Die Hoden der meisten Säugetiere werden im Hodensack gekühlt, und erhöhte Hodentemperaturen führen zu einem Versagen der Spermatogenese und männlicher Unfruchtbarkeit. Ein Forschungsteam unter der Leitung von Shosei Yoshida vom National Institute for Basic Biology in Japan hat diesen Prozess anhand von Organkulturen detailliert beschrieben und festgestellt, dass die Spermatogenese in mehreren Schritten auf heikle temperaturabhängige Weise beeinträchtigt wird.
Obwohl die Spermatogenese bei 34 Grad Celsius (Skrotaltemperatur) abgeschlossen ist, wirkt sich eine Erwärmung auf 37–38 Grad Celsius (Temperaturen im Unterleib) insbesondere stark auf die Meiose aus – den Prozess der Trennung homologer Chromosomen in haploide Spermien – und die beschädigten Zellen werden einer Zelle unterzogen Tod. Diese Studie demonstriert den Nutzen der Organkultur und wird die Untersuchung der Hitzeanfälligkeit bei der Spermatogenese vorantreiben.
Es wurden viele Studien zur Hitzebeeinträchtigung der Spermatogenese durch Erhöhen der Hodentemperatur unter Verwendung von Tiermodellen durchgeführt, beispielsweise durch chirurgische Verlagerung des Hodens in den Bauch. Die tatsächliche Hodentemperatur konnte jedoch in diesen Experimenten nicht kontrolliert werden. Darüber hinaus können die Wirkungen extratestikulärer Faktoren wie des endokrinen und des Nervensystems nicht ausgeschlossen werden. Um diese Einschränkungen zu überwinden, nutzte die Forschungsgruppe die von Takehiko Ogawa und Kollegen an der Yokohama City University entwickelte Testis-Organkulturumgebung, die eine vollständige Spermatogenese in Inkubatoren unterstützt.
Durch die Kultivierung von Maushoden bei unterschiedlichen Temperaturen wurde festgestellt, dass die Spermatogenese in mehreren Schritten fehlschlug (z. B. Fortschreiten der Meiose und Bildung und Transformation haploider Zellen), was eine starke Temperaturabhängigkeit zwischen 30 Grad Celsius und 40 Grad Celsius zeigte. Yoshida sagt, sie hätten „nicht erwartet, dass ein so heikles Ensemble aus mehreren temperaturabhängigen Ereignissen dieses bekannte Phänomen untermauern würde. Diese Entdeckung hätte nur mithilfe eines Organkultursystems erzielt werden können.“
Die Gruppe enthüllte weiter, dass die Meiose, durch die sich homologe Chromosomen in haploide Spermien aufspalten, bei 37–38 Grad Celsius stark beeinträchtigt war. Insbesondere die Reparatur von DNA-Doppelstrangbrüchen und die homologe Chromosomenpaarung, die Voraussetzungen für eine ordnungsgemäße Chromosomentrennung sind, waren beeinträchtigt. Beschädigte Zellen werden durch einen Überwachungsmechanismus oder einen Kontrollpunkt dem Zelltod unterzogen.
Kodai Hirano, der Hauptverantwortliche für diese Studie, sagt: „Es war überraschend, dass essentielle Prozesse wie die Meiose bei normalen Körperkerntemperaturen leicht geschädigt werden können. Durch die kombinierten Funktionen von Hodensack und Kontrollpunkt entwickelten sich nur Spermien bei niedrigen Temperaturen befruchtet Eier, um die nächste Generation zu erzeugen. Schlüsselfragen für zukünftige Studien sind der molekulare Mechanismus der Hitzeempfindlichkeit und die biologische Bedeutung niedriger Temperaturen bei der Spermienproduktion.“
Diese Studie ist erschienen in Kommunikationsbiologie.
Temperaturempfindlichkeit der Reparatur von DNA-Doppelstrangbrüchen untermauert hitzeinduziertes meiotisches Versagen bei der Spermatogenese der Maus, Kommunikationsbiologie (2022). DOI: 10.1038/s42003-022-03449-y
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