Optogenetische Kontrolle von cAMP durch eine photoaktivierte Adenylatzyklase

Abstract

Optogenetik ist eine Methode, bei der lichtaktivierbare Proteine zur Manipulation zellulärer Funktionen verwendet werden. Häufig genutzt werden hierbei lichtaktivierbare Ionenkanäle und -pumpen, wie beispielsweise Channelrhodopsine, mit denen sich das Membranpotential einer Zelle kontrollieren lässt. Auch second messenger-gesteuerte Signalwege können mit Hilfe von Licht moduliert werden. Ein Beispiel hierfür ist die photoaktivierte Adenylatzyklase bPAC, die lichtabhängig den intrazellulären Botenstoff zyklisches Adenosin-3‘,5‘-monophosphat (cAMP) synthetisiert. In dieser Arbeit wurde bPAC sowohl <em>in vitro</em> als auch <em>in vivo</em> zur lichtabhängigen Kontrolle von cAMP eingesetzt. Es wurde unter anderem ein transgenes Mausmodell generiert, in dem bPAC ausschließlich in Spermien exprimiert wird. In Spermien wird cAMP durch die Aktivität der atypischen löslichen Adenylatzyklase SACY kontrolliert und reguliert essentielle Funktionen, wie die Spermienentwicklung und -reifung, sowie die Motilität. Die Belichtung von bPAC-transgenen Spermien erhöhte die intrazelluläre cAMP-Konzentration und führte zu einer Beschleunigung des Flagellenschlags. Der genetische knockout (KO) eines funktionellen Komplexes aus SACY und dem spermienspezifischen Na+/H+-Austauscher sNHE führt dazu, dass die endogene cAMP-Synthese fehlt. Ohne cAMP sind die Spermien unbeweglich, was die Infertilität der sNHE KO-Männchen zur Folge hat. Durch Einkreuzen des bPAC-Transgens konnte in dem doppelt-transgenen Mausmodell bPAC/sNHE-KO durch Lichtstimulation nicht nur die cAMP-Synthese und damit die Motilität der Spermien sondern auch die Fertilität wiederhergestellt werden. Diese Ergebnisse zeigen, dass mit Hilfe von Optogenetik cAMP-abhängige Signalwege im Detail untersucht und wichtige biologische Prozesse wie die Befruchtung durch Licht gesteuert werden können.