Das Gleichgewicht zwischen den Proteinen sorgt dafür, dass die Spermien schnell schwimmen

Spermien müssen schnell zu einem Ei schwimmen, um es zu befruchten, und so haben sie hydrodynamische Formen entwickelt. Der größte Teil des Platzes im Kopf der Spermien wird von der DNA eingenommen, die sie tragen, sodass die Zellen ihre DNA super eng zusammenrollen, um klein und stromlinienförmig zu bleiben. In den meisten Zelltypen ist die DNA um Proteine ​​gewickelt, die Histone genannt werden. Diese verpacken die DNA nicht fest genug für Spermien. Wenn sich also eine Samenzelle entwickelt, tauscht sie Histone gegen eine andere Art von Protein namens Protamine aus, die die DNA sehr eng wickeln.

Viele Arten, darunter Menschen, Mäuse und Fliegen, haben mehrere Arten von Protaminen. Wenn das Gleichgewicht zwischen den verschiedenen Typen nicht stimmt, ist die DNA des Spermiums möglicherweise nicht richtig verpackt und es kann sich verformen und absterben, wodurch das Tier unfruchtbar wird. Yukiko Yamashita, Mitglied des Whitehead Institute, und der ehemalige Doktorand Jun Park haben herausgefunden, warum dieses Ungleichgewicht bei der Fruchtfliege (Drosophila melanogaster) zu Unfruchtbarkeit führt. Der Befund, veröffentlicht in der Proceedings of the National Academy of Sciences am 10. April, zeigten einen Mechanismus, der verschiedene Arten von Protaminen ausgleicht, um die männliche Fruchtbarkeit sicherzustellen.

Mst77F ist ein wichtiges Fruchtfliegen-Protamin. Yamashita und Park stellten fest, dass das Fruchtfliegenprotamin Mst77Y, das mit Mst77F verwandt ist, die Funktion von Mst77F beeinträchtigen kann. Fruchtfliegen machen normalerweise viel Mst77F und wenig Mst77Y. Die Forscher fanden heraus, dass eine zu hohe Expression des Mst77Y-Gens, insbesondere wenn die Expression von Mst77F niedrig ist, den Prozess der DNA-Verpackung stört, was zu Unfruchtbarkeit führt.

Wie stört Mst77Y Mst77F? Die Forscher entdeckten, dass dies daran liegt, dass das Mst77Y-Gen fehlerhafte Protamine produziert. Es gibt mehrere Kopien von Mst77Y auf dem Y-Chromosom der Fliege. Sie haben sich wahrscheinlich aus einer Kopie von Mst77F entwickelt, die sich nicht auf einem Geschlechtschromosom befindet. Die verschiedenen Versionen von Mst77Y haben jedoch Teile verloren oder verändert, die sie benötigen, um zu funktionieren, sodass Mst77Y-Protamine im Gegensatz zum Mst77F-Protamin die DNA wahrscheinlich nicht eng um sich selbst wickeln können. Obwohl die Mst77Y-Protamine nicht richtig funktionieren, sind sie dominant: Wenn sie vorhanden sind, werden sie von der Samenzelle gegenüber den funktionellen Mst77F-Protaminen verwendet.

„Mst77Y ist ein halb kaputtes Werkzeug“, sagt Yamashita, der auch Professor für Biologie am Massachusetts Institute of Technology und Forscher am Howard Hughes Medical Institute ist. „Es ist in der Lage, das Arbeitswerkzeug Mst77F zu ersetzen, aber seine Aufgabe nicht zu erfüllen. Wenn also zu viel Mst77Y vorhanden ist, hat die Samenzelle nicht genügend Arbeitswerkzeuge, um ihre DNA zu verdichten.“

Die Forscher fanden auch heraus, wie Spermien die Expression von Mst77F hoch und Mst77Y niedrig halten: mit Hilfe eines Proteins namens Modulo. Damit eine von einem Gen abgelesene RNA in ein Protein umgewandelt werden kann, muss ihr ein Schwanz hinzugefügt werden, der aus einer Reihe von Adeninen besteht – einem der vier Bausteine, aus denen die RNA besteht. Modulo sorgt dafür, dass die Zelle diesen Schwanz bevorzugt an die für Mst77F kodierende RNA anfügt. Obwohl Yamashita und Park den genauen Mechanismus, durch den Modulo diese Vorzugsbehandlung gewährleistet, nicht ermittelten, beobachteten sie, dass Modulo und die Mst77F-RNA im selben Teil der Zelle, dem Nucleolus, zusammen gruppieren, während Mst77Y dies nicht tut.

Insgesamt erklären diese Ergebnisse, warum und wie Samenzellen von Fruchtfliegen die Spiegel dieser beiden Protamine sorgfältig ausgleichen. Die Forschung wirft jedoch die Frage auf, wofür die Samenzellen die nicht-funktionalen Mst77Y-Protamine verwenden? Yamashita und Park können nur spekulieren, aber die Antwort könnte mit ihrer Beobachtung zu tun haben, dass hohe Konzentrationen von Mst77Y mehr X-Chromosom-tragende Spermien als Y-Chromosom-tragende Spermien abtöteten.

Frühere Forschungen haben gezeigt, dass Protamine an einem Prozess beteiligt sein könnten, der als meiotischer Antrieb bezeichnet wird und den Tiere nutzen können, um das Geschlechterverhältnis ihrer Nachkommen zu verändern. Diese neue Arbeit steht nicht nur im Einklang mit dieser Hypothese, sondern liefert einen möglichen Mechanismus, um zu erklären, wie Protamine dazu beitragen. Die Forscher stellen fest, dass sie in diesem Experiment keine starke Wirkung auf das Geschlechterverhältnis der Nachkommen gesehen haben, hoffen jedoch, dass diese Arbeit die Voraussetzungen dafür schaffen könnte, die Rolle von nicht-funktionalen Protaminen im meiotischen Antrieb zu verstehen.

„Auf Zellebene konnten wir zeigen, dass dieses Protamin eine gewisse Grundlage dafür hat, ob X- oder Y-Chromosom-tragende Spermien überleben“, sagt Park. „Eine interessante nächste Frage wäre zu sehen, ob es bestimmte Bedingungen gibt, unter denen dieser Mechanismus deutlicher als Treiber auf der Ebene des Geschlechterverhältnisses der Nachkommen wirkt.“