Bevor ein Spermium die Fähigkeit zur Befruchtung erlangt, muss es innerhalb des weib­lichen Genitaltraktes verschiedene strukturelle und physiologische Veränderungen durchmachen. Relativ wenig definitive Befunde liegen über den Prozess der Kapazitation vor. Hingegen sind in den letzten Jahren erhebliche Fortschritte bei der Aufklärung der akrosomalen Reaktion gemacht worden. Insbesondere die Rolle des Progesterons bei Oberflächenreaktionen auf menschlichen Spermatozoen konnte in zahlreichen Einzelheiten geklärt werden.


Auslösung der akrosomalen Reaktion mit Progesteron

Bei der akrosomalen Reaktion verschmilzt die äußere Akrosomenmembran mit der darüber liegenden Plasmamembran. Als primärer Auslöser der Akrosomalen Reaktion wird allgemein der Kontakt des Spermiums mit der Zona pellucida angesehen. Im Zusammenwirken mit der Zona pellucida gilt Progesteron als sekundärer Auslöser der akrosomalen Reaktion. Die Sensitivität von Spermien gegenüber Progesteron ist allerdings so groß, dass die akrosomale Reaktion in zahlreichen Spermien verfrüht ausgelöst wird, und deren Fähigkeit zur Befruchtung dadurch beeinträchtigt ist [1].

Schematische Darstellung der Akrosomenreaktion: a) Spermium im Schnittbild vor der Akrosomenreaktion: Die äußere Zellmembran und die akrosomalen Membranen sind intakt (der Kopfbereich des Spermiums wird untergliedert in einen akrosomalen und einen postakrosomalen Bereich); b) Beginnende Akrosomenreaktion: Multiple Fusionen zwischen der Zellmembran und der äußeren Akrosomenmembran führen zu Öffnungen im Akrosom und lassen die akrosomalen Inhaltsstoffe entweichen; c) und d) Die akrosomale Reaktion ist abgeschlossen. Reste der vesikulierten Membran werden teilweise noch durch einen klebrigen Molekularverbund zusammengehalten. Durch die lebhafte Vorwärtsbewegung der Spermien werden jedoch diese Reste schnell zurückgelassen (nach Yanagimachi R 1981: Mechanisms of fertilization in mammals. In: Mastroianni L, Biggers JD (eds): Fertilization and Embryonic Development in vitro, pp. 81-182, Plenum Press, New York-London).

Progesteron wird von der Oozyte und von Cumulus-oophorus-Zellen sezerniert und erreicht in der Umgebung der Oozyte eine mikromolekulare Konzentration. Die Rolle von Progesteron als Agonist der akrosomalen Reaktion beruht auf der Interaktion mit Rezeptoren in bzw. auf der Plasmamembran von Spermien. Die durch Progesteron aktivierten Rezeptoren bewirken eine Erhöhung der intrazellulären Kalziumkonzentration [Ca²⁺]_i. Hierbei handelt es sich um eine nicht-genomische Steroid-induzierte Reaktion. Die Erhöhung der [Ca²⁺]_i ist ein biphasisches Ereignis, bei dem auf einen kurzzeitigen [Ca²⁺]_i-Anstieg eine lang gezogene Erhöhung der [Ca²⁺]_i auf niedrigerem Niveau folgt. Beide Phasen sind von Progesteron abhängig [2].

Zur Aufklärung von Reaktionswegen werden verschiedentlich Spinnengifte wie das der chilenischen Schwarzen Witwe (Latrodectus mactans) eingesetzt. Mit diesem Arachnotoxin lässt sich [Ca²⁺]_i in menschlichen Spermien anheben. Anschließend lässt sich [Ca²⁺]_i in denselben Spermien noch mit Progesteron anheben. Umgekehrt bleibt der Effekt mit Arachnotoxin aus, wenn zuvor mit Progesteron behandelt wurde. Parallel zur Anhebung der [Ca²⁺]_i mit Arachnotoxin kommt es zu einem pH-Abfall. Im Gegensatz dazu induziert Progesteron einen pH-Anstieg. Hierdurch werden durch Progesteron offenbar – anders als mit Arachnotoxin – innere Kalziumspeicher entleert [3].

Wenn Progesteron als Auslöser bzw. als Mitauslöser der akrosomalen Reaktion fungiert, müssen der Verlust des Akrosoms und die Freisetzung seines Inhalts innerhalb des weiblichen Genitaltraktes zeitlich und räumlich koordiniert ablaufen. In diesem Zusammenhang wurden mittels Fluoreszenzmikroskopie der akrosomale Status in Verbindung mit der [Ca²⁺]_i in einzelnen lebenden menschlichen Spermien bestimmt. Die Erhöhung der [Ca²⁺]_i verläuft in verschiedenen Spermien sehr unterschiedlich. Ferner hängt die Wahrscheinlichkeit, dass bei einem Spermium die akrosomale Reaktion ausgelöst wird, nicht von der [Ca²⁺]_i-Amplitude ab. Das steht im Einklang mit der Ansicht, dass verschiedene Faktoren – wie z.B. der Phosphorylierungsstatus von Tyrosin – die akrosomale Reaktion verhindern, auch wenn [Ca²⁺]_i erhöht ist. Vermutlich bedarf es des unmittelbaren, vorübergehenden Anstiegs von [Ca²⁺]_i, um die akrosomale Reaktion in Gang zu setzen. Durch Stoppen der akrosomalen Reaktion in vitro, indem Ca²⁺ in der Umgebung der Spermien durch einen Chelatbildner (EGTA) komplexiert wird, ließ sich ermitteln, dass das Maximum der akrosomalen Reaktion unmittelbar nach der Progesteron-Stimulation während des vorübergehenden Ca²⁺-Einstoms und nicht später während der anhaltenden Erhöhung der [Ca²⁺]_i stattfindet [4].

[1] Harper CV, Publicover SJ. 2005. Reassessing the role of progesterone in fertilization – compartmentalized calcium signalling in human spermatozoa? Hum Reprod 20:2675-2680.
[2] Kirkman-Brown JC, Bray C, Stewart PM, et al. 2000. Biphasic elevation of [Ca²⁺]_iin individual human spermatozoa exposed to progesterone. Dev Biol 222:326-335.
[3] Romero F, Cunha MA, Sanchez R, et al. 2007. Effects of arachnotoxin on intracellular pH and calcium in human spermatozoa. Fertil Steril 87:1345-1349.
[4] Harper CV, Barratt CLR, Publicover SJ, Kirkman-Brown JC. 2006. Kinetics of progesterone-induced acrosome reaction and its relation to intracellular calcium responses in individual human spermatozoa. Biol Reprod 75:933-939.

Oktober 2007

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Autor: jfs