Molekulare Mechanismen der Chemorezeption in menschlichen Spermien
Final Report Abstract
Spermien sind bei der Wegfindung im weiblichen Genitaltrakt zur Eizelle vielen externen Stimuli, wie Änderung von Temperatur, PH, Hormonen oder Duftstoffen ausgesetzt. Diese Reize können mit einem speziellen Chemorezeptorrepertoire detektiert werden. Die involvierten Chemorezeptoren, die bei der Wegfindung der Spermien zur Eizelle eine Rolle spielen, sind allerdings noch weitgehend unbekannt. Im Rahmen des bewilligten Normalverfahrensprojektes lag der Focus des Arbeitsprogramms auf der Identifizierung von olfaktorischen Rezeptoren, die die größte Genfamilie unter den G-Protein gekoppelten Rezeptoren darstellen. Basierend auf einer Arbeit in unserem Labor im Jahr 2003, in der erstmals die funktionale Expression eines olfaktorischen Rezeptors (hOR1D2) in humanen Spermien nachgewiesen und seine Funktion im Bereich der Chemotaxis und Chemokinesis gezeigt werden konnte, wurden in der folgenden Antragsperiode noch weitere olfaktorische Rezeptoren in humanen Spermien auf Proteinebene funktional charakterisiert, ihre exakte Lokalisation dokumentiert und die physiologische Bedeutung beschrieben. Durch Zuhilfenahme der erst vor einigen Jahren entwickelten Methode des Next Generation Sequencing (NGS), die eine quantitative Analyse aller Transkripte in den untersuchten Zellen bzw. Geweben erlaubt, konnten wir 16 verschiedene Gewebe, darunter auch den menschlichen Hoden und Spermienproben, von individuellen Spendern analysieren. Dabei stellte sich heraus, dass eine Expression von olfaktorischen Rezeptoren in allen 16 untersuchten menschlichen Geweben gezeigt werden konnte, aber die höchste Expressionsrate im Hoden zu finden ist. Dies wurde durch die Analyse von individuellen Spermienproben bestätigt, in denen die Transkripte von über 70 olfaktorischer Rezeptoren gefunden wurden. Darüber hinaus konnten noch mehr als 200 weitere GPCRs in Spermien nachgewiesen werden. Die Analyse von 8 der olfaktorischen Transkripte brachte durch Verwendung von Antikörpern den Nachweis des entsprechenden Proteins in der Spermienmembran, eine spezifische Lokalisation der einzelnen Rezeptorproteine und unterschiedliche zellbiologische und physiologische funktionale Bedeutungen der Rezeptoren nach Aktivierung mit dem entsprechenden spezifischen Duftstoff. Diese Ergebnisse zeigen eindeutig, dass humane Spermien olfaktorische Rezeptorproteine in großer Zahl in der Membran exprimieren und diese auch eine physiologische Rolle spielen, da sie durch Duftstoffe aktiviert werden, die wir in Kooperation mit dem Fraunhofer Institut in München im Vaginalsekret von Frauen identifizieren konnten. Außerdem gelang es uns, einen weiteren GPCR, GPR18, näher zu charakterisieren, zu lokalisieren und seine Funktion zu beschreiben. Es handelt sich um einen neuen Cannabinoidrezeptor, dessen aktivierende Liganden auch für das humane Vaginalsekret beschrieben sind. Die im Rahmen des vorliegenden Antrags gefundenen wissenschaftlichen Ergebnisse des Vorkommens von olfaktorischen Rezeptoren in humanen Spermien eröffnen neue Möglichkeiten für die Anwendung in der Diagnostik, aber auch der klinischen Therapie. Diese neue Rezeptorfamilie, von denen bisher nur etwa 10 Prozent der in Spermien vorkommenden Rezeptoren genauer untersucht und teilweise funktional charakterisiert ist, wird für zukünftige Forschungsarbeiten und Folgeuntersuchungen noch viele Überraschungen bringen und die Bedeutung dieser wichtigen Rezeptoren für die Spermienphysiologie unterstreichen. Die Resonanz auf unsere Daten in diesem Bereich in den Medien und der Öffentlichkeit war sehr groß, wie man durch über 11000 Einträge bei Google (Spermien Hatt) erkennen kann.
Publications
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(2011) Chemosensory Ca2+ dynamics correlate with diverse behavioral phenotypes in human sperm. J. Biol. Chem. 286: 17311-25
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Veitinger S., Veitinger T., Cainarca S. Flügge D., Engelhardt CH., Lohmer S., Hatt H., Corazza S., Spehr J., Neuhaus E.M., Spehr M.
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(2013) Expression profile of ectopic olfactory receptors determined by deep sequencing. PLoS ONE 8, e55368
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(2013) Spermactivating odorous substances in human follicular fluid and vaginal secretion: Identification by gas chromatography-olfactometry and Ca2+ imaging. ChemPlusChem 78, 695-702
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