In menschlichen Spermien ist unser Erbgut besonders dicht gepackt: 23 DNA-Fäden mit einer Gesamtlänge von rund einem Meter stecken in einem Kopf mit einem Durchmesser von nur drei tausendstel Millimetern. Dazu ist die DNA um bestimmte Proteine gewickelt, sogenannte Protamine. Um die Rolle dieser Moleküle besser zu verstehen, haben Forscher nun Mäuse gezüchtet, bei denen eine Art von Protaminen defekt ist. Bei diesen Tieren konnte die DNA nicht richtig im Spermienkopf verpackt werden, die Mäusemännchen waren unfruchtbar. Womöglich könnten die Ergebnisse auch dabei helfen, Gründe für Unfruchtbarkeit bei menschlichen Männern zu erforschen.
In den Zellkernen unseres Körpers bildet unser Erbgut ein komprimiertes, aber noch relativ lockeres Knäuel: Wie bei einer Perlenkette sind die langen DNA-Fäden um bestimmte Verpackungsproteine, die Histone, gewickelt. Für die Fortpflanzung jedoch muss die väterliche Erbinformation noch weiter komprimiert werden, um in den winzigen Kopf der Spermien zu passen. Dabei kommt eine andere Art von Verpackungsproteinen zum Einsatz: Die sogenannten Protamine ziehen die DNA stark an und ermöglichen so, dass sich die Erbgutstränge besonders eng um sie wickeln – ein Prozess, den Biologen als Hyperkondensation bezeichnen.
Der Spermienentwicklung auf der Spur
„Die meisten Säugetiere scheinen nur eine einzige Sorte von Protaminen zu produzieren, das PRM1“, erklärt Lena Arévalo vom Universitätsklinikum Bonn. „Bei Menschen, aber auch Nagetieren wie der Maus ist das anders – sie verfügen noch über einen zweiten Typ, das PRM2.“ Gemeinsam mit ihrem Team hat Arévalo das PRM2 nun näher erforscht. „Im Gegensatz zu PRM1 wird PRM2 als Vorläuferprotein gebildet“, erläutern die Forscher. Ein Teil dieses Vorläuferproteins, genannt cP2, wird im Laufe der Spermienentwicklung nach und nach abgeschnitten. Der verbliebene Teil, sogenanntes reifes PRM2, interagiert dann mit der DNA und vermittelt gemeinsam mit PRM1 die Hyperkondensation.
„Es wird angenommen, dass die Entfernung der cP2-Domäne für eine ordnungsgemäße Kondensation unerlässlich ist, doch ist die Rolle von cP2 noch nicht geklärt“, so die Forscher. Um mehr über die Funktion dieses abzuspaltenden Proteinstücks herauszufinden, züchteten sie Mäuse, die sie genetisch so veränderten, dass ihnen die cP2-Domäne fehlte und sie direkt nur den reifen Teil des PRM2 produzierten. Dabei zeigte sich, dass bei den Mäusemännchen ohne cP2 die Entwicklung der Spermien gestört war. Die Tiere waren unfruchtbar.
Störungen im Verpackungsprozess
Ein wichtiger Prozess, der ohne cP2 nur fehlerhaft abläuft, ist der Übergang der DNA von Histonen auf Protamine. Normalerweise kommen dabei Übergangsproteine zum Einsatz – doch ohne cP2 sind die Interaktionen zwischen Histonen, Übergangsproteinen und Protaminen offenbar gestört. „Außerdem scheint die Verdichtung des Erbguts bei Mäusen ohne cP2 zu schnell abzulaufen, sodass die DNA-Fäden brechen oder anderweitig Schaden nehmen“, berichtet Arévalo. Ob ähnliche Probleme auch bei menschlichen Männern auftreten und ob Protamin-Defekte ein Grund für männliche Unfruchtbarkeit sein könnte, wollen die Forscher in weiteren Studien herausfinden.
„Es gibt nur wenige Gruppen, die die Rolle der Protamine bei der Hyperkondensation analysieren“, sagt Arévalos Kollege Hubert Schorle. „Als bislang einzigem Labor weltweit ist es uns gelungen, Mauslinien zu züchten, mit denen sich bestimmte Defekte beider PRM-Gene gezielt studieren lassen. Das ermöglicht es uns und anderen, die Prozesse bei der Spermienentstehung weiter zu erforschen.“
Quelle: Lena Arévalo (Universitätshospital Bonn) et al., PLOS Genetics; doi: 10.1371/journal.pgen.1010272
KI-Sprachmodell analysiert und entwirft DNA-Sequenzen
