Regulation des Zellvolumen in Eizelle und frühem Embryo

Von Univ.-Doz. Dr. Ebner

Frühembryonen sind besonders empfindlich hinsichtlich der Kulturbedingungen, denen sie ausgesetzt sind, und können deshalb schon bei relativ geringfügiger Schwankung mit einem kompletten Wachstumsarrest reagieren. Während die Komposition der verwendeten Kulturmedien sich immer mehr den in-vivo-Bedingungen annähert, muss ihre Osmolarität unter dem im Eileiter des Menschen (>360 mOsm) gemessenen Wert liegen (GM501 hat 270-290 mOsm), soll ein optimales Wachstum erzielt werden (Biggers, 2003). Als kritischer Grenzwert darf 310 mOsm angesehen werden (Dawson und Baltz, 1997). Wird dieser Schwellenwert überschritten (z.B. durch Evaporation bei Kultur ohne Mineralöl), kommt es zur Verringerung des Zellvolumens („Schrumpfung“) und MAP-Kinasen („mitogen-activated protein“) reagieren auf die entstandene Hyperosmolarität (Fong et al., 2007) und leiten eine Zellantwort ein, z.B. die Up-Regulierung von Aquaporinen (Wasserkanälen).Offensichtlich gelingt es bei grenzphysiologischen Bedingungen aber der Eizelle
bzw. dem Embryo ohne weiteres sich anzupassen, indem es extrazelluläre, also aus dem Kulturmedium stammende, Osmolyten requiriert. Solche organischen Osmolyten sind neben dem in der Säugerniere vorkommenden Betain vor allem die Aminosäuren Glutamin (Lawitts and Biggers, 1993) und Glycin (Van Winkle et al., 1990), beides wesentliche Bestandteile von GM501.

Deshalb ist Osmolarität immer in engem Zusammenhang mit der Volumenregulation der Eizelle bzw. des Embryos zu sehen. Während im Follikel die Größe der Eizelle eher passiv reguliert wird, also durch die Adhäsion zwischen Oolemma und innerer Zona pellucida, kann die Eizelle nach der Ovulation aktiv auf osmotische Verschiebungen reagieren. Im Wesentlichen ist die Primärantwort einer jeden Zelle eine Akkumulierung anorganischer Ionen (Na+, K+, Cl-), die über Membrankanäle in die Zelle eingebracht werden. Da bei längerer Dauer dieses Zustands die Eizelle Schaden nehmen würde, muss ein Großteil dieser anorganischen Ionen durch die oben erwähnten organischen Osmolyte ersetzt werden, die auch in hoher Konzentration die Zellfunktionen nicht beeinträchtigen (Yancey et al, 1982). Obwohl einige wenige Osmolyten in der Oozyte selber synthetisiert werden können, bedarf es für die Bereitstellung der wichtigsten osmotisch wirksamen Substrate spezieller aktiver Transportmechanismen. Allerdings zeigte sich, dass in der Eizelle und im frühen Embryo keine der vier am häufigsten anzutreffenden Transportsysteme (SMIT, BGTI, TAUT und ATA2) wirksam ist (Hammer und Baltz, 2002), sondern es wurde vielmehr bewiesen, dass ein primär auf Glycin zugeschnittenes Transportsystem (GLY) auch für viele andere organische Osmolyten (Glutamin, Prolin und Betain) zuständig ist (Ausnahme ß-Alanin und Taurin).

Interessanterweise können Eizellen durch Zugabe von Glycin ins Kulturmedium eine beträchtliche Hyperosmolarität (plus 70 mOsm) ausgleichen. Prinzipiell gilt, je höher die Osmolarität, desto mehr Glycin wird in die Zelle transportiert bzw. dort gespeichert. Glycin ist auf jeden Fall die am höchsten konzentrierte Aminosäure in den frühen Entwicklungsstadien, so wurden Werte um die 4-5 pmol pro Zelle gemessen, was einer Konzentration von ca. 20mM entspricht. Ändern sich die Kulturbedingungen drastisch, kann dieser Wert bis auf 50mM ansteigen (Baltz und Tartia, 2010). Umgekehrt müssen natürlich diese organischen Osmolyte wieder aus der Zelle entfernt werden, wenn das Zellvolumen die normale Ausdehnung überschreitet. Sobald die Eizelle anschwillt, werden ionengängige Membrankanäle aktiviert, die auch für organische Osmolyten (z.B. Taurin und Glycin) permeabel sind (Kolajova und Baltz, 2001). So wird von der Eizelle bzw. dem frühen Embryo über aktiven und passiven In- und Efflux von Wasser, Ionen und organischen Osmolyten größeren osmotischen Schwankungen entgegengewirkt. Zieht man diese wichtigen physiologischen Funktionen verschiedener Aminosäuren ins Kalkül, wird man feststellen, dass Kulturmedien ohne Zusatz von Aminosäuren längst nicht mehr zeitgemäß sind.