Physiological role of cation channels of <em>P. irradians</em> ciliary photoreceptors and human sperm

Abstract

Eukaryotic flagella and cilia are antenna-like cellular extrusions, shaped by microtubules and covered by a specialized extension of the plasma membrane. They serve several tasks, like light and olfactory sensation or cell motility and are, therefore, present in various cell types. To exert their function flagella and cilia use a specific set of ion channels and signaling molecules. I investigated the function of different ion channels in the physiology of ciliary photoreceptors of the bay scallop (<em>P. irradians</em>) and the flagellum of human sperm. <br /> Light stimulation of <em>P. irradians</em> ciliary photoreceptors induces a hyperpolarization of the cell membrane, presumably mediated by the opening of cGMP-dependent K⁺ selective channels. This stands in contrast to the well characterized light response of vertebrate rod and cone photoreceptors, where light stimulation induces a closure of cGMP-gated non-selective cation channels. I provided evidence that ERG, HCN and CNG channels are expressed in ciliary photoreceptors of <em>P. irradians</em>. Furthermore, I used caged cGMP and the patch-clamp technique to investigate ERG, HCN and CNG channels of ciliary photoreceptors of <em>P. irradians</em>. <br /> Like photoreceptors, the physiology of sperm flagella is based on the fine interplay of several ion channels. The intracellular Ca²⁺ concentration has been shown to orchestrate various sperm functions like the swimming behavior and the acrosome reaction. In human and mouse sperm, Ca²⁺ entry is mediated by the principal Ca²⁺ channel of sperm (CatSper), which is modulated by the intracellular pH and membrane voltage (V_m). In mouse sperm, V_m is predominantly controlled by the K⁺ channel Slo3. In contrast, the identity of the principal K⁺ channel of human sperm remains elusive. By patch-clamp recordings, I investigated the K⁺ currents mediated by human Slo3 (hSlo3) heterologously expressed in CHO cells and compared them to the K⁺ currents of human sperm (I_Ksper). My work showed striking similarities between hSlo3 carried-currents and human I_Ksper. I showed that hSlo3 currents are: activated by Ca²⁺, weakly enhanced by intracellular alkalization, and inhibited by progesterone in the micromolar range, which are properties remarkably similar to I_Ksper of human sperm.

Eukariotische Flagellen und Zilien sind antennenartige Strukturen, die von Mikrotubuli durchzogen und von einer spezialisierten Erweiterung der Plasmamembran überzogen sind. Sie erfüllen verschiedenste physiologische Rollen, beispielsweise in der Sinneswahrnehmung aber auch der Zellmotilität, und sind entsprechend in vielerlei Zelltypen zu finden. Um ihre Funktion zu erfüllen nutzen Zilien und Flagellen eine Reihe spezifischer Ionenkanäle und Signalmoleküle. Ich habe die Funktion verschiedener Ionenkanäle in ziliären Photorezeptoren der Bucht-Kammmuschel (<em>P. irradians</em>) sowie den Flagellen humaner Spermien untersucht.<br /> Die Stimulation mit Licht führt in den ziliären Photorezeptoren von <em>P. irradians</em> zu einer Hyperpolarisation der Plasmamembran, welche wahrscheinlich auf das Öffnen cGMP-gesteuerter K⁺-Kanäle zurückzuführen ist. Dies steht in direktem Kontrast zu dem gut charakterisierten Mechanismus der lichtinduzierten Hyperpolarisation in Stäbchen und Zapfen von Säugetieren, bei welchem die Hyperpolarisation durch das Schließen cGMP-abhängiger nichtselektiver Kationenkanäle hervorgerufen wird. In dieser Arbeit zeige ich, dass ERG-, HCN- sowie CNG-Kanäle in ziliären Photorezeptoren der Bucht-Kammmuschel exprimiert werden, welche ich mittels der Patch-Clamp Technik und caged cGMP im heterologen System untersucht habe.<br /> Neben Photorezeptoren basiert auch die Physiologie der Flagellen humaner Spermien auf einer Vielzahl von Ionenkanälen. Es wurde gezeigt, dass diverse Funktionen des Spermiums wie der Flagellenschlag oder die Akrosomreaktion, direkt von der intrazelluläre Kalziumkonzentration [Ca²⁺]i abhängen. In Spermien der Maus und des Menschen wird der Ca²⁺-Einstrom in die Zelle durch den CatSper-Kanal kontrolliert. Die Aktivität von CatSper hängt dabei direkt vom intrazellulären pH-Wert sowie der Membranspannung (V_m) ab. In Spermien der Maus wird V_m durch den K⁺-Kanal Slo3 reguliert, während in menschlichen Spermien unklar ist, welcher Kanal Vm maßgeblich bestimmt. Ich habe den humanen Slo3 Kanal heterolog in CHO-Zellen exprimiert und die von Slo3 getragenen Ströme mittels der Patch-Klamp Technik untersucht und mit den K⁺-Strömen menschlicher Spermien (I_Ksper) verglichen. Beide Ströme zeigen beeindruckend übereinstimmende Eigenschaften: Sie sind durch Ca²⁺ aktivierbar, unter intrazellulärer Alkalisierung leicht verstärkt und werden durch Progesteron in mikromolaren Konzentrationen ihibiert.