Role of ion channels and membrane potential in the initiation of carp sperm motility

Rôle des canaux ioniques et du potentiel membranaire dans l’initiation de la motilité des spermatozoïdes de carpes

¹ Department of Biophysics and Cell Biology, University Medical School, P.O. Box 38, Debrecen 4012, Debrecen Nagyerdei krt. 98, Hungary
² Misaki Marine Biological Station, Graduate School of Science, University of, Tokyo, Misaki, Miura, Kanagava 238-0225, Japan
³ St. Marianna University, Miyame, Kawasaki, Japan
⁴ Department of Obstetrics and Gynecology, University of Debrecen, 4012, Debrecen Nagyerdei krt. 98, Hungary
⁵ PET Centre, University of Debrecen, 4012, Debrecen Nagyerdei krt. 98, Hungary

Corresponding author: Krasznai@jaguar.dote.hu

Received: 5 November 2002
Accepted: 21 January 2003

Abstract

The exposure of freshly spawned, immotile carp sperm to hypoosmotic media triggers the initiation of calcium-dependent flagellar motility. Intracellular calcium concentration has been thought to be the critical component in motility initiation, possibly acting through a novel signalling pathway. The sensitivity of sperm cells to changes of osmolality of the environment raises the question whether a mechanoregulated osmosensitive calcium pathway is involved in the activation mechanism of carp sperm motility. The sperm cells are in a depolarized state in the seminal plasma ( Ψ = –2.6 ± 3 mV) and they hyperpolarize upon hypoosmosis-induced activation of motility (Ψ = –29 ± 4 mV). The intracellular sodium [Na⁺]_i, potassium [K⁺]_i and calcium [Ca²⁺]_i ion concentrations were determined in quiescent cells, and at 20, 60 and 300 s after activation. The [Na⁺]_i and [K⁺]_i of the quiescent cells were similar to the [Na⁺]_e and [K⁺]_e of the seminal plasma. Following hypoosmotic shock-induced motility, both [Na⁺]_i and [K⁺]_i decreased to one-fourth of the initial concentration. The [Ca²⁺]_i doubled at initiation of the motility of the sperm cells and remained unchanged for 5 min. Bepridil (50–250 μM), a blocker of the Na⁺/Ca²⁺ exchanger, blocked carp sperm motility reversibly. Gadolinium, a blocker of stretch-activated channels (10–20 μM), inhibited sperm motility in a dose-dependent manner and its effect was reversible. Hypoosmotic shock fluidized the membrane and gadolinium treatment made it more rigid in both quiescent cells and hypotonic shock treated but immotile sperm cells. Based on these observations, it is suggested that, besides the well-known function of potassium and calcium channels, stretch-induced conformational changes of membrane proteins are also involved in the sperm activation mechanism of common carp.

Résumé

L’exposition du sperme de carpe, fraîchement émis et non motile, à des milieux hypo-osmotiques déclenche l’initiation de la motilité des flagelles, cette motilité étant sensible à la concentration de calcium. La concentration de calcium intracellulaire est connue pour être un composant déterminant dans l’initiation de la motilité, agissant probablement au travers d’une signalisation calcique nouvelle. La sensibilité des spermatozoïdes aux modifications d’osmolalité de l’environnement soulève la question de savoir si le canal calcique osmosensitif et mécano-régulé est impliqué dans le mécanisme de l’activation de la motilité des spermatozoïdes de carpe. Dans le plasma séminal, la membrane des spermatozoïdes est soit dans un état de dépolarisation (Ψ = –2.6 ± 3 mV) soit d’hyperpolarisation lors de l’induction de la motilité par hypo-osmose de l’activation de la motilité (Ψ = –29 ± 4 mV). Les concentrations ioniques de sodium [Na⁺]_i, de potassium [K⁺]_i et de calcium [Ca²⁺]_i intracellulaires ont été déterminées dans les cellules en repos, ainsi qu’à 20, 60 and 300 s après activation. Les concentrations de [Na⁺]_i et de [K⁺]_i des cellules quiescentes étaient similaires à celles de [Na⁺]_e et [K⁺]_e, c’est-à-dire celles du plasma séminal. Suite à la motilité induite par le choc hypo-osmotique, les concentrations en [Na⁺]_i et [K⁺]_i diminuent pour atteindre 25% de la concentration initiale, alors que le [Ca²⁺]_i double lors de l’initiation de la motilité des cellules du sperme, mais reste inchangée pendant les 5 min suivantes. Le Bepridil (50–250 μM), un agent bloquant de l’échangeur ionique Na⁺/Ca²⁺, bloque la motilité du sperme de carpe de façon réversible. Le Gadolinium (10–20 μM), un agent bloquant des canaux activés par des contraintes mécaniques, inhibe la motilité du sperme, et son effet est réversible. Il est postulé que le choc hypo-osmotique rend plus fluide la membrane du spermatozoïde et que le traitement au Gadolinium la rend plus rigide, aussi bien chez les cellules quiescentes que chez les cellules soumises à un choc hypotonique mais non motiles. D’après ces observations, nous pouvons suggérer qu’à côté de la fonction bien connue des canaux ioniques potassium et calcium, les modifications conformationnelles, induites par des contraintes mécaniques, des protéines membranaires sont aussi impliquées dans le mécanisme d’activation des spermatozoïdes de la carpe.