The voltage-gated H⁺ channel Hv1 and the plasma-membrane Ca²⁺ ATPase PMCA4 in human sperm

Abstract

The intracellular Ca<strong>²⁺</strong>concentration ([Ca<strong>²⁺</strong>]_i) coordinates several sperm functions required for fertilization. In particular, Ca<strong>²⁺</strong> controls the beat of the flagellum and, thereby, the swimming behavior. In humans, the sperm-specific Ca<strong>²⁺</strong> channel CatSper (<u>cat</u>ion channel of <u>sper</u>m) represents the principal pathway for Ca<strong>²⁺</strong> entry into the flagellum. In general, CatSper is activated at depolarized membrane potentials (V_m) and at alkaline intracellular pH (pHi). Moreover, hormones in the oviduct such as progesterone and prostaglandins directly activate CatSper and,<br /> thereby, control sperm motility. The mechanism(s) that oppose Ca<strong>²⁺</strong> influx via CatSper and restore Ca<strong>²⁺</strong> levels during recovery from stimulation are unknown. Furthermore, the voltage-gated H<strong>⁺</strong> channel HV1 is functionally expressed in human sperm, and Hv1 has been proposed to control pHi and, thereby, CatSper. There is however no experimental evidence supporting the hypothesis that Hv1 is key for human sperm function.<br /> Here, the role of Na/Ca<strong>²⁺</strong> exchange and plasma membrane Ca<strong>²⁺</strong> ATPases (PMCA) for Ca<strong>²⁺</strong> extrusion in human sperm was investigated. I demonstrate that PMCA4 rather than Na<strong>⁺</strong>/Ca<strong>²⁺</strong> exchange represents the predominant route of Ca<strong>²⁺</strong> extrusion in human sperm. The localization of PMCA4 in the mid piece of the flagellum suggests that PMCA4 acts as a “gatekeeper” for Ca<strong>²⁺</strong> diffusion from the flagellum into the head. Moreover, the expression and role of Hv1 in human sperm was studied. The experiments reveal that the pHi of human sperm is not controlled by Hv1. Remarkably, a sperm-specific truncated Hv1 isoform was identified (termed HvSper) that acivates faster and at more negative voltages than Hv1; in sperm, Hv1 and HvSper might assemble into heterodimers that share properties of both isoforms. However, the role of Hv1 and HvSper as well as the mechanism(s) regulating piH_i in human sperm remain elusive.

Verschiedene für die Fertilisation essentielle Funktionen humaner Spermien werden von der intrazellulären Ca<strong>²⁺</strong> Konzentration ([Ca<strong>²⁺</strong>]) kontrolliert. Ca<strong>²⁺</strong> reguliert beispielweise den Schlag des Flagellums und somit das Schwimmverhalten. In menschlichen Spermien wird der Ca<strong>²⁺</strong> Einstrom in das Flagellum durch den Spermien-spezifische Ca<strong>²⁺</strong> Kanal CatSper (<u>cat</u>ion channel of <u>sper</u>m) vermittelt. CatSper öffnet bei depolarisierten Membranpotentialen (V_m) und alkalischem intrazellulärem pH (pHi). Darüber hinaus aktivieren im Ovidukt vorkommende Hormone wie Progesteron und Prostaglandine CatSper direkt und kontrollieren so die Spermienmotilität. Mechanismen, die dem CatSper vermittelten Ca<strong>²⁺</strong>-Einstrom entgegenwirken und so das basale Ca<strong>²⁺</strong> Niveau wiederherstellen sind bislang unbekannt. Darüber hinaus soll der spannungsabhängige H<strong>⁺</strong> Kanal Hv1, welcher funktional in humanen Spermien exprimiert ist, den pHi und somit CatSper kontrollieren. Für die Hypothese, Hv1 sei essentiell für die Funktion humaner Spermien, gibt es jedoch keinerlei experimentellen Nachweis.<br /> In dieser Arbeit wurde untersucht, welche Rolle Na<strong>⁺</strong>/Ca<strong>²⁺</strong> Austauscher sowie Plasmamembran Ca<strong>²⁺</strong> ATPasen (PMCA) bei der Beförderung von Ca<strong>²⁺</strong> aus der Spermienzelle spielen. Ich konnte zeigen, dass in humanen Spermien keine Na+/Ca<strong>²⁺</strong> Austauscher sondern die PMCA4 für den Transport von Ca<strong>²⁺</strong> aus der Zelle verantwortlich ist. Die Lokalisierung der PMCA4 im “midpiece“ legt nahe, dass die PMCA4 für die Diffusion von Ca<strong>²⁺</strong> aus dem Flagellum in den Kopf des Spermiums als eine Art “gatekeeper“ fungiert. Des Weiteren wurde die Expression und Funktion von Hv1 in humanen Spermien untersucht. Die Experimente zeigten, dass der pHi humaner Spermien nicht von Hv1 kontrolliert wird. Es wurde jedoch eine Spermien-spezifische, trunkierte Hv1 Isoform entdeckt (genannt HvSper), welche schneller und bei niedrigeren Membranspannungen aktiviert als Hv1; möglicherweise bilden Hv1 und HvSper in humanen Spermien Heterodimere, welche Eigenschaften beider Isoformen vereinen. Die Rolle von Hv1 und HvSper, ebenso wie die Mechanismen die den pH_i humaner Spermien regulieren, bleiben hingegen offen.