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Spermien - Forscher in Bonn - Erbgut wird platzsparend verpackt

Forscher in Bonn : Spermien packen sehr platzsparend

Einen Meter Erbgut auf 0,003 Millimeter quetschen: Samenzellen können das. Bonner Forscher wissen, warum: Ein spezielles Protein hilft beim Komprimieren.

Viele Urlauber haben jüngst wohl wieder über einen viel zu kleinen Koffer geklagt. Dabei könnten wir uns ein Beispiel an den menschlichen Spermien nehmen. Denn sie 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 nur 0,003 Millimeter beträgt. Die hauchfeinen Fäden dürfen sich dabei weder verheddern noch reißen.

Bei diesem Prozess spielen bestimmte Proteine eine Rolle, um die sich der DNA-Faden wickelt, die „Protamine“. Das haben Bonner Forscher nun mit einer neuen Studie herausgefunden.

Wer Probleme beim Schließen des Koffers hat, der setzt sich drauf – und das Problem ist gelöst. Der Körper greift bei der Spermien-Entstehung zu einem ähnlichen Trick: Normalerweise bildet die DNA ein 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 Professor Hubert Schorle vom Institut für Pathologie des Uniklinikums Bonn den Prozess mit einem Bild.

Der Erbgutfaden wickelt sich in sehr straffen Schleifen auf

Biologen sprechen auch von Hyperkondensation. In ihrem lockeren Zustand sind die DNA-Fäden um zahlreiche kugelförmige Eiweißmoleküle gewickelt, die Histone. Sie ähneln in diesem Zustand 23 winzigen Perlenketten. Bei der Hyperkondensation werden die Histone zunächst gegen Übergangs-Proteine ausgetauscht. Diese werden in einem Folgeschritt gegen sogenannte 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 Sorte Protamin zu produzieren, das PRM1“, erklärt 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 das genau benötigt wird, war bislang nicht bekannt. Man wusste jedoch, dass von ihm während der Spermien-Entwicklung sukzessive einige Teile abgeschnitten werden.

Die Erkenntnisse könnten irgendwann gegen männliche Unfruchtbarkeit helfen

Und genau diese abgeschnittenen Teile scheinen der neuen Studie zufolge immens wichtig zu sein: Wenn Mäuse nur ein verkürztes PRM2-Molekül produzieren, dem die normalerweise entfernten Schnipsel fehlen, dann sind sie unfruchtbar.

„Der Ausbau der Übergangs-Proteine 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.“

Möglicherweise kann ein defektes Protamin 2 auch bei Männern zur Unfruchtbarkeit führen. Die Bonner Arbeitsgruppe will dem nun weiter nachgehen. „Es gibt nur wenige Gruppen, die die Rolle der Protamine bei der Hyperkondensation analysieren“, sagt 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 auch Therapien gegen Infertilität des Mannes entstehen, hofft der Forscher.