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Hyperkondensation von DNA Wie Spermien ihre Koffer packen

Quelle: Pressemitteilung

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Sie schaffen es, einen riesigen Wust aus DNA-Strängen auf kleinstem Raum zu verstauen: Spermien sind Meister des platzsparenden Packens. Wie ihnen dies gelingt, haben Forscher der Uni Bonn nähre untersucht. Die Wissenschaftler hoffen, damit neue Therapien gegen männliche Unfruchtbarkeit entwickeln zu können.

DNA-Stränge werden in den Spermien kompakt verpackt – ein Schritt der Komprimierung ist das Aufwickeln auf Proteinkomplexe aus jeweils acht so genannten Histonen, die hier als Kugel-Paket in der Bildmitte dargestellt sind.
DNA-Stränge werden in den Spermien kompakt verpackt – ein Schritt der Komprimierung ist das Aufwickeln auf Proteinkomplexe aus jeweils acht so genannten Histonen, die hier als Kugel-Paket in der Bildmitte dargestellt sind.
(Bild: RFBSIP - stock.adobe.com )

Bonn – Wer anlässlich des nahenden Urlaubs über den wieder einmal viel zu kleinen Koffer stöhnt, der sollte sich ein Beispiel an menschlichen Spermien nehmen. Denn die stehen während ihrer Produktion vor einer nahezu unlösbaren Aufgabe: Sie müssen 23 DNA-Fäden mit einer Gesamtlänge von einem Meter in einem Kopf verpacken, dessen Durchmesser gerade einmal drei Mikrometer beträgt. Und dabei dürfen sich die hauchfeinen Fäden weder zu einem unentwirrbaren Knoten verschlingen, noch dürfen sie reißen.

Manch Urlaubsreifer setzt sich auf den vollgepackten Koffer, um ihn zu schließen. Der Körper greift bei der Spermien-Entstehung zu einem ähnlichen Trick: Normalerweise bildet die DNA ein vergleichsweise lockeres Knäuel. In den Samenzellen wird sie jedoch enorm komprimiert. „Würde sie im Normalfall so viel Raum einnehmen wie eine Wassermelone, wäre sie danach nur noch so groß wie ein Tennisball“, verdeutlicht Prof. Dr. Hubert Schorle vom Institut für Pathologie des Universitätsklinikums Bonn den Prozess.

Packungshelfer: Protamine

Biologen sprechen bei dem komprimierten Verpacken auch von Hyperkondensation. In ihrem lockeren Zustand sind die DNA-Fäden um zahlreiche kugelförmige Eiweißmoleküle gewickelt, die Histone. Sie ähneln in diesem Zustand 23 winzig kleinen Perlenketten. Bei der Hyperkondensation werden die Histone zunächst gegen Übergangsproteine ausgetauscht. Diese werden in einem Folgeschritt gegen so genannte Protamine ersetzt. Aufgrund ihrer chemischen Zusammensetzung üben Protamine eine sehr starke Anziehungskraft auf die DNA aus. Der Faden legt sich daher in sehr straffen und engen Schleifen um sie.

„Die meisten Säugetiere scheinen nur eine einzige Sorte von Protaminen zu produzieren, das PRM1“, sagt Dr. Lena Arévalo, die in der Arbeitsgruppe von Schorle habilitiert. „Bei Menschen, aber auch Nagetieren wie der Maus, ist das anders – sie verfügen noch über einen zweiten Typ, das PRM2.“ Wozu dieses zweite Protamin genau benötigt wird, war bislang nicht bekannt. Man wusste jedoch, dass von ihm während der Spermien-Entwicklung sukzessive einige Teile abgeschnitten werden.

Und genau diese abgeschnittenen Teile scheinen laut der neuen Studie von Schorles Team immens wichtig zu sein: Wenn Mäuse nur ein verkürztes PRM2-Molekül produzieren, dem die normalerweise entfernten Schnipsel fehlen, sind sie unfruchtbar. „Der Ausbau der Übergangsproteine im Zuge der Hyperkondensation ist bei ihnen gestört“, sagt Arévalo. „Außerdem scheint die Verdichtung bei ihnen zu schnell abzulaufen, sodass die DNA-Fäden brechen oder anderweitig Schaden nehmen.“

Hoffnung auf Therapien gegen männliche Unfruchtbarkeit

Dr. Lena Arévalo (r.) und Prof. Dr. Schorle diskutieren ihre Forschungsergebnisse.
Dr. Lena Arévalo (r.) und Prof. Dr. Schorle diskutieren ihre Forschungsergebnisse.
(Bild: Dr. Simon Schneider/ UKB )

Möglicherweise kann ein defektes Protamin 2 auch bei Spermien des Menschen zur Unfruchtbarkeit führen. Die Bonner Arbeitsgruppe will dieser These weiter nachgehen. „Es gibt nur wenige Gruppen, die die Rolle der Protamine bei der Hyperkondensation analysieren“, sagt Gruppenleiter Schorle. „Als bislang einzigem Labor weltweit ist es uns gelungen, Mauslinien zu züchten, mit denen sich bestimmte Defekte beider PRM-Gene gezielt studieren lassen. Das ermöglicht es uns und anderen, die Prozesse bei der Spermienentstehung weiter zu erforschen.“ Mittelfristig könnten daraus neue Therapien gegen Fruchtbarkeitsstörung (Infertilität) des Mannes erwachsen, hofft der Forscher.

Originalpublikation: Lena Arévalo, Gina Esther Merges, Simon Schneider, Franka Enow Oben, Isabelle Sophie Neumann, Hubert Schorle: Loss of the cleaved-protamine 2 domain leads to incomplete histone-to-protamine exchange and infertility in mice, PLOS Genetics; https://doi.org/10.1371/journal.pgen.1010272

(ID:48478336)

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