Spermacel houdt z’n kop erbij

Afstemming tussen kop en staart blijkt vernuftiger dan gedacht

Structuren die spermacellen zowel stevig als beweeglijk maken, blijken anders in elkaar te steken dan verwacht. Dat concluderen onderzoekers nadat ze spermacellen bestudeerden tot in extreem klein detail. De ontdekking kan het vertrekpunt zijn voor nieuwe behandelingen tegen onvruchtbaarheid en nieuwe anticonceptiemiddelen voor mannen.

Een succesvolle spermacel is als eerste bij de eicel, en moet zich dus goed kunnen verplaatsen. Om dat voor elkaar te krijgen, zijn spermacellen volledig geoptimaliseerd voor beweging. Ze zijn klein, extreem gestroomlijnd en als het ware gestript: veel onderdelen die je in andere lichaamscellen vindt, zijn in spermacellen afwezig. Door spermacellen van verschillende zoogdierensoorten met elkaar te vergelijken, ontdekten wetenschappers van de Universiteit Utrecht hoe resterende cel-onderdelen samenwerken en een zwemmende cel vormen.

Dr. Tzviya Zeev Ben Mordehai
Dr. Tzviya Zeev-Ben-Mordehai

De machinerie die een spermacel voortstuwt, is te vinden in de staart van de cel. Het bestaat uit een grote verzameling van honderden eiwitten die nauw samenwerken. Dankzij een extreem nauwkeurige elektronenmicroscoop kon het Utrechtse onderzoeksteam voor het eerst zien de eiwitten zijn ingedeeld en hoe ze samenwerken om de cel goed te laten bewegen.

Hun onderzoek laat ook zien hoe die indeling ertoe leidt dat de staart in feite asymmetrisch is opgebouwd. Die structuur is cruciaal voor de typische zwembeweging waarmee een spermacel zich verplaatst. Het onderzoeksteam maakte deze resultaten bekend in het vakblad The EMBO Journal.

Kop en staart in harmonie

Het team ontdekte ook nieuwe details over zogeheten centriolen, een cel-onderdeel dat de bewegingen van de staart en de kop met elkaar afstemt. Die beweging begint in de staart, opgewekt door zogeheten motor-eiwitten. Daarna moet die beweging worden doorgegeven aan de kop, zodat die kan meebewegen. Voor de spermacel is die afstemming cruciaal. Alleen wanneer kop en staart in harmonie bewegen, kan de cel zich verplaatsen.

Structuren in het gedeelte tussen kop en staart spelen een sleutelrol bij de voortstuwing van spermacellen

Dat centriolen een rol spelen bij die afstemming is verrassend. Ze komen voor in alle lichaamscellen van zoogdieren, waar ze normaal gesproken helpen bij de celdeling en bovendien stevigheid geven aan de cel. “Centriolen bewegen normaal gesproken niet, en worden vooral beschouwd als een soort schokbrekers voor cellen”, zegt bioloog Tzviya Zeev-Ben-Mordehai, verbonden aan de Universiteit Utrecht en een van de onderzoeksleiders.

Afwijkende vorm

Bij spermacellen zijn de centriolen te vinden in het gebied dat de kop en staart met elkaar verbindt. Door in te zoomen op dat gebied zagen de onderzoekers dat een van de twee centriolen in spermacellen er heel anders uitziet dan doorsnee centriolen.

Een verklaring voor die afwijking vonden de onderzoekers in een vervolgstudie, dat ze uitvoerden samen met de Amerikaanse bioloog Tomer Avidor-Reiss, verbonden aan de University of Toledo. De onderzoekers stelden vast dat de afwijkende centriole onderdeel is van een ruimte in de cel waarbinnen onderdelen kunnen bewegen. Daaruit leiden de onderzoekers uit af dat de afwijkende centriole is geëvolueerd tot een soort doorgeefluik van bewegingen tussen de staart en kop. Deze resultaten publiceerden ze in het vakblad Nature Communications.

Onverklaarbare onvruchtbaarheid

De ontdekking kan een vertrekpunt zijn voor meer inzicht in onvruchtbaarheid bij mannen. Bij meer dan 60 procent van de gevallen blijft onduidelijk waar de oorzaak van de onvruchtbaarheid ligt. “Als onderzoekers vruchtbaarheid bij mannen willen onderzoeken, dan kijken ze meestal alleen naar het aantal spermacellen en de beweeglijkheid daarvan”, zegt Zeev-Ben-Mordehai.

Als je goed kijkt naar centriolen dan brengt dat wellicht een andere oorzaak van onvruchtbaarheid aan het licht

“Maar als je naar de centriolen zou kijken, dan brengt dat wellicht de werkelijke oorzaak van de onvruchtbaarheid aan het licht. Een vruchtbaarheidsarts zou op basis daarvan een andere aanpak kunnen kiezen, bijvoorbeeld een ICSI-behandeling in plaats van IVF.”

Anticonceptie voor mannen

Volgens de onderzoekers kan hun ontdekking ook een vertrekpunt zijn voor de ontwikkeling van nieuwe anticonceptiemiddelen voor mannen, zonder gebruik te hoeven maken van hormoonpreparaten. “Als we de moleculaire beginselen van beweging in spermacellen ophelderen, dan kunnen we manieren bedenken om die blokkeren. We kunnen spermacellen dan als het ware een spaak tussen de wielen te steken”, aldus Zeev-Ben-Mordehai.

Extreem kleine details

Elektronenmicroscopische opname van spermacellen
De onderzoekers bestudeerden spermacellen van varkens (links), paarden (midden) en muizen. Door extreem ver in te zoomen legden ze details van spermacellen bloot die tot nu toe onzichtbaar waren.

De onderzoekers konden in spermacellen extreem kleine details bestuderen die nog nooit eerder zijn waargenomen. Dat lukte dankzij een relatief nieuwe techniek, genaamd cryo-elektronenmicroscopie (cryo-EM). Die techniek biedt veel voordelen boven andere vormen van elektronenmicroscopie. Een belangrijk voordeel is dat cellen veel minder ‘voorbehandeling’ nodig hebben om ze te kunnen bestuderen. Cellen blijven daardoor beter intact.

Met standaard elektronenmicroscopie kunnen onderzoekers alleen cellen bestuderen nadat ze die hebben uitgedroogd en bedekt met een laagje atomen. Bij cryo-EM zijn die stappen niet nodig. De enige voorbehandeling die moet gebeuren is de cellen snel afkoelen. “Dit is de beste monster-voorbewerking die je kunt hebben”, zegt Zeev-Ben-Mordehai. “Op deze manier bestudeer je de oorspronkelijke toestand van het proefmonster.”

Centrum voor elektronenmicroscopie

Beide onderzoeken van Zeev-Ben-Mordehai en collega’s zijn uitgevoerd in samenwerking met het Elektronenmicroscopie Centrum van de Universiteit Utrecht en het Nederlands Centrum voor Elektronen Nanoscopie (NeCEN).

Publicaties

A dynamic basal complex modulates mammalian sperm movement

Nature Communications, 21 June 2021. DOI: 10.1038/s41467-021-24011-0

Sushil Khanal, Miguel Ricardo Leung*, Abigail Royfman, Emily L. Fishman, Barbara Saltzman, Hermes Bloomfield-Gadêlha, Tzviya Zeev-Ben-Mordehai*, Tomer Avidor-Reiss

* = Onderzoeker aan de Universiteit Utrecht

The multi-scale architecture of mammalian sperm flagella and implications for ciliary motility

The EMBO Journal, 1 april 2021. DOI: 10.15252/embj.2020107410

Miguel Ricardo Leung*, Marc C Roelofs*, Ravi Teja Ravi*, Paula Maitan*, Heiko Henning*, Min Zhang*, Elizabeth G Bromfield*, Stuart C Howes*, Bart M Gadella*, Hermes Bloomfield-Gadêlha, Tzviya Zeev-Ben-Mordehai*

* = Onderzoeker aan de Universiteit Utrecht