Was Seeigel- und Lachsspermien zum Schwimmen bringt

(openPR) • pH-Wert steuert Bewegung: In Seeigel- und Lachs-Spermien reguliert der pH-Wert, ob sie schlapp bleiben oder schwimmen.

• Ein Enzym als pH-Sensor: Ein steigender pH-Wert aktiviert die lösliche Adenylylzyklase (sAC) in Seeigel und Fisch. Diese produziert den Botenstoff cAMP, der für die Bewegung der Spermien unerlässlich ist.

• Universeller Mechanismus: Die Regulation der cAMP-Konzentration über den pH-Sensor sAC könnte in marinen wirbellosen Organismen und Fischen weit verbreitet sein.

• Auswirkung auf die Reproduktion: Da Seen und Meere durch den Klimawandel und den damit einhergehenden steigenden Kohlendioxidgehalt versauern, wirkt sich dies auf die Fortpflanzung vieler mariner Organismen möglicherweise negativ aus.

Damit Spermien nach der Ejakulation ihren Weg zur Eizelle finden, braucht es ein ganzes Arsenal an molekularen Signalen. Eine zentrale Rolle dabei spielt ein kleiner zellulärer Botenstoff namens cAMP – ohne ihn bleiben Spermien buchstäblich auf der Strecke.

cAMP lässt den Schwanz der Spermien, ähnlich wie der Beinschlag beim Schwimmen, rhythmisch schlagen und treibt sie so voran. Der Schwanz dient aber nicht nur als Motor, sondern auch als Ruder, das die Schwimmrichtung kontrolliert. Ihren Weg zur Eizelle finden Spermien über Lockstoffe, die sie mithilfe spezieller Sensoren, sogenannten Rezeptoren, auf dem Schwanz, „erspüren“. Fehlt cAMP, können sich Spermien nicht fortbewegen, was beim Menschen und bei Tieren zu Unfruchtbarkeit führt.

Universeller Mechanismus oder Besonderheit?

In Spermien wird cAMP von einem Enzym namens lösliche Adenylylzyklase (sAC, für Englisch: soluble adenylyl cyclase) produziert. Bei Säugetieren einschließlich des Menschen wird die sAC durch hohe Hydrogencarbonat (HCO3-)-Konzentrationen im Samen und im Eileiter aktiviert. Die bisher vorherrschende Annahme war, dass dieser Mechanismus im Tierreich – von der Koralle bis zum Menschen – universell ist. Doch die Enzymaktivierung durch Hydrogencarbonat könnte eher eine Besonderheit für Säugetiere sein, wie Forschende um Benjamin Kaupp und Olivia Kendall nun in Studien an Seeigeln und Fischen herausfanden.

pH-Wert als Regulator

Seeigel sind stachelige wirbellose Tiere, die auf dem Meeresboden leben. Sie vermehren sich geschlechtlich, indem sie Sperma und Eier in das offene Wasser abgeben – ein Vorgang, der als Massenlaichen bekannt ist. „In Seeigel-Spermien und generell bei marinen Organismen mit externer Befruchtung, wie zum Beispiel Fischen, ist die sAC-Regulierung durch Hydrogencarbonat kaum plausibel, weil die Konzentration im Meerwasser bis zu zehnmal niedriger ist als in Säugetier-Sperma“, erklärt Kaupp, der als Emeritus-Direktor am Max-Planck-Institut (MPI) für Multidisziplinäre Naturwissenschaften und als Seniorprofessor an der Universität Bonn forscht. „Die Frage für uns war deshalb: Wenn nicht Hydrogencarbonat die sAC reguliert und den Anstieg der cAMP-Konzentration auslöst, was dann?“

Wie Kaupp und Kendall in Zusammenarbeit mit Forschenden am Centrum für Reproduktionsmedizin und Andrologie der Universität Münster, der Technischen Universität Berlin und am MPI für Neurobiologie des Verhaltens in Bonn entdeckten, ist sAC in Seeigel-Spermien ein pH-Sensor: Das Enzym wird direkt durch den pH-Wert gesteuert.

Fittere Spermien durch höheren pH-Wert

„Im Hoden sind Spermien völlig unbeweglich. Mobil werden sie erst nach der Ejakulation. Zunächst steigt der pH-Wert an und das Milieu in den Spermien wird alkalisch. Dadurch wird die sAC aktiviert und die cAMP-Konzentration nimmt zu. Lockstoffe, die den Weg zum Ei weisen, lösen ein zweites Ansteigen des pH-Werts, eine weitere Aktivierung der sAC und einen erneuten Anstieg der cAMP-Konzentration aus“, berichtet Olivia Kendall, Doktorandin von der Universität Bonn und Erstautorin der jetzt im Fachmagazin PNAS erschienenen Arbeit.

cAMP erfüllt zwei zentrale Aufgaben

Die neuen Ergebnisse des Teams um Kaupp unterstreichen, wie wichtig der cAMP-Botenstoff in lebenden Organismen ist. In früheren Arbeiten hatte Kaupps Gruppe an Seeigel-Spermien bereits gezeigt, dass cAMP sogenannte Schrittmacher-Ionenkanäle aktiviert. Diese Kanäle sind im Tierreich weit verbreitet und kommen in vielen Organismen vor. Beim Menschen steuern sie beispielsweise rhythmische Ereignisse wie die regelmäßige elektrische Erregung des Herzens beim Menschen. Die Schrittmacher-Ionenkanäle „takten“ aber auch die rhythmische Schwimmbewegung der Spermien. Gesteuert wird dies über das Auf und Ab der Konzentration von Lockstoffen. So finden Spermien über Chemotaxis ihren Weg zur Eizelle. „Wenn man unsere jetzigen und früheren Ergebnisse zusammenfasst, erfüllt cAMP zwei zentrale Aufgaben: Es initiiert Bewegung und ist ein wichtiges Molekül des chemotaktischen Signalwegs“, erläutert Kaupp.

sAC auch in Fischen pH-Sensor

Dass sAC als pH-Sensor fungiert, ist nicht auf Seeigel beschränkt, wie die Forschenden in Versuchen mit Fischen zeigten. Auch bei Lachsen lässt ein höherer pH-Wert den cAMP-Spiegel ansteigen. Wie das Team ferner nachwies, fehlen der sAC aus Seeigel und Lachs zwei entscheidende Aminosäuren des Säugetier-Enzyms, die die Reaktion auf Hydrogencarbonat vermitteln. Die Ergebnisse legen nahe, dass die pH-Wert-Regulation in marinen wirbellosen Tieren und Fischen weit verbreitet ist.
Aber warum gibt es in der Natur zwei so grundsätzlich unterschiedliche Regulationsmechanismen? Der Schlüssel dazu ist der niedrige Hydrogencarbonatgehalt im Wasser. „Die sAC-Regulierung durch den pH-Wert oder durch Hydrogencarbonat stellt eine Anpassung an Umgebungen mit entweder niedrigem oder hohem Hydrogencarbonatgehalt dar“, so Kai Korsching, eine ehemalige Doktorandin in Kaupps Team, die jetzt an der Universität Münster arbeitet.

Fortpflanzung gefährdet?

Die neuen Erkenntnisse der Studie sind auch in Hinblick auf die Klimakrise relevant. Weil die sAC bei marinen Organismen vom pH-Wert gesteuert wird, könnte der Klimawandel ihnen schaden. „Dass Seen und Meere infolge des Klimawandels und des steigenden Kohlendioxid-Gehalts in der Luft versauern, beeinträchtigt möglicherweise den Fortpflanzungserfolg dieser Arten“, so Kendall.

wissenschaftliche Ansprechpartner:
Prof. Dr. U. Benjamin Kaupp
Emeritusgruppe Biophysik der zellulären Signalwandlung
Max-Planck-Institut für Multidisziplinäre Naturwissenschaften, Göttingen
E-Mail:

Originalpublikation:
Kendall, O.; Hoang, O.T.; Wort, J.L.; Hamzeh, H.; Körschen, H.G.; Pascal, R.; Korsching, K.; Wu-Lu, M.; Bönigk, W.; Kambach, C.; Alvarez, L.; Seifert, R.; Strünker, T.; Mroginski, M.A.; Kaupp, U.B.: Soluble adenylyl cyclase in nonmammalian sperm is directly controlled by pH, not by HCO3- or Ca2+. Proc Natl Acad Sci USA, 123, e2505026123 (2026).
https://doi.org/10.1073/pnas.2505026123