Organization and function of signaling molecules in sperm

Abstract

Successful fertilization depends on the ability of sperm to locate the egg. Sperm from different species rely on diverse signaling components to gather chemical and physical cues and transduce them into a behavioral swimming response. External fertilizers like the sea urchin <em>Arbacia punctulata</em> release their gametes into the sea water, where the sperm have to find the egg. Here, the oocyte secretes a chemoattractant – a small peptide called resact. Resact binds to chemoreceptor on sperm flagella, causing an elevation in the intracellular cGMP concentration, which results in a sequence of events that ends with Ca²⁺ influx. [Ca²⁺]i modulates sperm flagellar movement, thereby allowing sperm to adjust their swimming direction up the concentration gradient and towards the egg in a process called chemotaxis. <em>A. punctulata</em> sperm are able to register the binding of a single resact molecule; however, the mechanism underlying single-molecule sensitivity and the ensuing cGMP homeostasis are not well understood. Therefore, I first established an <em>in vivo </em>assay to measure cGMP dynamics using <em>reverse opto-chemical engineering</em> (ROCE). My results provide insights into the molecular mechanism how sperm transduce a periodic change in chemoattractant concentration into a periodic change in the asymmetry of the flagellar beat. I also used ROCE to study the single-molecule response in sperm and provide a quantitative description of the molecular events underlying the single-molecule sensitivity in sperm. Moreover, the supra-molecular arrangement of the signaling cascade controlling sperm behavior in sea urchin and mammalian sperm are not known. Therefore, I developed a new labeling strategy to tag the chemoreceptor in sea urchin sperm to elucidate its supra-molecular organization. In mammals, and in particular in human sperm, the “chemoreceptor” is CatSper, the principal Ca²⁺ channel controlling sperm motility. Using <em>super-resolution microscopy</em>, I unraveled the quadrilateral arrangement of CatSper in mouse and in human sperm.<br /> Before sperm are mature and able to navigate their way to the egg, they have to develop from a round cell into an elongated cell with a head and a tail during spermatogenesis. The non-lysosomal glucosylceramidase GBA2 degrades glucosylceramide (GlcCer) to glucose and ceramide. Lack of GBA2 results in a condition called globozoospermia - manifested with severe morphological defects in mouse sperm. GlcCer accumulation in the absence of GBA2 and the subsequent dysregulation of cytoskeletal dynamics is thought to underlie the defects in sperm shaping during spermatogenesis. I established methods to study the effect of lipid environments on cytoskeletal dynamics to reveal the physiological function of GBA2 during sperm development. My results suggest a novel role for GlcCer as a key regulator for cytoskeletal dynamics during sperm development.

Um die Eizelle zu befruchten, müssen die Spermien die Eizelle zunächst lokalisieren. Dabei helfen ihnen unterschiedliche chemische oder physikalische Signale auf dem Weg zur Eizelle, die dann das Schwimmverhalten der Spermien steuern. Externe Befruchter, wie z.B. der Seeigel <em>Arbacia punctulata</em>, geben ihre Ei- und Samenzellen in das Seewasser ab, worauf die Spermien den Weg zur Eizelle finden müssen. Um die Spermien auf ihrem Weg zu leiten, sekretiert die Eizelle ein kleines Peptid (resact), welches als Lockstoff für die Spermien dient. Die Spermien schwimmen stets auf höhere Resactkonzentrationen zu. Dieses Verhalten bezeichnet man als Chemotaxis. Resact bindet an einen Rezeptor auf dem Flagellum der Spermien, was zu einer Erhöhung der intrazellulären cGMP-Konzentration führt. cGMP steht am Anfang einer Signalkaskade, die schließlich zu einem Ca²⁺-Einstrom und damit zu einer Änderung des Schwimmverhaltens führt. . Spermien von <em>Arbacia punctulata</em> sind in der Lage einzelne Resactmoleküle zu detektieren. Der molekulare Mechanismus, der sowohl der Einzelmolekülsensivität als auch der cGMP-Homöostase zugrunde liegt, ist nur unzureichend verstanden. Daher habe ich ein <em>in vivo</em> Verfahren entwickelt, mit dem es möglich ist, den zeitlichen Verlauf der cGMP-Konzentration während der Resactdetektion nachzustellen. Diesem liegt das sogenannte <em>reverse opto-chemical engineering</em> (ROCE) zugrunde. Meine Ergebnisse liefern quantitative Einblicke in die molekularen Mechanismen, mit der Spermien periodische Änderungen der Lockstoffkonzentration in Änderungen der intrazellulären Ca²⁺-Konzentration und schließlich des Schwimmverhalten umsetzen. Des Weiteren ist die supramolekulare Anordnung der Signalkomponenten, die das Schwimmverhalten von Seeigel- sowie Säugetierspermien kontrollieren, weitgehend unbekannt. Daher habe ich eine Strategie entwickelt, den Resactrezeptor in Seeigelspermien zu markieren und so die supramolekulare Organisation zu untersuchen. In Säugetierspermienist der der Ca²⁺-Kanal CatSper verantwortlich für den Ca²⁺-Einstrom und steuert so das Schwimmverhalten. Mit Hilfe der <em>super-resolution-microscopy</em> konnte ich zeigen, dass CatSper bei Mäusen und beim Menschen in vier Reihen entlang des Flagellums angeordnet ist.<br /> Während der Spermatogenese entwickeln sich Spermien mit Kopf und Schwanz aus runden Vorläuferzellen. Die nicht-lysosomale Glycosylceramidase GBA2 spaltet Glycosylceramid (GlcCer) zu Glukose und Ceramid. Ein erhöhte zelluläre GBA2-Konzentration führt zu <em>Globozospermie</em>,einem schwerwiegenden morphologischen Defekt in Mäusespermien. Wir konnten zeigen, dass diesen Defekten eine Fehlregulierung der zytoskelettalen Dynamiken zugrunde liegt, bedingt durch die Anreicherung von GlcCer in der Zelle. In meiner Arbeit habe ich neue Methoden entwickelt, die ermöglichen, den Einfluss der Lipidumgebung auf die Dynamik des Zytoskellets zu untersuchen und somit die physiologische Rolle von GBA2 in der Spermatogenese zu studieren.