Spermatogenese: Brücken zwischen Spermatiden essenziell für Meiose

Für die Bildung funktionsfähiger Spermien sind während der Meiose Zellbrücken zwischen den Spermatiden erforderlich. Ist ein wichtiges Gen dafür mutiert, kommt es zu Infertilität. Wissenschaftler der Rutgers University–New Brunswick (NJ, USA) haben jetzt durch Forschung an Mäusen Gründe dafür gefunden, warum die Zellbrücken so wichtig sind.

In einem Artikel in „Nature Communications“ beschäftigt sich Seniorautorin Devanshi Jain, Assistenzprofessorin am Institut für Genetik der School of Arts and Sciences, mit einer grundlegenden Frage, wie Menschen und Tiere Keimzellen entwickeln, aus denen sich Spermien bilden.

„Wir haben herausgefunden, dass Keimzellen von Mäusen, wenn sie nicht richtig durch interzelluläre Brücken – Verbindungen zwischen Zellen, die Kommunikation und Ressourcenaustausch ermöglichen – miteinander verbunden sind, viele der für Entwicklung und Überleben notwendigen Prozesse nicht abschließen können, wie etwa die Replikation ihrer DNA und die Reparatur der DNA-Brüche“, sagte Jain, deren Labor auf die Identifizierung und Untersuchung meiotischer Defekte bei Mäusen spezialisiert ist.

Jains Erkenntnisse ergänzen eine Reihe von Forschungsarbeiten zur Entschlüsselung von Reproduktionsdefekten, insbesondere zu der Frage, wie Reproduktionszellen DNA-Schäden reparieren. „Das Schließen dieser Wissenslücken wird uns helfen, die genetische Grundlage der Unfruchtbarkeit zu verstehen, die wir kennen müssen, um Behandlungen entwickeln, Diagnosen verbessern oder diesen Entwicklungsprozess eines Tages sogar erfolgreich in vitro reproduzieren zu können“, sagte sie.

Zukünftige Forschung könnte sogar dazu beitragen, ein Verhütungsmittel für Männer zu entwickeln, mit dem die Spermienbildung reversibel unterdrückt werden kann, glaubt die Forscherin.

Die Rolle der interzellulären Brücken

Bekannt ist schon seit langem, dass die Zellverbindung über interzelluläre Brücken für die Spermienproduktion wichtig ist. Um die Bildung interzellulärer Brücken zu modulieren, ist das Gen TEX14 von Bedeutung. Wenn dieses Gen fehlt, bilden sich die interzellulären Verbindungen nicht richtig, was zu einer Blockade der Meiose und letztlich zu Unfruchtbarkeit führt.

Noch nicht vollständig verstanden ist die genaue Rolle der interzellulären Brücken bei der Meiose und was sie so unverzichtbar macht. Jains Forschung befasst sich mit einigen dieser Lücken.

Die Wissenschaftler verglichen Mäuse mit einem völlig funktionslosen TEX14-Gen, die also keine interzellulären Brücken haben, mit Mäusen, die eine neuartige TEX14-Mutation aufweisen, welche nur zu einer teilweisen Ausschaltung der Brücken führt. Dies ermöglichte es den Forschern, die Funktionen der interzellulären Brücken während des Prozesses der Meiose zu „sezieren“, wie Jain sagte. „Unsere Ergebnisse zeigen, dass die ordnungsgemäße Regulierung der Meiose eine Zellkonnektivität erfordert“, resümiert Jain.

In „Nature Communications“ berichten Erstautorin Julia Sorkin und Kollegen, dass bei männlichen Keimzellen, denen TEX14 und interzelluläre Brücken fehlen, die meiotische DNA-Replikation, die Chromosomenpaarung und die Reparatur meiotischer Doppelstrangbrüche nicht abgeschlossen werden können. Zudem unterbleibt die Repression der Retrotransposons, sodass während der Meiose Proteine akkumulieren, die von den Retrotransposons kodiert werden. Per Einzelzell-RNA-Sequenzierung konnten die Forscher nachweisen, dass Transkripte zwischen Wildtyp-Spermatiden gemeinsam genutzt werden. Dies deute darauf hin, dass interzelluläre Brücken den zytoplasmatischen Austausch zwischen verbundenen Keimzellen in den Hoden ermöglichen. „Unsere Ergebnisse legen nahe, dass die Regulierung der Meiose nicht zellintrinsisch ist, und bilden die Grundlage für ein Modell, in dem interzelluläre Brücken kritische meiotische Ereignisse beeinflussen und die Integrität des Keimbahngenoms während der Spermatogenese schützen“, schreiben Sorkin et al. in ihrer Arbeit.

Bei Mäusen, Menschen und Fliegen

Mäuse sind nicht die einzigen Lebewesen, die für die sexuelle Fortpflanzung auf diese zytoplasmatischen Kanäle angewiesen sind. Auch Fliegen haben interzelluläre Brücken zum Austausch von Informationen und Ressourcen, und andere Arten weisen während der Meiose ähnliche Verbindungsmethoden auf. „Die Keimzellverbindung scheint ein entscheidender Teil der Keimzellentwicklung zu sein“, so Jain.

Jedoch ist Infertilität ein hochkomplexes Problem, wie die Forscherin betont: „Hunderte von Genen sind daran beteiligt, dass die Meiose richtig abläuft“, sagte Jain. „Dies ist nur ein weiteres Teil eines sehr komplizierten Puzzles.“

(Rutgers/ms)