Neu entdeckter molekularer „Schalter“ steigert die Leistungsfähigkeit der Spermien und könnte die Verhütung für Männer revolutionieren

Forscher der Michigan State University haben einen molekularen „Schalter“ identifiziert, der die Energie der Spermien kurz vor dem Versuch, eine Eizelle zu befruchten, erhöht. Diese Entdeckung könnte die Behandlung von Unfruchtbarkeit verbessern und die Entwicklung sicherer, nicht-hormoneller Verhütungsmethoden für Männer unterstützen.

Auf den Spuren des Treibstoffs, der die Befruchtung antreibt

„Der Stoffwechsel von Spermien ist etwas Besonderes, da er sich ausschließlich darauf konzentriert, mehr Energie zu erzeugen, um ein einziges Ziel zu erreichen: die Befruchtung“, sagte Melanie Balbach, Assistenzprofessorin am Institut für Biochemie und Molekularbiologie und leitende Autorin der Studie. Vor der Ejakulation befinden sich die Spermien von Säugetieren in einem Zustand niedriger Energie. Sobald sie sich im weiblichen Fortpflanzungstrakt befinden, verwandeln sie sich schnell. Sie beginnen, kräftiger zu schwimmen und passen die äußeren Membranen an, die schließlich mit der Eizelle interagieren werden. Diese Veränderungen erfordern einen plötzlichen und signifikanten Anstieg der Energieproduktion. „Viele Zelltypen durchlaufen diesen schnellen Wechsel von einem Zustand niedriger zu einem Zustand hoher Energie, und Spermien sind ideal, um solche metabolischen Umprogrammierungen zu untersuchen“, sagte Balbach. Sie kam 2023 an die MSU, um ihre Pionierarbeit zum Spermienstoffwechsel auszuweiten.

Zu Beginn ihrer Karriere an der Weill Cornell Medicine half Balbach dabei, nachzuweisen, dass die Blockierung eines wichtigen Spermienenzyms bei Mäusen zu vorübergehender Unfruchtbarkeit führte. Diese Entdeckung machte die Möglichkeit einer nicht-hormonellen Verhütungsmethode für Männer deutlich. Obwohl Wissenschaftler wussten, dass Spermien große Mengen an Energie benötigen, um sich auf die Befruchtung vorzubereiten, war der genaue Mechanismus hinter diesem Anstieg bisher unklar.

In Zusammenarbeit mit Kollegen vom Memorial Sloan Kettering Cancer Center und dem Van Andel Institute entwickelte Balbachs Team eine Methode, um zu verfolgen, wie Spermien Glukose verarbeiten, einen Zucker, den sie aus ihrer Umgebung aufnehmen und als Brennstoff nutzen. Durch die Kartierung des chemischen Weges der Glukose innerhalb der Zelle konnten die Forscher deutliche Unterschiede zwischen inaktiven und aktivierten Spermien feststellen.

„Man kann sich diesen Ansatz so vorstellen, als würde man das Dach eines Autos leuchtend pink lackieren und dann dieses Auto mit einer Drohne durch den Verkehr verfolgen“, erklärte Balbach.„Bei aktivierten Spermien sahen wir, dass dieses lackierte Auto sich viel schneller durch den Verkehr bewegte, dabei eine bestimmte Route bevorzugte und sogar an welchen Kreuzungen das Auto tendenziell stecken blieb“, sagte sie. Mithilfe von Ressourcen wie dem Massenspektrometrie- und Metabolomik-Zentrum der MSU erstellte das Team ein detailliertes Bild des mehrstufigen, hochenergetischen Prozesses, auf den Spermien angewiesen sind, um eine Befruchtung zu erreichen.

Aldolase und die Steuerung des Spermienstoffwechsels

Die Studie ergab, dass ein Enzym namens Aldolase eine Schlüsselrolle bei der Umwandlung von Glukose in nutzbare Energie spielt. Es ist insbesondere an der Glykolyse beteiligt, dem Prozess, bei dem Glukose in Energie umgewandelt wird. Dabei spaltet Aldolase das Molekül Fructose-1,6-bisphosphat in zwei drei-Kohlenstoff-Zucker: Glycerinaldehyd-3-phosphat und Dihydroxyacetonphosphat. Dieser Schritt ist entscheidend, damit die Glykolyse fortgesetzt werden kann und die Zelle Energie in Form von ATP gewinnt.

Es gibt drei Haupttypen von Aldolase, die in unterschiedlichen Geweben vorkommen. Aldolase A findet sich vor allem in Muskeln und roten Blutkörperchen, Aldolase B in der Leber und Aldolase C im Gehirn. Diese Isoformen spiegeln die spezifischen Stoffwechselbedürfnisse der verschiedenen Gewebe wider. Medizinisch ist Aldolase von Bedeutung, weil erhöhte Werte im Blut auf Muskelerkrankungen, wie Muskeldystrophien oder Entzündungen, oder auf Leberschäden hinweisen können. In Kombination mit anderen Enzymen wie der Kreatinkinase dient Aldolase daher als wichtiger Marker zur Diagnostik von Muskel- oder Lebererkrankungen. Insgesamt ist Aldolase ein Schlüsselenzym des Energiestoffwechsels und gleichzeitig ein nützlicher Indikator für bestimmte Krankheiten.

Die Forscher fanden außerdem heraus, dass Spermien zu Beginn ihrer Reise auf interne Energiereserven zurückgreifen, die sie bereits mit sich führen. Darüber hinaus wirken bestimmte Enzyme wie Regulatoren, die steuern, wie Glukose durch Stoffwechselwege transportiert wird, und beeinflussen, wie effizient Energie produziert wird. Balbach plant, weiter zu untersuchen, wie Spermien verschiedene Energiequellen, darunter Glukose und Fruktose, nutzen, um ihren Energiebedarf zu decken. Diese Forschungsrichtung könnte sich auf mehrere Bereiche der reproduktiven Gesundheit auswirken.

Auswirkungen auf Unfruchtbarkeit und nicht-hormonelle Verhütungsmethoden

Weltweit ist etwa jeder Sechste von Unfruchtbarkeit betroffen. Balbach glaubt, dass die Erforschung des Spermienstoffwechsels zu besseren Diagnosemethoden und verbesserten assistierten Reproduktionstechnologien führen könnte. Die Ergebnisse könnten auch die Entwicklung neuer Verhütungsstrategien unterstützen, insbesondere nicht-hormoneller Ansätze.

„Ein besseres Verständnis des Glukosestoffwechsels während der Spermienaktivierung war ein wichtiger erster Schritt, und jetzt wollen wir herausfinden, wie sich unsere Ergebnisse auf andere Spezies, wie beispielsweise menschliche Spermien, übertragen lassen“, so Balbach. „Eine Möglichkeit wäre zu untersuchen, ob eines unserer ‚Verkehrssteuerungsenzyme‘ sicher als nicht-hormonelles Verhütungsmittel für Männer oder Frauen eingesetzt werden könnte“, fügte sie hinzu.

Die meisten Bemühungen zur Entwicklung männlicher Verhütungsmittel konzentrierten sich bisher darauf, die Spermienproduktion zu stoppen. Diese Strategie hat jedoch Nachteile. Sie führt nicht zu einer sofortigen, bedarfsgerechten Unfruchtbarkeit, und viele Optionen basieren auf Hormonen, die erhebliche Nebenwirkungen verursachen können. Balbachs neueste Arbeit schlägt eine Alternative vor. Durch die gezielte Beeinflussung des Spermienstoffwechsels mit einem inhibitorbasierten, nicht-hormonellen Ansatz könnte es möglich sein, die Spermienfunktion bei Bedarf vorübergehend zu deaktivieren und gleichzeitig unerwünschte Nebenwirkungen zu minimieren.

„Derzeit sind etwa 50 % aller Schwangerschaften ungeplant, und dies würde Männern zusätzliche Optionen und Handlungsmöglichkeiten in Bezug auf ihre Fruchtbarkeit bieten“, sagte Balbach. „Ebenso schafft es Freiheit für diejenigen, die hormonbasierte Verhütungsmittel für Frauen verwenden, die sehr anfällig für Nebenwirkungen sind. „Ich bin gespannt, was wir noch entdecken werden und wie wir diese Erkenntnisse nutzen können.“

Warum das wichtig ist

• Spermien müssen ihre Energie drastisch steigern, um die anspruchsvolle Reise zur Eizelle zu bewältigen und die Befruchtung zu erreichen.
• Wissenschaftler haben nun herausgefunden, wie Spermien Glukose aus ihrer Umgebung nutzen, um diesen Energieschub zu erzielen, und damit die Energiequelle hinter ihrer raschen Transformation aufgedeckt.
• Diese Entdeckung vertieft unser Verständnis der Fortpflanzungsbiologie und könnte den Weg für bessere Unfruchtbarkeitsbehandlungen und innovative, nicht-hormonelle Verhütungsmethoden ebnen.