CatSper

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Cation channels of sperm
Vorkommen
Übergeordnetes Taxon Mehrzellige Tiere

cation channel, sperm associated 1
Eigenschaften des menschlichen Proteins
Bezeichner
Gen-Name CATSPER1
Externe IDs
Vorkommen
Homologie-Familie Hovergen

cation channel, sperm associated 2
Eigenschaften des menschlichen Proteins
Bezeichner
Gen-Name CATSPER2
Externe IDs

cation channel, sperm associated 3
Eigenschaften des menschlichen Proteins
Bezeichner
Gen-Name CATSPER3
Externe IDs
Vorkommen
Homologie-Familie Hovergen

cation channel, sperm associated 4
Eigenschaften des menschlichen Proteins
Bezeichner
Gen-Name CATSPER4
Externe IDs
Vorkommen
Homologie-Familie Hovergen

Der CatSper-Kanal (Abkürzung für: Cation Channel of Sperm) ist ein spannungsgesteuerter Ionenkanal in Spermien.

Struktur

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Der CatSper-Komplex besteht aus mehreren Untereinheiten. Vier porenformende Untereinheiten (CatSper 1–4)[1] werden durch mehrere akzessorische Untereinheiten im Kanalkomplex ergänzt, darunter CatSper β[2], CatSper γ[3], CatSper δ[4], CatSper ζ[5] sowie CatSper ε und weitere.

Funktion

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Eine Aktivierung von CatSper löst charakteristische Ca2+-Antworten in Spermien aus[6][7], durch die das Spermienverhalten beeinflusst wird. Experimente mit genetisch veränderten Mäusen haben gezeigt, dass CatSper eine herausgehobene Stellung in der Steuerung des Spermienverhaltens einnimmt: Fehlt den Spermien bereits eine der porenformenden Untereinheiten oder CatSper δ, sind die männlichen Mäuse unfruchtbar[8][9][10][11][12][13][14]. Ohne funktionierende CatSper-Kanäle wird in den Spermien die Hyperaktivierung nicht ausgelöst, ein Schwimmverhalten, bei dem durch kraftvolle asymmetrische Schläge mit dem Flagellum zum Beispiel die Eihülle überwunden wird[15][16][17] – die Spermien der Männchen gelangen dann nicht zur Eizelle und scheitern folglich an der Befruchtung. Mehrere Fallstudien zeigen, dass CatSper diese für die Befruchtung entscheidende Rolle auch in menschlichen Spermien übernimmt[18][19][20][21][22], in denen CatSper zudem als wichtiger Sensor für Hormone in der Eileiterflüssigkeit dient, insbesondere Progesteron und Prostaglandine[23]. Indem die Rolle von CatSper für die menschliche Fortpflanzung schrittweise durch die Grundlagenforschung enträtselt wurde, begann auch die Wahrnehmung der CatSper-Fehlfunktion als medizinischer Grund für männliche Unfruchtbarkeit und ungewollte Kinderlosigkeit. Die Weltgesundheitsorganisation WHO lässt mit der Neuauflage des Laborhandbuchs für Samenanalysen die Entwicklung neuer diagnostischer Verfahren zur Detektion dieser CatSper-Fehlfunktionen in naher Zukunft vorausahnen, um den CatSper-Status im Vorfeld reproduktionsmedizinsicher Behandlungen für ein optimiertes Therapiedesign untersuchen zu können[24].

Beeinflussung von CatSper durch Endokrine Disrupturen

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CatSper in menschlichen Spermien wurde in Laborexperimenten als molekulares Ziel für hormonell aktive Chemikalien identifiziert, sogenannte Endokrine Disruptoren[25]: Eine Vielzahl von Chemikalien imitierte dabei die Wirkung natürlicher Hormone und aktivierte den Kanal, löste Ca2+-Antworten in den Spermien aus und beeinflusste ihr Schwimmverhalten. Bemerkenswert war dabei, dass mehrere Chemikalien in den Laborexperimenten in Konzentrationsbereichen wirksam waren, die bereits in menschlichen Körperflüssigkeiten nachgewiesen werden konnten. Einzelne hormonell wirksame Chemikalien kooperieren darüber hinaus bei der Aktivierung von CatSper[26]. Inwieweit sich diese Laborergebnisse auf die menschliche Befruchtung in vivo übertragen lassen, wird noch untersucht[27].

Einzelnachweise

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  1. ↑ Betsy Navarro, Yuriy Kirichok, Jean-Ju Chung, David E. Clapham: Ion channels that control fertility in mammalian spermatozoa. In: The International Journal of Developmental Biology. Band 52, Nr. 5-6, 2008, ISSN 0214-6282, S. 607–613.
  2. ↑ Jin Liu, Jingsheng Xia, Kwang-Hyun Cho, David E. Clapham, Dejian Ren: CatSperβ, a Novel Transmembrane Protein in the CatSper Channel Complex. In: Journal of Biological Chemistry. Band 282, Nr. 26, Juni 2007, ISSN 0021-9258, S. 18945–18952.
  3. ↑ Haikun Wang, Jin Liu, Kwang-Hyun Cho, Dejian Ren: A Novel, Single, Transmembrane Protein CATSPERG Is Associated with CATSPER1 Channel Protein1. In: Biology of Reproduction. Band 81, Nr. 3, 1. September 2009, ISSN 0006-3363, S. 539–544.
  4. ↑ Jean-Ju Chung, Betsy Navarro, Grigory Krapivinsky, Luba Krapivinsky, David E. Clapham: A novel gene required for male fertility and functional CATSPER channel formation in spermatozoa. In: Nature Communications. Band 2, Nr. 1, 11. Januar 2011, ISSN 2041-1723.
  5. ↑ Jean-Ju Chung, Kiyoshi Miki, Doory Kim, Sang-Hee Shim, Huanan F Shi, Jae Yeon Hwang, Xinjiang Cai, Yusuf Iseri, Xiaowei Zhuang, David E Clapham: Author response: CatSperζ regulates the structural continuity of sperm Ca2+ signaling domains and is required for normal fertility. 15. Februar 2017.
  6. ↑ Polina V. Lishko, Inna L. Botchkina, Yuriy Kirichok: Progesterone activates the principal Ca2+ channel of human sperm. In: Nature. Band 471, Nr. 7338, März 2011, ISSN 0028-0836, S. 387–391.
  7. ↑ Timo Strünker, Normann Goodwin, Christoph Brenker, Nachiket D. Kashikar, Ingo Weyand, Reinhard Seifert, U. Benjamin Kaupp: The CatSper channel mediates progesterone-induced Ca2+ influx in human sperm. In: Nature. Band 471, Nr. 7338, März 2011, ISSN 0028-0836, S. 382–386.
  8. ↑ Dejian Ren, Betsy Navarro, Gloria Perez, Alexander C. Jackson, Shyuefang Hsu, Qing Shi, Jonathan L. Tilly, David E. Clapham: A sperm ion channel required for sperm motility and male fertility. In: Nature. Band 413, Nr. 6856, Oktober 2001, ISSN 0028-0836, S. 603–609.
  9. ↑ Anne E. Carlson, Timothy A. Quill, Ruth E. Westenbroek, Sonya M. Schuh, Bertil Hille, Donner F. Babcock: Identical Phenotypes of CatSper1 and CatSper2 Null Sperm. In: Journal of Biological Chemistry. Band 280, Nr. 37, September 2005, ISSN 0021-9258, S. 32238–32244.
  10. ↑ Timothy A. Quill, Sarah A. Sugden, Kristen L. Rossi, Lynda K. Doolittle, Robert E. Hammer, David L. Garbers: Hyperactivated sperm motility driven by CatSper2 is required for fertilization. In: Proceedings of the National Academy of Sciences. Band 100, Nr. 25, Dezember 2003, ISSN 0027-8424, S. 14869–14874.
  11. ↑ Anne E. Carlson, Ruth E. Westenbroek, Timothy Quill, Dejian Ren, David E. Clapham, Bertil Hille, David L. Garbers, Donner F. Babcock: CatSper1 required for evoked Ca2+ entry and control of flagellar function in sperm. In: Proceedings of the National Academy of Sciences. Band 100, Nr. 25, Dezember 2003, ISSN 0027-8424, S. 14864–14868.
  12. ↑ Jingling Jin, Nange Jin, Huili Zheng, Seungil Ro, Dora Tafolla, Kenton M. Sanders, Wei Yan: Catsper3 and Catsper4 Are Essential for Sperm Hyperactivated Motility and Male Fertility in the Mouse1. In: Biology of Reproduction. Band 77, Nr. 1, 1. Juli 2007, ISSN 0006-3363, S. 37–44.
  13. ↑ Huayu Qi, Magdalene M. Moran, Betsy Navarro, Jayhong A. Chong, Grigory Krapivinsky, Luba Krapivinsky, Yuriy Kirichok, I. Scott Ramsey, Timothy A. Quill, David E. Clapham: All four CatSper ion channel proteins are required for male fertility and sperm cell hyperactivated motility. In: Proceedings of the National Academy of Sciences. Band 104, Nr. 4, 23. Januar 2007, ISSN 0027-8424, S. 1219–1223.
  14. ↑ Jean-Ju Chung, Betsy Navarro, Grigory Krapivinsky, Luba Krapivinsky, David E. Clapham: A novel gene required for male fertility and functional CATSPER channel formation in spermatozoa. In: Nature Communications. Band 2, Nr. 1, 11. Januar 2011, ISSN 2041-1723.
  15. ↑ Dejian Ren, Betsy Navarro, Gloria Perez, Alexander C. Jackson, Shyuefang Hsu, Qing Shi, Jonathan L. Tilly, David E. Clapham: A sperm ion channel required for sperm motility and male fertility. In: Nature. Band 413, Nr. 6856, Oktober 2001, ISSN 0028-0836, S. 603–609.
  16. ↑ Anne E. Carlson, Ruth E. Westenbroek, Timothy Quill, Dejian Ren, David E. Clapham, Bertil Hille, David L. Garbers, Donner F. Babcock: CatSper1 required for evoked Ca2+ entry and control of flagellar function in sperm. In: Proceedings of the National Academy of Sciences. Band 100, Nr. 25, Dezember 2003, ISSN 0027-8424, S. 14864–14868.
  17. ↑ Huayu Qi, Magdalene M. Moran, Betsy Navarro, Jayhong A. Chong, Grigory Krapivinsky, Luba Krapivinsky, Yuriy Kirichok, I. Scott Ramsey, Timothy A. Quill, David E. Clapham: All four CatSper ion channel proteins are required for male fertility and sperm cell hyperactivated motility. In: Proceedings of the National Academy of Sciences. Band 104, Nr. 4, 23. Januar 2007, ISSN 0027-8424, S. 1219–1223.
  18. ↑ Nili Avidan, Hannah Tamary, Orly Dgany, Daniel Cattan, Alexandre Pariente, Michel Thulliez, Nicolas Borot, Lucien Moati, Alain Barthelme, Lea Shalmon, Tatyana Krasnov, Edna Ben-Asher, Tsvyia Olender, Miriam Khen, Issac Yaniv, Rina Zaizov, Hanna Shalev, Jean Delaunay, Marc Fellous, Doron Lancet, Jacques S Beckmann: CATSPER2, a human autosomal nonsyndromic male infertility gene. In: European Journal of Human Genetics. Band 11, Nr. 7, 27. Juni 2003, ISSN 1018-4813, S. 497–502.
  19. ↑ Michael S Hildebrand, Matthew R Avenarius, Marc Fellous, Yuzhou Zhang, Nicole C Meyer, Jana Auer, Catherine Serres, Kimia Kahrizi, Hossein Najmabadi, Jacques S Beckmann, Richard J H Smith: Genetic male infertility and mutation of CATSPER ion channels. In: European Journal of Human Genetics. Band 18, Nr. 11, 21. Juli 2010, ISSN 1018-4813, S. 1178–1184.
  20. ↑ Matthew R. Avenarius, Michael S. Hildebrand, Yuzhou Zhang, Nicole C. Meyer, Luke L.H. Smith, Kimia Kahrizi, Hossein Najmabadi, Richard J.H. Smith: Human Male Infertility Caused by Mutations in the CATSPER1 Channel Protein. In: The American Journal of Human Genetics. Band 84, Nr. 4, April 2009, ISSN 0002-9297, S. 505–510.
  21. ↑ Deepika Jaiswal, Vertika Singh, U.S. Dwivedi, Sameer Trivedi, Kiran Singh: Chromosome microarray analysis: a case report of infertile brothers with CATSPER gene deletion. In: Gene. Band 542, Nr. 2, Juni 2014, ISSN 0378-1119, S. 263–265.
  22. ↑ Hannah L. Williams, Steven Mansell, Wardah Alasmari, Sean G. Brown, Stuart M. Wilson, Keith A. Sutton, Melissa R. Miller, Polina V. Lishko, Christopher L.R. Barratt, Steven J. Publicover, Sarah Martins da Silva: Specific loss of CatSper function is sufficient to compromise fertilizing capacity of human spermatozoa. In: Human Reproduction. 8. Oktober 2015, ISSN 0268-1161, S. dev243.
  23. ↑ Timo Strünker, Normann Goodwin, Christoph Brenker, Nachiket D. Kashikar, Ingo Weyand, Reinhard Seifert, U. Benjamin Kaupp: The CatSper channel mediates progesterone-induced Ca2+ influx in human sperm. In: Nature. Band 471, Nr. 7338, März 2011, ISSN 0028-0836, S. 382–386.
  24. ↑ World Health Organisation (WHO): WHO laboratory manual for the examination and processing of human semen. Abgerufen am 16. Dezember 2022.
  25. ↑ Christian Schiffer, Astrid Müller, Dorte L. Egeberg, Luis Alvarez, Christoph Brenker, Anders Rehfeld, Hanne Frederiksen, Benjamin Wäschle, U. Benjamin Kaupp, Melanie Balbach, Dagmar Wachten, Niels E. Skakkebaek, Kristian Almstrup, Timo Strünker: Direct action of endocrine disrupting chemicals on human sperm. In: EMBO Reports. Band 15, Nr. 7, Juli 2014, ISSN 1469-221X, S. 758–765.
  26. ↑ Christoph Brenker, Anders Rehfeld, Christian Schiffer, Michelina Kierzek, U. Benjamin Kaupp, Niels Erik Skakkebæk, Timo Strünker: Synergistic activation of CatSper Ca2+ channels in human sperm by oviductal ligands and endocrine disrupting chemicals. In: Human Reproduction. Band 33, Nr. 10, Oktober 2018, ISSN 0268-1161, S. 1915–1923.
  27. ↑ Christian Schiffer: Auf der falschen Fährte. Erschienen in: DIE ZEIT, 15. Oktober 2017. Abgerufen am 19. Dezember 2022.
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