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Zusammenfassung

The sea urchin Arbacia punctulata is a model organism to study sperm chemotaxis and fertilization. A milestone in this research field was the discovery of the chemoreceptor guanylate cyclase (GC) that is situated in the plasma membrane of sperm flagella. GC binds a chemoattractant called resact, that is released by the oocyte of sea urchins. The sensitivity of A. punctulata sperm toward resact is so remarkably high, that they can follow a picomolar gradient of resact toward the egg. Even binding of single molecules can alter the swimming behavior of sperm. Receptor-type guanylate cyclases serve as chemoreceptors in many species, but their oligomeric state and spatial organisation in situ are up to now unknown. In case of A. punctulata sperm, the GC is expressed in high copy numbers in the flagellar membrane. This high density allows probing its supramolecular architecture by cryo-electron tomography of frozen cells. Here I reveal the spatial organization of GC along the sperm flagellum, determining for the first time also its oligomeric state. The GC is organized as a stripe of dimers, that winds like a helix around the flagellum. The chemoreceptors cover about 26% of the flagellar surface. The GC organization combined with the extremely high density and additional high affinity for resact may contribute to the exquisite chemotactic sensitivity of A. punctulata sperm. Finally, the helical organization might be a tool to contribute to the flexibility of the flagellum during beating.

Der Seeigel Arbacia punctulata ist ein Modellorganismus um Spermienchemotaxis und die Befruchtung der Eizelle zu untersuchen. Ein Meilenstein für das Verständnis Spermienchemotaxis war die Entdeckung eines Chemorezeptors, der Guanylat Zyklase (GC), der in der Flagellenmembran der Spermien zu finden ist. Die GC bindet den chemischen Lockstoff Resact, der von der Eizelle ins Meerwasser abgegeben wird. Die Sensitivität der Spermien gegenüber Resact ist so hoch, dass sie einem Gradienten von picomolarer Resact Konzentration zur Eizelle folgen können. Schon die Bindung einzelner Resact Moleküle reicht aus, um die Schwimmbewegung der Spermien zu verändern. Rezeptor-typ Guanylat Zyklasen sind in vielen Spezies als Chemorezeptoren bekannt. Ihren oligomeren Zustand oder ihre räumliche Organisation im nativen Organismus hat bisher allerdings noch niemand aufgeklärt. In den A. punctulata Seeigelspermien ermöglicht eine extrem hohe GC Dichte die strukturelle Untersuchung mittels Kryoelektronentomografie. Ich konnte den Oligomeren Zustand und die Verteilung der GC auf dem Flagellum aufklären. Die GC bildet eine Kette von Dimeren, die helikal um das Flagellum gewunden ist. 26% der Flagellenoberfläche werden von der GC bedeckt. Diese hohe Dichte, die räumliche Organisation sowie eine sehr hohe Affinituat für Resact könnten einen Teil des Mechanismusses bilden, der für die exquisite Sensitivität gegenüber Resact verantwortlich ist. Die helikale Organisation könnte auch eine Struktur darstellen, die die Flexibilität des Flagellums während der Schwimmbewegung unterstützt.