Nachrichten aus der Welt der Düfte: Auch menschliche Spermien können riechen. Deshalb spielen chemische Duftnoten bei der Fortpflanzung eine große Rolle

Sie würden gerne die Zeit zurückdrehen, um noch einmal das Glück mit Ihrer ersten großen Liebe zu erleben? Dann sollten Sie nicht in alten Bildern oder Schallplatten kramen, sondern an einem Duft schnuppern, der Sie mit diesen Zeiten verbindet. Gerüche können uns sekundenschnell in alte Zeiten befördern, Erinnerungen zurückholen und längst vergangene Gefühle wieder erwecken. Denn im Gegensatz zu akustischen und visuellen Eindrücken werden Düfte nicht primär im Großhirn verarbeitet, sondern zuerst im Limbischen System, einem der ältesten Bereiche unseres Gehirns, wo Triebe, Emotionen und Gedächtnis verankert sind. Obwohl der Geruchssinn in Lehrbüchern immer zu den „niederen“ Sinnen gerechnet wird und der Philosoph Immanuel Kant ihn gar als unseren „verlorenen“ Sinn bezeichnete, spielt er in unserem Leben eine viel größere Rolle, als wir vermuten. Ohne ihn könnten wir kein wunderbares Essen oder einen edlen Tropfen genießen, wären ärmer an Gefühlen und Erinnerungen und würden nicht gewarnt werden vor verdorbenen oder giftigen Nahrungsmitteln. Jüngste Erkenntnisse von Psychologen haben gezeigt, dass Düfte noch viel tiefer in unser Leben eingreifen, indem sie an der individuellen Partnerwahl einen wesentlichen Anteil haben. Die Psychologen sprechen von chemischer Kommunikation. Unsere Nase orientiert sich dabei in erster Linie am Eigengeruch eines Menschen, der bei jedem so individuell ist wie sein Fingerabdruck. Er teilt anderen mit, welche Erbanlagen wir in uns tragen. Je unterschiedlicher der Körperduft – und damit das Genrepertoire –, desto attraktiver für eine Partnerschaft. Was im Großen funktioniert, scheint auch im Mikrokosmos der Zellen ein bedeutsames Grundprinzip zu sein, denn Düfte sind sogar am Erfolg der Befruchtung der Eizelle entscheidend beteiligt. Auf dem dunklen, langen Weg zur Eizelle bieten offensichtlich den Spermien chemische „Duft“-Spuren Orientierung und Hilfe. Hierfür benutzen die Spermien molekulare Komponenten, wie sie erst vor kurzem für Riechzellen in der menschlichen Nase beschrieben werden konnten. Vereinfacht gesagt: Spermien können riechen.

 

Stimulierende Geruchsnote: Bourgeonal, ein synthetischer Maiglöckchenduft, lockt menschliche Spermien an, indem er deren Riechrezeptoren aktiviert. Schon bei sehr niedriger Konzentration orientieren sich die Spermien zur Duftquelle

In der Riechschleimhaut unserer Nase liegen spezialisierte Nervenzellen, die Tausende verschiedener Duftmoleküle mit bemerkenswerter Präzision erkennen und unterscheiden können. Sie übersetzen die chemischen Duftsignale in elektrische Nervenimpulse, die Sprache, die unser Gehirn versteht. Die chemo-elektrische Signalübertragung erfolgt dabei über einen kaskadenartigen biochemischen Verstärkungsmechanismus: Jedes Duftstoffmolekül muss zuerst an ein Rezeptoreiweiß in der Zellmembran der Riechnerven andocken. Bindet ein solcher Riechrezeptor nun einen passenden Duftstoff (Schloss- Schlüssel-Prinzip), so wird im Inneren der Sinneszelle ein so genanntes G-Protein als Vermittler benutzt, um ein Enzym zu aktivieren. Dieses Enzym wiederum stellt große Mengen eines zweiten Botenstoffs, so 28 genanntes zyklisches Adenosin-Monophosphat her, der dafür sorgt, dass positiv geladene Teilchen in die Nervenzelle einströmen können. Dann werden elektrische Signale über die Nervenbahnen bis ins Gehirn geleitet. Alle an dieser komplexen Signalverstärkungskaskade beteiligten molekularen Komponenten hat die Wissenschaft in den letzten zehn Jahren entschlüsselt. Ein Meilenstein stellt dabei das Jahr 1991 dar, als die beiden wichtigsten Proteine, der Riechrezeptor und der Riechkanal, entdeckt wurden. L. Buck und R. Axel erhielten 2004 den Nobelpreis in Medizin für die ersten Daten über die Genfamilie der Riechrezeptoren. Bereits im Jahr 1992 fanden belgische Wissenschaftler Hinweise darauf, dass bestimmte Typen dieser Riechrezeptorgene nicht nur in der Nase, sondern auch im Hodengewebe von Säugetieren existieren. Interessanterweise konnten Bochumer Forscher vor kurzem erstmals nachweisen, dass in menschlichen Spermien die gleichen Riechrezeptoren zu finden sind wie in der menschlichen Nase. Kein Wunder, dass seither über die mögliche physiologische Funktion der potenziellen Dufterkennungsmoleküle in Spermien vielfach spekuliert wurde. Welche Rolle die Fähigkeit zum Riechen bei der Fortpflanzung spielt, ist bis heute noch nicht bekannt. Hierzu war vor allem notwendig, Informationen über die chemischen Aktivatoren der im Hoden vorkommenden Riechrezeptoren zu erhalten und ihre Anwesenheit in adulten reifen Spermien nachzuweisen.

Spermien sind mit etwa 60 Mikrometern die kleinsten Zellen des menschlichen Körpers und in ihrer Struktur und Funktion vollständig ihrer einzigen physiologischen Aufgabe angepasst: der erfolgreichen Suche und anschließenden Befruchtung der Eizelle. Dabei machen sich schätzungsweise 300 Millionen Spermien auf einen äußerst beschwerlichen Weg im Inneren des weiblichen Körpers. Nach der Ejakulation erreichen die Träger der väterlichen Erbinformation durch den schmalen Gebärmutterhals die Gebärmutter, suchen die Öffnung des Eileiters und passieren den Eileiter bis zur so genannten Ampulle, einer Verengung des Eileiters, wo die Spermien bis zum Eintreffen der Eizelle an der Eileiterwand gebunden werden. Nur vollständig befruchtungsfähige Spermien lösen sich dann, schwimmen durch die Ampulle und müssen schließlich zur Befruchtung die ihnen entgegentreibende Eizelle treffen. Nur wenige Hundert der ursprünglich etwa 300 Millionen ejakulierten Spermien gelangen in die Nähe der Eizelle. Jedes einzelne Spermium steht also vor einer enormen navigatorischen Herausforderung, eine Tatsache, die eine rein zufallsbasierende Befruchtung weitestgehend unwahrscheinlich erscheinen lässt. Chemische Wegweiser, freigesetzt von der Eizelle oder anderen Zellen des weiblichen Genitaltraktes, können den Spermien als Anhaltspunkte bei ihrer Suche nach der Eizelle dienen. Die Existenz solcher Signalsubstanzen gilt mittlerweile als gesichert, ihre Identität allerdings ist noch immer unaufgeklärt. Auf Seiten der Spermien müssen diese Lockstoffe aber nicht nur wahrgenommen werden, die Präsenz eines Signals muss auch in eine gerichtete Bewegung zur Signalquelle hin übersetzt werden. Genau an dieser Schnittstelle könnte ein zusätzlicher Grund für das Vorkommen von Riechrezeptoren auf Spermien liegen.

 

Links: Duftstoffe geben als chemische Wegweiser einem Spermium Orientierung bei der weiten und beschwerlichen Wanderung bis zur Eizelle. Die Duftquelle selbst befindet sich in der Eizelle oder in Zellen um sie herum. Menschliche Spermien (rechts) müssen diese Düfte aber nicht nur riechen können, sondern auch in eine zielgerichtete Bewegung umsetzen.

Auf Chromosom 17 des Menschen befindet sich in einem Gencluster ein Kandidatengen für einen Riechrezeptor. Die genetische Information zur Bildung dieses Rezeptors wird in Spermatozoen des menschlichen Hodengewebes abgelesen und der Riechrezeptor noch vor der Ejakulation in die Membran von reifen Spermien eingebaut. Welchen Duft kann dieser Rezeptor riechen und welche Aufgabe erfüllt er in menschlichen Spermien? Das zentrale Hemmnis bei der experimentellen Untersuchung der Rezeptorfunktion stellt die ungeheure Zahl potenziell aktivierender Duftsubstanzen dar. Jeder Riechrezeptor wird nur von einer kleinen Gruppe strukturell ähnlicher Düfte aktiviert, während den Wissenschaftlern theoretisch eine kaum zu definierende Vielzahl unterschiedlicher Duftstoffe zur Verfügung steht. Die typische Suche nach der Nadel im Heuhaufen! Dies gelingt heutzutage dadurch, dass man standardisierte Labor-Zelllinien (etwa von Nierenzellen, die sicher nicht „riechen“ können) so manipuliert, dass diese den gewünschten Riechrezeptor herstellen. Man kann dann mit optischen Verfahren die Aktivität des Rezeptors messen und eine Vielzahl von einzelnen Duftsubstanzen und -mischungen auf ihr spezifisches Aktivierungspotenzial hin untersuchen. Aus einer Mischung von hundert chemisch sehr unterschiedlichen Duftstoffen konnte eine einzige Substanz identifiziert werden, die den Riechrezeptor aktivierte: Bourgeonal, ein synthetischer Maiglöckchenduft. Anschließende Tests mit verschiedenen in ihrer chemischen Struktur ähnlichen Molekülen identifizierten eine Reihe von weiteren Duftstoffen, die diesen Rezeptor aktivieren können, wie zum Beispiel Lilial oder Cyclamal. Das so ermittelte „molekulare rezeptive Feld“, also die Struktur der ähnlichen Moleküle, auf die ein Riechrezeptor reagiert, war allerdings sehr eng begrenzt. Kleine Änderungen am Molekül hatten bereits drastische Wirkungen auf die Aktivität, größere Änderungen führten zum völligen Wirkungsverlust. Unter der Annahme, dass dieser Rezeptor auch in menschlichen Spermien vorkommt, wurden im nächsten Schritt lebende Spermien getestet, ob sie den Duft wahrnehmen können. Bietet man nun im Experiment reifen menschlichen Spermien Bourgeonal an, so reagieren diese mit einer drastischen Erhöhung des zellulären Kalziumspiegels. Die zugrunde liegende Signalkette im Inneren der Spermien ist Gegenstand momentaner Untersuchungen. Gesichert ist, dass die Duftaktivierung zunächst zur enzymatischen Produktion des Botenstoffes führt, der direkt oder über weitere Kaskadenmoleküle einen Kanal öffnet, durch den Kalzium von außen in die Zelle einströmen kann. Diese massive Erhöhung der Kalziumkonzentration bildet die Grundlage zur Veränderung der Schlagfrequenz und -symmetrie der Spermiengeißel, eine der wesentlichen Voraussetzungen für direktes Richtungsschwimmen. Die biologische Wirkung von Bourgeonal auf Spermien als Lockstoff wurde dann im Verhaltensexperiment überprüft. Mit bewegungsanalytischen Verfahren konnte eine zielgerichtete Schwimmbewegung auf eine künstliche Duftquelle hin und die dort anschließende Sammlung der Spermien beobachtet werden. Gleichzeitig verdoppelte Bourgeonal die Schwimmgeschwindigkeit der Spermien. Interessanterweise kann man die Rezeptoraktivierung durch Zugabe einer weiteren, dem Bourgeonal strukturell nicht-verwandten Duftsubstanz namens Undekanal vollständig blockieren (kompetitiver Antagonist). Dies hat weitreichende Folgen. Die Spermien schwimmen trotz Anwesenheit des Lockstoffes ziellos umher, auch ihre Schwimmgeschwindigkeit stagniert. Die wegweisende Funktion bestimmter Lockdüfte für Spermien lässt sich also durch passende antagonistisch wirkende Düfte aufheben. Diese Daten öffnen die Tür, mit Hilfe von Duftsubstanzen neue Wege im Bereich künstlicher Befruchtung undder Empfängnisverhütung zu beschreiten.Zumindest die Ergebnissebisheriger Studien im Reagenzglas sind viel versprechend. Die Übertragbarkeit dieser Ergebnisse bei der Anwendung auf den Menschen bleibt zunächst abzuwarten. Die Erfolgsaussichten der Befruchtung im Reagenzglas sind noch immer weit davon entfernt, von Reproduktionsmedizinern wie auch von kinderlosen Paaren als befriedigend bezeichnet zu werden. Hier könnte die Zugabe eines Lockduftes helfen, die Ergebnisse deutlich zu verbessern. Gleichzeitig könnten auf der Grundlage bewegungsblockierender Düfte neue, hormonfreie Verhütungsmittel entwickelt werden. Man würde den Spermien sprichwörtlich „die Nase zuhalten“ und sie dadurch am Auffinden der Eizelle hindern.