Viele eukaryotische Zellen besitzen Zilien oder Flagellen. Charakteristisch für diese Zellausläufer ist ihr hoch-konserviertes Zytoskelett (Axonem), das aus ringförmig angeordneten Mikrotubuli-Doublets besteht. Der Zilien- bzw. Flagellenschlag wird durch die koordinierte Aktivität von Motorproteinen innerhalb des Axonems gesteuert. Seit langem ist bekannt, dass in vielen Zelltypen – von der Alge bis zum Spermium – intrazelluläres Ca2+ eine Schlüsselrolle bei der Kontrolle des Flagellenschlags spielt.
Spermien können ihre Schwimmbahn anhand chemischer Wegweiser - Lockstoffe - ausrichten, die von der Eizelle abgegeben werden. Das Navigieren der Spermien in einem Lockstoffgradienten, der die Eizelle umgibt, wird als „Spermien-Chemotaxis“ bezeichnet. Die Lockstoffe binden an Lockstoff-Rezeptoren in der Flagellenmembran, wodurch eine Signalkaskade aktiviert wird; an deren Ende strömt Ca2+ in das Flagellum. Dieser Ca2+-Einstrom ändert den Flagellanschlag und das Schwimmverhalten. Frühere Studien ließen vermuten, dass der Flagellenschlag von der absoluten intrazellulären Ca2+-Konzentration bestimmt wird. Unsere Forschung an Seeigel-Spermien zeigt jedoch, dass die Krümmung der Schwimmbahn nicht mit der Ca2+-Konzentration, sondern mit deren zeitlichen Änderung (d[Ca2]]i/dt) korreliert. Dies deutet darauf hin, dass der Flagellenschlag über einen adaptiven Mechanismus kontrolliert wird.
Viele wichtige Fragen zur Spermienmotilität und Chemotaxis sind nach wie vor ungeklärt. Diese Fragen bilden den Schwerpunkt unserer aktuellen Forschung: Wie genau entschlüsseln die Spermien einen chemischen Gradienten, und wie setzen sie die Information in Bewegung um? Wo liegen die physikalischen Grenzen der Chemosensorik im Spermium? Wie kann man die dreidimensionale Schwimmbahn verfolgen?
Gadadhar, S., Alvarez Viar, G., Hansen, J.N., Gong, A., Kostarev, A., Ialy-Radio, C., Leboucher, S., Whitfield, M., Ziyyat, A., Toure, A., et al. (2021). Tubulin glycylation controls axonemal dynein activity, flagellar beat, and male fertility. Science 371, eabd4914. 
Trötschel, C., Hamzeh, H., Alvarez, L., Pascal, R., Lavryk, F., Bönigk, W., Körschen, H.G., Müller, A., Poetsch, A., Rennhack, A., Gui, L.,
Nicastro, D., Strünker, T., Seifert, R., and Kaupp, U. B. (2019).
Absolute proteomic quantification reveals design principles of sperm flagellar chemosensation. EMBO J, e102723.
Gong, A., Rode, S., Kaupp, U.B., Gompper, G., Elgeti, J., Friedrich, B.M., and Alvarez, L. (2020). The steering gaits of sperm. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci 375, 20190149.
Hamzeh, H., Alvarez, L., Strünker, T., Kierzek, M., Brenker, C., Deal, P.E., Miller, E.W., Seifert, R., and Kaupp, U.B. (2019). Kinetic and photonic techniques to study chemotactic signaling in sea urchin sperm. Methods Cell Biol 151, 487–517.
Saggiorato, G., Alvarez, L., Jikeli, J., Kaupp, U.B., Gompper, G. and Elgeti, J. (2017). Human sperm steer with second harmonics of the flagellar beat. Nat Commun 8, 1405. 
Alvarez, L. (2017). The tailored sperm cell. J Plant Res 130, 455-464.
Kaupp, U.B. & Alvarez, L. (2016). Sperm as microswimmers - navigation and sensing at the physical limit. Eur Phys J Spec Top 225, 2119-2139.
Björkgren, I., Alvarez, L., Blank, N., Balbach, M., Turunen, H., Laajala, T.D., Toivanen, J., Krutskikh, A., Wahlberg, N., Huhtaniemi, I., Poutanen, M., Wachten, D., and Sipilä, P. (2016). Targeted inactivation of the mouse epididymal beta-defensin 41 alters sperm flagellar beat pattern and zona pellucida binding. Mol Cell Endocrinol 427, 143-154.
Mukherjee, S., Jansen, V., Jikeli, J.F., Hamzeh, H., Alvarez, L., Dombrowski, M., Balbach, M., Strünker, T., Seifert, R., and Kaupp, U.B. (2016). A novel biosensor to study cAMP dynamics in cilia and flagella. eLife 5, e14052.
Fechner, S., Alvarez, L., Bönigk, W., Müller, A., Berger, T., Pascal, R., Trötschel, C., Poetsch, A., Stölting, G., Siegfried, K.R., Seifert, R., and Kaupp, U.B. (2015). A K+-selective CNG channel orchestrates Ca2+ signalling in zebrafish sperm. eLife, e07624.
Jikeli, J., Alvarez, L., Friedrich, B.M., Wilson, L.G., Pascal, R., Colin, R., Pichlo, M., Rennhack, A., Brenker, C., and Kaupp, U.B. (2015). Sperm navigation along helical paths in 3D chemoattractant landscapes. Nat Commun 6, 7985.
Strünker, T., Alvarez, L., and Kaupp, U.B. (2015). At the physical limit — chemosensation in sperm. Curr Opin Neurobiol 34, 110-116.
Jansen, V., Alvarez, L., Balbach, M., Strünker, T., Hegemann, P., Kaupp, U.B., and Wachten, D. (2015). Controlling fertilization and cAMP signaling in sperm by optogenetics eLife 4, e05161.
Seifert, R., Flick, M., Bönigk, W., Alvarez, L., Trötschel, C., Poetsch, A., Müller, A., Goodwin, N., Pelzer, P., Kashikar, N.D., Kremmer, E., Jikeli, J., Timmermann, B., Kuhl, H., Fridman, D., Windler, F., Kaupp, U.B., and Strünker, T. (2015). The CatSper channel controls chemosensation in sea urchin sperm. EMBO J 34, 379-392.
Schiffer, C., Müller, A., Egeberg, D.L., Alvarez, L., Brenker, C., Rehfeld, A., Frederiksen, H., Wäschle, B., Kaupp, U.B., Balbach, M., Wachten, D., Skakkebaek, N.E., Almstrup, K., and Strünker, T. (2014). Direct action of endocrine disrupting chemicals on human sperm. EMBO Rep, e201438869.
Alvarez, L., Friedrich, B.M., Gompper, G., and Kaupp, U.B. (2014). The computational sperm cell. Trends Cell Biol 24, 198-207.
Krähling, M., Alvarez, L., Debowski, K., Van, Q., Gunkel, M., Irsen, S., Al-Amoudi, A., Strünker, T., Kremmer, E., Krause, E., Voigt, I., Wörtge, S., Waisman, A., Weyand, I., Seifert, R., Kaupp, U.B., and Wachten, D. (2013). CRIS- a novel cAMP-binding protein controlling spermiogenesis and the development of flagellar bending. PLoS Genetics, e1003960.
Hirohashi, N., Alvarez, L., Shiba, K., Fujiwara, E., Iwata, Y., Mohri, T., Inaba, K., Chiba, K., Ochi, H., Supuran, C. T., Kotzur, N., Kakiuchi, Y., Kaupp, U.B., and Baba, S.A. (2013). Sperm from Sneaker Male Squids Exhibit Chemotactic Swarming to CO2. Curr. Biol. 23, 775-781.
Kashikar, N. D., Alvarez, L., Seifert, R., Gregor, I., Jäckle, O., Beyermann, M., Krause, E., and Kaupp, U.B. (2012). Temporal sampling, resetting, and adaptation orchestrate gradient sensing in sperm. J. Cell Biol 198, 1075-1091..
Alvarez, L., Dai, L., Friedrich, B. M., Kashikar, N., Gregor, I., Pascal, R., and Kaupp, U.B. (2012). The rate of change in Ca2+ concentration controls sperm chemotaxis. J Cell Biol 196, 653-663.
Kilic, F., Kashikar, N.D., Schmidt, R., Alvarez, L., Dai, L., Weyand, I., Wiesner, B., Goodwin, N., Hagen, V., and Kaupp, U.B. (2009). Caged progesterone: a new tool for studying rapid nongenomic actions of progesterone. J Am Chem Soc 131, 4027-4030.
Alvarez, L. J., Thomen, P., Makushok, T., and Chatenay, D. (2007). Propagation of fluorescent viruses in growing plaques. Biotechnol Bioeng 96, 615-621.
Neuroscience Master Course:
“Signal Transduction studied with dyes, light-driven proteins, and genetically encoded biosensors”