Vererbung von Strahlenschäden Warum strahlungsbedingte Erbschäden eher vom Vater kommen

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Energiereiche Strahlung kann Gene beschädigen. Normalerweise werden kleinere Schäden direkt repariert. Doch eine Studie von Forschern der Uni Köln zeigt, dass diese Reparatur gerade im DNA-Speicher von Spermien oft scheitert. Dies führe dazu, dass Chromosomenveränderungen vor allem väterlicherseits vererbt werden.

Es ist eine seit Jahrzehnten ungelöste Frage in der Strahlenbiologie: Welche Auswirkungen haben Strahlenschäden auf die Nachkommen? Ein Forschungsteam um Prof. Dr. Björn Schumacher von der Uni Köln zeigt im Fadenwurm Caenorhabditis elegans, dass strahlungsbedingte Schäden in Spermien nicht repariert werden können. Der Grund: Die DNA ist zu dicht in den kleinen Zellköpfen der Spermien verpackt, um Schäden dort auszubessern.

Die langen DNA-Stränge sind auf so genannten Histonproteinen wie auf Kabeltrommeln aufgerollt. Diese vielen Kabeltrommeln werden dann dicht gestapelt und aneinandergestellt, sodass Schäden in den DNA-Strängen nicht mehr von Reparaturproteinen erreicht werden können. In der Zelle werden die Kabeltrommeln von den Histonproteinen HIS-24 und HPL-1 zusammengehalten.

Hyperkondensation von DNA

Wie Spermien ihre Koffer packen

Die Wissenschaftler zeigten, dass gezielte Verminderung dieser Histonproteine einem sehr präzises Reparatursystem Zugang erlaubt: Die väterlich vererbten Schäden werden nun komplett behoben und gesunde Nachkommen können gezeugt werden. Diese Histonproteine, die den Zugang der DNA für Reparaturen steuert, könnten somit effektive Therapieziele zur Behebung von Strahlenschäden darstellen.

Was läuft bei der Vererbung schief?

Anders als bei Spermien, greifen bei weiblichen Eizellen akkurate Reparaturmechanismen und beheben die Schäden. Wenn dort die Schäden zu groß sind und nicht repariert werden, stirbt die Zelle und keine Schäden werden weitervererbt. Wird die Eizelle hingegen mit einem Spermium befruchtet, das durch Strahlung beschädigt wurde, versuchen die Reparaturproteine der mütterlichen Zelle die männliche DNA zu reparieren. Hierzu wird aber ein sehr fehleranfälliger Reparaturmechanismus eingesetzt, der gebrochene Chromosomenstücke rein zufällig zusammensetzt. Die daraus entstehenden Nachkommen tragen nun die Chromosomenschäden weiter und deren Nachkommen wiederum zeigen dann erhebliche Entwicklungsfehler.

Die Forschung am Fadenwurm C. elegans legt die Grundlagen, um die Mechanismen für die vererbbaren Auswirkungen der väterlichen Strahlenbelastung auf die Gesundheit der Nachkommen besser zu verstehen.

Spermien beim Menschen vor Strahlung schützen

Zusätzlich zu den Arbeiten im Fadenwurm wies das Team die gleichen strukturellen Varianten, also die zufällig zusammengesetzten Chromosomen, auch bei Menschen nach. Auch hier werden diese Chromosomenveränderungen väterlicherseits vererbt. Hierzu analysierten die Wissenschaftler verschiedene Datensätze des 1.000-Genom-Projekts, welches die Genetischen Daten von mehr als eintausend Menschen beinhaltet, und des isländischen Projekts „Decode“ mit genetischen Daten der jeweiligen Mütter, Väter und Kinder.

„DNA-Veränderungen, insbesondere strukturelle Varianten in den Chromosomen, die in der väterlichen Keimbahn entstehen, werden verdächtigt, das Risiko von Krankheiten wie Autismus und Schizophrenie zu erhöhen“, sagt Forschungsleiter Schumacher. Dies bedeutet, dass auch beim Menschen die reifen Spermien vor Strahlenschäden besonders geschützt und beschädigte reife Spermien möglichst nicht zur Zeugung verwendet werden sollten. „Solche Schäden können etwa bei der Strahlen- oder Chemotherapie auftreten und sind demnach in den zwei Monaten, die es dauert, bis neue Spermien gebildet werden, ein Risiko“, erklärt der Wissenschaftler. Denn im Gegensatz zu reifen Spermien werden während dieser Neubildung Schäden durchaus repariert. (clu)

Originalpublikation: Wang, S., Meyer, D.H. & Schumacher, B.: Inheritance of paternal DNA damage by histone-mediated repair restriction. Nature (2022); DOI: 10.1038/s41586-022-05544-w

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