Veränderungen an Aminosäuren im Sperma könnten der Grund für die Unfruchtbarkeit sein

Spermien spielen eine entscheidende Rolle bei der Entstehung neuen Lebens und liefern im Wesentlichen die Hälfte des benötigten genetischen Materials.

Der Erfolg dieses Prozesses hängt von der Bildung einer entwicklungsfähigen Samenzelle ab, die oft durch die Form bestimmt wird. Tatsächlich wird bei der In-vitro-Fertilisation das „schönste“ Sperma ausgewählt, um eine Eizelle zu befruchten.

Allerdings lässt sich aufgrund zahlreicher Störfaktoren nur schwer beurteilen, wie sich diese optimale Form auf die ordnungsgemäße Funktion der Spermien auswirkt.

Forscher der University of Michigan befassen sich nun mit den Details der Spermienbildung auf molekularer Ebene und konzentrieren sich dabei insbesondere darauf, wie Anomalien in diesem Prozess zu männlicher Unfruchtbarkeit führen können.

Im Gegensatz zu anderen Zellen im Körper besitzen Spermien eine einzigartige Eigenschaft: Ihr genetisches Material ist vollgepackt mit Proteinen, die Protamine genannt werden.

Protamine wurden in verschiedenen lebenden Organismen wie Pflanzen, Fischen und Säugetieren gefunden und erstrecken sich über Hunderte Millionen Jahre der Evolution.

Die Bedeutung dieses auf Protaminen basierenden Verpackungssystems für Spermien wirft eine interessante Frage auf: Warum verwenden Spermien Protamine zum Verpacken der DNA und nicht Histone, die von allen anderen Zelltypen verwendet werden?

Um die Bedeutung von Protaminen für die Fortpflanzung aufzudecken, führten Saher Sue Hammoud, Ph.D., Sy Redding, Ph.D., Lindsay Moritz, Ph.D., Samantha Schon, MD, und ihr Team eine eingehende Studie durch Die molekulare Sequenzzusammensetzung von Protaminen soll untersucht werden, um zu verstehen, wie Variationen in der Proteinwirkung funktionieren.

„Wir haben begonnen, uns mit Protaminen zu befassen, weil sie in vielen Tierarten vorkommen und sich auch schnell weiterentwickeln, sodass es viele Sequenzvariationen gibt“, sagte Hammoud, außerordentlicher Professor für Humangenetik, Geburtshilfe, Gynäkologie und Urologie.

Die meisten Säugetiere verfügen über mehrere Arten von Protaminen und diese müssen in einem genau definierten Verhältnis gehalten werden, und Abweichungen in diesem Verhältnis werden mit Unfruchtbarkeit in Verbindung gebracht.

Konventionelle Erkenntnisse gehen davon aus, dass Protamine besonders effizient darin sind, DNA dicht in dichte Strukturen namens Chromatin zu verpacken, da sie reich an Arginin sind, einer positiv geladenen Aminosäure, die sich stark an die negativ geladene DNA bindet.

Jüngste Studien haben jedoch gezeigt, dass Protamine auch Nicht-Arginin-Aminosäuren enthalten, die speziesspezifisch sind und unerwartete posttranslationale Modifikationen aufweisen, die Proteine ​​nach ihrer Herstellung chemisch verändern.

Diese Studie wurde in der Zeitschrift veröffentlicht Struktur- und Molekularbiologie der Naturerforscht bisher unerkannte Eigenschaften von Protaminen.

„Die Moleküle, die interagieren und DNA verpacken, weisen bekanntermaßen positiv geladene Merkmale auf. Das wirklich Schöne an dieser Arbeit ist, dass sie andere in diesen Proteinen eingebettete Logiken enthüllt, die wir nie wirklich in Betracht gezogen haben, und andere Aminosäuren, die ebenfalls sehr wichtige Aufgaben erfüllen.“ sagte Redding, Assistenzprofessor für Biochemie und Molekulare Biotechnologie an der Chan Medical School der University of Massachusetts.

Interessant war außerdem das Vorhandensein posttranslationaler Modifikationen an Protaminen, obwohl Spermien nicht transkriptionell aktiv sind.

„Die Tatsache, dass Protamine all diese unterschiedlichen Modifikationen aufweisen, legt nahe, dass diese Modifikationen eine gewisse Funktion bei der Chromatinverpackung haben müssen“, sagte Moritz, Postdoktorand im Hammoud Lab und Co-Erstautor der Arbeit.

An Mäusen analysierten sie einen modifizierten Lysinrest, der für ein Mäuseprotamin spezifisch ist und in reifen Mäusespermien vorhanden ist. Der Ersatz von Lysin durch eine Alanin-Aminosäure (die nicht verändert werden kann) führte zu abnormal geformten Spermien, einer beeinträchtigten Embryonalentwicklung und einer verminderten Fruchtbarkeit.

Noch überraschender war, dass der Ersatz des Lysins durch ein positiv geladenes Arginin die fehlerhafte Spermienverpackung nicht korrigierte, was bedeutet, dass die Wechselwirkungen über die Ladung des Moleküls hinausgehen.

Für männliche Unfruchtbarkeit gibt es oft keine eindeutige Ursache, was die Bedeutung der Untersuchung dieser Veränderungen unterstreicht.

Schon, Assistenzprofessor an der UM-Abteilung für Geburtshilfe und Gynäkologie und Co-Erstautor des Artikels, bemerkte: „Ich denke, diese Modifikationen sind als weiterer Forschungsweg und zur Identifizierung der Ursache von Unfruchtbarkeit und der Tatsache, dass sie eine Rolle spielen könnten, interessant.“ im frühen Embryo hat eine große Bedeutung als potenzielles Diagnoseinstrument und nach der Befruchtung für IVF.“

Das Team hofft, als Nächstes die Mechanismen der Spermienverpackung genauer untersuchen zu können, in der Hoffnung, den Prozess vollständig in vitro nachzubilden.