Spermien sind Meister der Tetris-Verpackung

Wenn Sie vor Urlaubsantritt mal wieder über einen viel zu kleinen Koffer stöhnen, sollten Sie sich menschliche Samenzellen zum Vorbild nehmen. Bei ihrer Herstellung stehen sie vor einer fast unlösbaren Aufgabe. Sie müssen 23 DNA-Fäden mit einer Gesamtlänge von einem Meter in einen Kopf mit einem Durchmesser von nur drei Tausendstel Millimetern packen. Dabei dürfen sich die feinen Fäden weder in einem unlösbaren Knoten verheddern noch reißen.

Wir setzen uns oft auf den Koffer, um ihn zu schließen. Zu einem ähnlichen Trick greift der Körper bei der Spermatogenese. Normalerweise bildet DNA ein vergleichsweise lockeres Knäuel. In Samenzellen ist es jedoch enorm komprimiert. „Würde DNA unter normalen Umständen so viel Platz einnehmen wie eine Wassermelone, wären Samenzellen nur so groß wie ein Tennisball“, sagt Prof. Dr. Hubert Schorle vom Institut für Pathologie des Universitätsklinikums Bonn.

DNA muss enorm komprimiert werden

Biologen nennen diesen Vorgang Hyperkondensation. In lockerem Zustand sind DNA-Fäden um zahlreiche kugelförmige Eiweißmoleküle, die Histone, gewickelt. In diesem Zustand ähneln sie 23 winzigen Perlenketten. Bei der Hyperkondensation werden zunächst die Histone gegen Übergangsproteine ​​ausgetauscht. Diese werden in einem weiteren Schritt durch sogenannte Protamine ersetzt. Aufgrund ihrer chemischen Zusammensetzung üben Protamine eine sehr starke Anziehungskraft auf die DNA aus. Der Faden legt sich daher in sehr festen und engen Schlingen um das Protamin.

„Die meisten Säugetiere scheinen nur eine Art von Protamin zu produzieren, PRM1“, erklärt Dr. Lena Arévalo, Postdoktorandin in Schorles Gruppe. „Bei Menschen, aber auch Nagetieren wie Mäusen ist das anders – sie haben einen zweiten Typ, PRM2.“ Wofür genau dieses zweite Protamin benötigt wird, war bisher nicht bekannt. Es war jedoch bekannt, dass einige Teile davon während der Spermienentwicklung sukzessive abgeschnitten werden.

Und genau diese abgeschnittenen Teile scheinen immens wichtig zu sein, so die neue Studie, die in veröffentlicht wurde PLOS-Genetik. Wenn Mäuse nur ein verkürztes PRM2-Molekül produzieren, dem die abgeschnittenen Schnipsel fehlen, sind sie unfruchtbar. „Die Entfernung von Übergangsproteinen während der Hyperkondensation ist beeinträchtigt“, sagt Arévalo. „Außerdem scheint die Kondensation zu schnell voranzuschreiten, wodurch die DNA-Stränge brechen.“

Hoffnung auf Therapien gegen männliche Unfruchtbarkeit

Es ist möglich, dass ein Mangel an Protamin 2 auch bei Männchen unserer eigenen Art zu Unfruchtbarkeit führen kann. Das Team plant nun, diese Hypothese weiter zu untersuchen. „Es gibt nur wenige Forschungsgruppen, die die Rolle von Protaminen bei der Hyperkondensation analysieren“, sagt Schorle, die auch Mitglied der Transdisciplinary Research Area (TRA) „Life and Health“ an der Universität Bonn ist.

„Wir sind bisher das einzige Labor weltweit, dem es gelungen ist, sowohl PRM1- als auch PRM2-defiziente Mauslinien zu erzeugen und zu züchten, die nun verwendet werden, um die Rolle dieser Proteine ​​bei der Spermatogenese zu untersuchen.“ Mittelfristig könnte dies auch zu neuen Therapien gegen männliche Unfruchtbarkeit führen, hofft der Forscher.