cGMP eine Folge von Ca²⁺-Spikes im Flagellum auslösen. Ein Ca²⁺-Spike löst eine kombinierte Verhaltensantwort aus. Diese Verhaltensantwort besteht aus einer Biegung in der Schwimmtrajektorie gefolgt von einem Abschnitt geraden Schwimmens („turn and run“). Die Beobachtung der intrazellulären Ca²⁺-Konzentration von schwimmenden Spermien in einem definierten Lockstoff-Gradienten zeigte, dass die induzierten Ca²⁺-Spikes und die Stimulus- Funktion synchronisiert sind. Daraus lässt sich schlussfolgern, dass die zeitliche Abfolge von Ca²⁺-Spikes das Schwimmverhalten steuert. Anhand der Ergebnisse dieser Arbeit wurde ein Modell zur Chemotaxis von Spermien erstellt, das erläutert wie Spermien sich in einem Gradienten orientieren. Das Eizellpeptid des Seesterns A. amurensis Asterosap wurde als Lockstoff identifiziert. Der Vergleich der Chemotaxis zwischen Spermien des Seeigels A. punctulata und des Seesterns A. amurensis zeigte, dass das chemotaktische Verhalten beider Spezies in Bezug auf 1. die cGMP-induzierte Ca²⁺-Dynamik im Flagellum, 2. die durch Ca²⁺ ausgelöste Verhaltensantwort und 3. das Schwimmverhalten in einem Lockstoff-Gradienten vergleichbar ist. Die Schlussfolgerung aus diesem Vergleich ist, dass cAMP weder bei der Chemotaxis von Spermien des Seesterns noch von Spermien des Seeigels eine essentielle Rolle spielt. Der cGMP-vermittelte chemotaktische Signalweg ist demnach in zwei Spezies konserviert geblieben, die vor ca. 500 Millionen Jahren divergierten. Ein cGMP-aktivierter Ionenkanal, der für eine Hyperpolarisation oder für einen Ca²⁺- Einstrom verantwortlich sein könnte, konnte in A. punctulata bisher nicht identifiziert werden. Womöglich spielen spannungsabhängige Ca²⁺-Kanäle, die bisher nur mit der akrosomalen Exozytose in Verbindung gebracht wurden, doch eine bedeutsame Rolle für den Ca²⁺- Einstrom in der Chemotaxis von Spermien.

The events that occur during chemotaxis of sperm are only partly known. As an essential step toward determining the underlying mechanism, we developed a sensitive laser-stroboscopic technique that allows the recording of changes in intracellular Ca²⁺-concentration in swimming sperm of the sea urchin Arbacia punctulata and starfish Asterias amurensis. Stimulation of the sea urchin Arbacia punctulata by the chemoattractant or by intracellular cGMP evokes Ca²⁺ spikes in the flagellum. These Ca²⁺ spikes control the swiming behaviour of sperm. A Ca²⁺ spike elicits a turn in the trajectory followed by a period of straight swimming (‘turn-andrun’).
The train of Ca²⁺ spikes gives rise to repetitive loop-like movements. When sperm swim in a concentration gradient of the attractant, the Ca²⁺ spikes and the stimulus function are synchronized, suggesting that precise timing of Ca²⁺ spikes controls navigation. We identified the peptide asterosap as a chemotactic factor of the starfish Asterias amurensis. The similarities in first, the cGMP-induced Ca²⁺ spikes in the flagellum, second, the motor response and third the swimming behavior of sperm from starfish and sea urchin imply that the signaling pathway of chemotaxis has been conserved in species, which diverged almost 500 million years ago.
A cGMP-gated ion channel (CNG-channel), which might be involved in hyperpolarisation or Ca²⁺ entry, could not yet be identified in Arbacia punctulata. Voltage-sensitive Ca²⁺- channels, which are only said to have a function in the acrosome reaction, however, seem to play a more important role for the Ca²⁺ entry during sperm chemotaxis.

Neuerscheinungen

• Neuerscheinungen des Verlagskatalogs

Schriften des Forschungszentrums Jülich

• Allgemeines
• Bibliothek
• Bioorganische Chemie
• Energie & Umwelt
• Gesundheit
• IAS Series
• Information
• Modeling and Simulation
• NIC Series
• PTJ Schriftenreihe
• Schlüsseltechnologien

Ihre Ansprechperson

Heike Lexis
+49 2461 61-5367
zb-publikation@fz-juelich.de