Tubulin-Glycilierung essentiell für Dynein-Aktivität in Spermien

07.01.2021

Ein wesentlicher Bestandteil aller eukaryotischen Zellen ist das Zytoskelett. Mikrotubuli, winzige Röhrchen, die aus einem Protein namens Tubulin bestehen, sind Teil dieses Zellskeletts. Zilien und Geißeln, antennenartige Strukturen, die aus den meisten Zellen unseres Körpers herausragen, enthalten viele Mikrotubuli. Ein Beispiel für eine Geißel ist der Spermienschwanz, der für die männliche Fruchtbarkeit und damit für die sexuelle Fortpflanzung unerlässlich ist. Die Geißel muss in einer sehr exakten und koordinierten Weise vorwärts schlagen, um das Fortbewegen der Spermien zu ermöglichen. Ist dies nicht der Fall, kann dies zu männlicher Unfruchtbarkeit führen.

Forscher aus Bonn, Dresden, Mailand und Paris, zeigten nun, dass eine bestimmte enzymatische Veränderung des Proteins Tubulin, die sog. Glycylierung, essenziell ist, damit Spermien in einer geraden Linie schwimmen können. Der Kern der Spermiengeißel besteht aus Mikrotubuli, die es zusammen mit Zehntausenden von winzigen molekularen Motoren, genannt Dyneine, ermöglichen, die Mikrotubuli rhythmisch zu biegen, um Wellen für die Bewegung und Steuerung zu erzeugen. Die Aktivität der Dynein-Motorproteine muss exakt koordiniert sein. Die Forscher fanden nun heraus, dass beim Fehlen der Tubulin-Modifikation die Bewegungsabläufe der Geißeln gestört sind, was dazu führt, dass die Spermien meist im Kreis schwimmen. Diese Ergebnisse lassen vermuten, dass eine Störung der Glycilierung einigen Fällen von männlicher Unfruchtbarkeit beim Menschen zugrunde liegen könnte.

Um herauszufinden, warum das Fehlen der Glycylierung zu einer gestörten Bewegung der Spermien führt, verwendete das Team Kryo-Elektronenmikroskopie, um die molekulare Struktur des Flagellums und seiner molekularen Motoren sichtbar zu machen. Die Analyse von mutierten Spermiengeißeln ergab, dass die Geißeln zwar korrekt aufgebaut waren, die Mutation aber die koordinierte Aktivität der axonalen Dyneine beeinträchtigte. Dies erklärt, warum Spermazellen in ihrer Schwimmbewegung beeinträchtigt sind.

 

Die Studie zeigt, wie wichtig die Glycylierung für die Steuerung der Dynein-Motoren des Flagellums ist. Sie ist ein Paradebeispiel dafür, wie Mikrotubuli-Modifikationen die Funktion anderer Proteine in Zellen direkt beeinflussen. So lierfern die Ergebnisse einen Beweis dafür, dass Mikrotubuli eine aktive Rolle bei der Regulierung grundlegender biologischer Prozesse spielen, ermöglicht durch einen Code von Tubulin-Modifikationen. Zudem zeigt die Studie einen neuen Mechanismus, der zu männlicher Unfruchtbarkeit führen kann.

 

Da die Spermiengeißeln nur eine von vielen Zilien-Arten im menschlichen Körper sind, vermuten die Forscher, dass eine ähnliche Tubulin-kodierte Regulation bei verschiedenen Zilien-bezogenen Funktionen wichtig ist. Daher ermöglicht die vorliegende Arbiet ein tieferes Verständnis verschiedener Krankheiten, wie Entwicklungsstörungen, Krebs, Nierenerkrankungen oder Atem- und Sehstörungen.

 

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https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/33414192/