Analyse der Regulation des Flagellenschlags mit Hilfe der Optogenetik

• Antragstellerin: Professorin Dr. Dagmar Wachten, seit 10/2018
• Fachliche Zuordnung: Zellbiologie ; Biophysik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 365450677

Mikroschwimmer wie z. B. Grünalgen oder Spermien besitzen ein Flagellum auf der Zelloberfläche, das sie zur Fortbewegung nutzen. Das Flagellum fungiert jedoch nicht nur als Propeller, der die Zelle vorwärts bewegt, sondern auch als Antenne, um Reize aus der Umgebung wahr zu nehmen. Diese Signale werden im Flagellum integriert und steuern so den Flagellenschlag und damit das Schwimmverhalten. Für die Regulation des Flagellenschlags bei Spermien sind sekundäre Botenstoffe, wie v. a. die zyklischen Nukleotide, wichtig. Diese zyklisch Nukleotid-gesteuerten Signalwege sind evolutionär konserviert und kontrollieren den Flagellen- und Zilienschlag in Pantoffeltierchen, in der Grünalge Chlamydomonas, in Lungenepithelzellen, aber auch in Säugetierspermien.In Säugetierspermien ist cAMP essentiell für die Spermienmotilität. Spermien ohne cAMP-Synthese sind unbeweglich und können die Eizelle nicht befruchten. Über die räumliche Organisation der cAMP-Dynamiken entlang des Flagellums und wie diese den Flagellenschlag kontrollieren, ist jedoch nichts bekannt. Erste Daten zeigen, dass das Schlagmuster entlang des Flagellums nicht homogen ist: das letzte Drittel des Flagellums weist eine höhere Schlagfrequenz auf als der Rest des Flagellums. In unserer Arbeitsgruppe wurden zwei transgene Mausmodelle etabliert, die es ermöglichen mit Hilfe der Optogenetik, d. h. mit Licht, die cAMP-Konzentration lokal im Flagellum zu verändern. Das eine Mausmodell exprimiert spezifisch im Spermienflagellum die licht-aktivierte Adenlyatzyklase bPAC, das andere Mausmodell die licht-aktivierte Phosphodiesterase LAPD. In Kombination mit einem micro mirror illumination system wollen wir nun mit zeitlicher und räumlicher Auflösung die cAMP-Konzentration entlang des Flagellums verändern. Um tatsächlich auch cAMP-Dynamiken messen zu können, haben wir einen neuen FRET-basierten cAMP-Sensor generiert, der es ermöglicht, cAMP-Dynamiken in Flagellen zu messen. Auch hierzu haben wir eine transgene Mauslinie generiert. Mit Hilfe diese neu etablierten Methoden ist unser Ziel, die cAMP-Dynamiken im Spermienflagellum mit der Kompartimentierung des Schlagmusters räumlich und zeitlich zu korrelieren und damit die fundamentale Frage zu beantworten: Wie wird der Flagellenschlag durch cAMP reguliert?

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1726: Mikroschwimmer - Von Einzelpartikelbewegung zu kollektivem Verhalten
• Ehemaliger Antragsteller: Dr. Jan Fritz Jikeli, bis 10/2018