Spermacel pint zijn energiefabriekjes vast

Spermacellen houden hun inwendige energiefabriekjes bij elkaar met een soort moleculaire speldjes. Dat ontdekten biologen van de Universiteit Utrecht toen ze spermacellen bestudeerden met extreem sterke microscopen. De ontdekking leidt tot nieuwe inzichten in de energiehuishouding van de cellen en mogelijk nieuwe manieren om onvruchtbaarheid bij mannen te behandelen.

Spermacellen hebben maar één doel: zo snel mogelijk bij een eicel zijn en daarmee fuseren. Hoewel dat geldt voor spermacellen van alle zoogdiersoorten, blijken hun inwendige structuren flink van elkaar te kunnen verschillen. Dat geldt ook voor de inwendige energiefabriekjes van spermacellen, ontdekten biologen van de Universiteit Utrecht. Deze cel-onderdelen, genaamd mitochondriën, zijn cruciaal voor de voortbeweging van spermacellen, en kunnen flink verschillen in grootte en indeling. De onderzoekers maken hun ontdekking vandaag bekend in het vakblad Proceedings of the National Academy of Sciences.

Muizen, paarden en varkens

Het onderzoeksteam, onder leiding van bioloog Tzviya Zeev-Ben-Mordehai, bestudeerde spermacellen van muizen, paarden en varkens. Ze ontdekten dat spermacellen van muizen de grootste mitochondriën bevatten, terwijl die structuren in paardensperma juist het dichtst op elkaar gepakt zijn. De manier waarop de mitochondriën geclusterd zijn in de spermacellen bleek juist opvallend gelijk te zijn tussen de verschillende soorten.

Kleine cellen, veel energie

Een vraag waar biologen mee worstelden is hoe spermacellen voldoende energie opwekken om te kunnen zwemmen. Het zwemmen vergt veel energie, en daarom moeten de cellen grote hoeveelheden mitochondriën herbergen. Maar aan de andere kant zijn spermacellen juist heel klein, vergeleken met andere lichaamscellen. Die geringe afmeting is nodig om sneller te zwemmen. Maar waar laten ze dan al hun mitochondriën?

Mitochondriën in spermacellen zijn geclusterd in een soort spiraalvorm. Dat bespaart ruimte en maakt het mogelijk om de opgewekte energie efficiënt door te geven binnenin de cel. De spiraal bevindt zich op een strategische plek in de staart van de spermacel, maar wel dicht bij de kop, in een gebied dat het middenstuk heet.

Vastgelijmd

In die spiraal lijmen de mitochondriën zich als het ware aan elkaar vast met een soort eiwittenverbindingen, ontdekten de biologen. Daarnaast zijn de mitochondriën verankerd aan een soort inwendig skelet dat de cel stevigheid geeft en de interne structuur intact houdt. Die verankering gebeurt met een waaier aan eiwitten aan de buitenkant van mitochondriën. Dankzij extreem sterke elektronenmicroscopie konden de biologen ontdekken hoe die eiwitstructuur in elkaar steekt.

Het team vermoedt nu dat een specifiek soort eiwit genaamd glycerolkinase de basis vormt van die structuur. Volgens de onderzoekers helpen die eiwitten om de spiraal intact te houden, en daarnaast stabiliteit geven als de spermacel zwemt.

Spermacellen verder uitpluizen

Naast mitochondriën bestudeerden de biologen ook hoe andere onderdelen van spermacellen samenwerken, en daarmee een compacte en gestroomlijnde cel vormen. In een onderzoek dat eerder dit jaar verscheen in The EMBO Journal, toonden de onderzoekers aan hoe ze de belangrijkste structuur van de spermastaart bestudeerden. Daaruit bleek dat die structuur cruciaal is voor de typische zwembeweging waarmee een spermacel zich verplaatst.

Het team ontdekte ook dat cel-onderdelen genaamd centriolen een heel andere functie kunnen hebben in spermacellen dan in andere lichaamscellen. In spermacellen zorgen ze ervoor dat de bewegingen van de staart en de kop met elkaar zijn afgestemd, als een soort mechanisch doorgeefluik. Dat onderzoek publiceerden de biologen in het vakblad Nature Communications, samen met hun Amerikaanse collega Tomer Avidor-Reiss, verbonden aan de University of Toledo.

Nieuwe kijk op onvruchtbaarheid

De ontdekkingen van het onderzoeksteam kunnen een vertrekpunt zijn voor meer inzicht in onvruchtbaarheid bij mannen. Afwijkingen in de mitochondriën en andere structuren die ze bestudeerden leiden tot onvruchtbaarheid. “Maar als onderzoekers vruchtbaarheid bij mannen willen onderzoeken, dan kijken ze meestal alleen naar het aantal spermacellen en de beweeglijkheid daarvan”, zegt Zeev-Ben-Mordehai.

De oorzaak van mannelijke onvruchtbaarheid blijft nu nog in meer dan 60 procent van de gevallen onduidelijk

“Bij meer dan 60 procent van de gevallen van mannelijke onvruchtbaarheid blijft nu nog onduidelijk waar de oorzaak ligt. Nu we met speciale elektronenmicroscopie spermacellen van dieren in beeld kunnen brengen, breiden we ons werk uit naar gezonde en onvruchtbare mensen. Zo kunnen artsen meer kennis krijgen over mogelijke oorzaken van onvruchtbaarheid. Uiteindelijk kunnen ze dan ook een meer toegesneden vruchtbaarheidsbehandeling opstellen, die een betere kans van slagen heeft.”

Anticonceptie voor mannen

Aan de andere kant verwachten de onderzoekers dat hun ontdekking ook een vertrekpunt kan 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

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.

De biologen bestudeerden in spermacellen details die nooit eerder zichtbaar waren

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 voorbewerking die je kunt hebben”, zegt Zeev-Ben-Mordehai. “Op deze manier bestudeer je de oorspronkelijke toestand van de cellen.”

Samenwerking

Het onderzoek van Zeev-Ben-Mordehai wordt mede gefinancierd door een START-UP-subsidie van NWO. Het is uitgevoerd in samenwerking met het Elektronenmicroscopie Centrum van de Universiteit Utrecht en het Nederlands Centrum voor Elektronen Nanoscopie (NeCEN).