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News: Spermium sucht Eizelle

Wie finden die Samenfäden eines Seeigels in den Weiten des Ozeans das Seeigel-Ei? Wie das Spermium zur weiblichen Keimzelle findet, ist ein grundlegendes Problem der Fortpflanzungsbiologie - nicht nur bei Seeigeln, sondern auch beim Menschen. Die Eizellen der Seeigel geben Substanzen ins Meerwasser ab, die es den Spermien ermöglichen, ihr Ziel zu 'riechen'. Biologen nennen den so gesteuerten Orientierungsprozeß 'Chemotaxis'. Wissenschaftler konnten jetzt die an diesem Mechanismus beteiligten Ionenkanäle enträtseln.
Die Arbeitsgruppe des Instituts für Biologische Informationsverarbeitung am Forschungszentrum Jülich suchte in Seeigel-Spermien nach den Mechanismen, wie die von den Eizellen ausgesandten chemischen Signale empfangen werden und wie das Schwimmverhalten des Spermiums beeinflußt wird. Sie kamen dabei zu Ergebnissen, die durchaus nicht nur für Spezialisten interessant sind: Neue Medikamente für Herzkranke, vielleicht auch bessere Schmerzmittel oder nebenwirkungsarme Schlaftabletten – all das sieht der Leiter der Forschungsarbeiten, Professor U. Benjamin Kaupp, durch die am 11. Juni 1998 im Wissenschaftsmagazin Nature publizierten Befunde näher gerückt.

Die Samenfäden der Seeigel kommunizieren – wie viele andere Zellen auch – mit ihrer Umgebung durch sogenannte Ionenkanäle. Das Ein- oder Ausströmen geladener Teilchen (Ionen) bestimmt zu großen Teilen das Verhalten dieser Zellen. Nicht als einfache Löcher in der Membran hat man sich solche Öffnungen vorzustellen, sondern eher als sorgfältig regulierte Schleusen. Komplizierte molekulare Schalter bestimmen, welche Ionen unter welchen Bedingungen hinein und hinaus dürfen.

Während viele der Funktions-Mechanismen von Ionenkanälen in den letzten Jahren aufgeklärt wurden, gab ein Typ von Kanälen den Forschern bislang Rätsel auf. Er benimmt sich einfach anders als die anderen und wurde daher in der Fachliteratur kurzerhand als "queer" oder "funny", also als "seltsamer" oder "komischer" Ionenkanal bezeichnet.

Die Spannung zwischen der negativ geladenen Innen- und der positiv geladenen Außenseite der Zellmembran bestimmt bei vielen Ionenkanälen den Öffnungszustand ("voltage gated channels"). Doch während gewöhnliche Kanäle sich öffnen, wenn die Spannung sinkt – bei der sogenannten "Depolarisation" – ist der "seltsame" Kanal erst durchlässig, wenn die Spannung steigt. Die Wissenschaftler sprechen dann von Hyperpolarisation. Sie nennen diesen Ionenstrom daher auch Ih (I steht für Strom, h für Hyperpolarisation). Obwohl der Kanal seit langem durch sein eigenartiges Verhalten auffiel – richtig zu "fassen" bekam ihn bisher niemand. Doch nun hat die Arbeitsgruppe von Kaupp den Außenseiter "dingfest" gemacht: Sie fand bei der Untersuchung der Seeigel-Spermien das Gen für diesen lonenkanal. Mit molekularbiologischen Methoden veranlaßten die Jülicher Wissenschaftler andere Zellen dazu, das Kanalmolekül in großen Mengen zu produzieren und konnten es damit erstmals genau untersuchen. Dabei stellten sie fest: Der ungewöhnliche Ionenkanal verfügt, wie andere spannungsempfindliche Kanäle auch, über eine Art Fühler aus positiv geladenen Aminosäuren in der Zellmembran. Diese ändern bei Spannungsänderungen ihre Lage und öffnen so die Schleuse. Außerdem kann aber auch ein bestimmtes – als cAMP bezeichnetes – Signalmolekül den Ionenkanal öffnen. Hierin ähnelt der Ih-Kanal einer anderen, längst bekannten Klasse von Kanälen, die ausschließlich über solche chemischen Signale geöffnet werden. Der Ih-Kanal ist also eine Chimäre aus zwei bereits bekannten Kanaltypen.

Zusammenfassend beschreibt Kaupp den von seiner Arbeitsgruppe analysierten Ionenkanal so: "Er wird durch steigende negative Spannung aktiviert und zusätzlich durch Signalmoleküle beeinflußt. Der Kanal läßt bevorzugt Kalium-Ionen passieren. Es können jedoch auch Natrium-lonen durch ihn in die Zelle gelangen, allerdings nur, wenn außerhalb der Zelle Kalium vorhanden ist. Durch Cäsium dagegen wird der Strom vollständig blockiert. Damit verhält sich dieses Molekül genau so, wie es für den seit langem gesuchten seltsamen Ionenkanal zu erwarten war."

Der ungewöhnliche Kanal fungiert in vielen Zellen als Takt-Geber. Er läßt, wenn die Spannung eine bestimmte Schwelle überschreitet, Ionen einströmen: Die Spannung sinkt, wodurch sich der Ih-Kanal wieder schließt. Anschließend steigt die Spannung in der Zelle erneut an, und das Spiel beginnt von vorn. Solche Takte spielen bei vielen Prozessen im Körper eine entscheidende Rolle, so bei der Regulierung des Herzschlags, bei Nervenzellen, die den Schlaf-Wach-Rhythmus bestimmen, oder bei der Weiterleitung von Schmerzsignalen. Tatsächlich finden sich in Herz- und Nervenzellen Moleküle, die dem Ih-Kanal des Seeigels sehr ähnlich sind.

Da der Ih-Kanal nun isoliert wurde, können seine Eigenschaften erstmals genau untersucht werden. Für die Wissenschaftler ist dabei die wechselseitige Beeinflussung von elektrischen und chemischen Signalen besonders interessant. Auch die Wirkung von Arzneimitteln läßt sich nun genauer untersuchen. So ist seit einigen Jahren bekannt, daß bestimmte chemische Substanzen den Ih-Strom beeinflussen. Als Medikamente sind sie jedoch bisher nicht einsetzbar, da sie zu große Nebenwirkungen besitzen. Am isolierten Ih-Kanal wird sich nun klären lassen, wie solche Pharmaka auf molekularer Ebene wirken. Gelingt es, weitere Substanzen zu finden, die den vom Ih-Kanal bestimmten Rhythmus beschleunigen oder bremsen, kann dies wichtige Impulse für die Arzneimittelforschung geben. Schlafstörungen, so Kaupp, sind vielleicht zu beheben, wenn die hierfür zuständigen Zellen im Zwischenhirn in den richtigen Takt gebracht werden. Auch für die Schmerztherapie könnte es nützlich sein, die elektrische Aktivität bestimmter Nervenzellen zu verändern. Welche Bedeutung der seltsame Ionenkanal im Seeigel-Spermium hat, ist damit immer noch nicht geklärt. Doch die zunächst wenig anwendungsorientierte Beschäftigung mit einem grundlegenden biologischen Problem brachte die Forscher hier unvermutet auf eine heiße Fährte.

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