Essen Sie schlecht, und Ihr Körper wird sich erinnern - und möglicherweise die Konsequenzen auf Ihre Kinder übertragen. In den letzten Jahren haben immer mehr Beweise gezeigt, dass Spermien die Lebensentscheidungen eines Vaters zur Kenntnis nehmen und dieses Gepäck an Nachkommen weitergeben können. Heute erzählen uns Wissenschaftler in zwei sich ergänzenden Studien, wie.
Wenn Spermien das männliche Fortpflanzungssystem durchqueren, werfen sie nicht-genetische Fracht ab und erwerben diese, die das Spermium vor der Ejakulation grundlegend verändert. Diese Veränderungen vermitteln nicht nur den aktuellen Gesundheitszustand des Vaters, sondern können auch drastische Auswirkungen auf die Lebensfähigkeit zukünftiger Nachkommen haben.
Jedes Jahr werden über 76.000 Kinder mit assistierten Reproduktionstechniken geboren, von denen die meisten eine Art In-vitro- Fertilisation (IVF) beinhalten. Diese Verfahren vereinen Ei und Sperma außerhalb des menschlichen Körpers und übertragen dann das entstehende befruchtete Ei - den Embryo - in die Gebärmutter einer Frau. Es gibt mehrere Variationen der IVF, aber in einigen Fällen, bei denen es um männliche Unfruchtbarkeit geht - zum Beispiel um schwimmkranke Spermien -, muss das Spermium operativ aus den Hoden oder Nebenhoden entnommen werden, einem langen, gewundenen Gang, der jeden Hoden umschließt.
Nachdem die Spermien in den Hoden produziert wurden, begeben sie sich auf dem Weg zur Lagerung auf eine erschütternde Reise durch das gewundene Nebenhodengewebe, das bei einem männlichen Menschen ungefähr sechs Meter lang ist, wenn es nicht aufgewickelt ist. Die Spermien wandern ungefähr zwei Wochen lang durch den Nebenhoden. erst am ende dieses weges sind sie voll beweglich. Während "reifes" Sperma im Wesentlichen auf ein wartendes Ei geworfen werden kann und mit einer Befruchtung gerechnet werden kann, müssen Spermien, die aus den Hoden und Nebenhoden entnommen wurden, mit einer sehr feinen Nadel direkt in das Ei injiziert werden. Unabhängig von der Herkunft der Spermien haben diese Techniken in vier Jahrzehnten erfolgreicher Eingriffe gesunde Säuglinge zur Welt gebracht.
Aber Wissenschaftler wissen, dass Gene nicht das ganze Paket sind. Im Laufe eines einzigen Lebens bleiben unsere Genome so, wie sie ursprünglich geschrieben wurden. Wie, wann und warum die genetischen Anweisungen befolgt werden, kann sich jedoch drastisch unterscheiden, ohne dass das Handbuch selbst geändert wird - ähnlich wie beim Spielen mit der Lautstärke eines Lautsprechers, ohne dass die darin enthaltenen Kabel berührt werden. Dieses als „Epigenetik“ bezeichnete Phänomen erklärt, warum genetisch identische Individuen in ähnlichen Umgebungen wie Zwillingen oder Labormäusen immer noch sehr unterschiedlich aussehen und agieren können. Und Dinge wie Ernährung oder Stress können die Lautstärke unserer Gene erhöhen und verringern.
Eines der mächtigsten Mitglieder des epigenetischen Toolkits ist eine Klasse von Molekülen, die als kleine RNAs bezeichnet werden. Kleine RNAs können genetische Informationen vor der zellulären Maschinerie verbergen, die ihre Anweisungen ausführt, und so Gene effektiv aus dem Dasein drängen.
Das Erbe des Verhaltens eines Vaters kann sogar in seinem Kind weiterleben, wenn seine epigenetischen Elemente in einen Embryo gelangen. Zum Beispiel können Mäuse von Vätern, die unter Stress leiden, die Verhaltensfolgen traumatischer Erinnerungen erben. Darüber hinaus können Mäuseväter mit weniger als wünschenswerten Diäten einen wackeligen Stoffwechsel auf ihre Kinder übertragen.
Upasna Sharma und Colin Conine, beide unter der Leitung von Oliver Rando, Professor für Biochemie an der Medizinischen Fakultät der Universität von Massachusetts, waren einige der Forscher, die 2016 über solche Erkenntnisse berichteten. In ihrer Arbeit stellten Sharma und Conine fest, dass bei Mäusen während unreife testikuläre Spermien enthalten DNA, die mit der von reifen Spermien identisch ist, unreife Spermien leiten unterschiedliche epigenetische Informationen weiter. Es stellt sich heraus, dass kleine Spermien-RNAs nach dem Test einen Umsatz erleiden, der die körperliche Gesundheit des Vaters (oder einen Mangel daran) nach ihrer Herstellung, jedoch vor ihrem Austritt aus dem Körper, untersucht. Der genaue Boxenstopp, bei dem diese zusätzlichen kleinen RNAs eine Fahrt ankoppeln, blieb jedoch unbekannt.
Um das Rätsel zu lösen, entschloss sich Sharma, der die erste der beiden neuen Studien leitete, die Zusammensetzung kleiner RNAs in Mäusespermien zu verfolgen, während diese aus den Hoden flüchteten und durch das Nebenhodengewebe kreuzten. Sie und ihre Kollegen isolierten Spermien unterschiedlichen Alters von Mäusen, darunter solche, die kurz vor dem Austreten aus den Hoden standen, solche, die in den frühen Teil des Nebenhodens eintraten und solche, die sich im späten Teil des Nebenhodens befanden. Sharma war überrascht festzustellen, dass viele kleine RNAs beim Eintritt in den frühen Nebenhoden verworfen oder zerstört zu werden schienen; Dann erlangte das frisch befreite Sperma epigenetische Informationen zurück, die den Zustand des Vaters widerspiegelten und sich eines vollen Satzes rühmten, als sie das späte Nebenhodengebiet verließen.
Es gab nur eine mögliche Quelle für die kleine RNA-Wiedererfassung: die Zellen des Nebenhodens - was bedeutete, dass Zellen außerhalb des Spermas Informationen an zukünftige Generationen weitergaben.
"[Der Nebenhoden] ist das am wenigsten untersuchte Organ im Körper", sagt Rando, der als leitender Autor an beiden Arbeiten beteiligt war. "Und es stellt sich heraus, dass diese Röhre, an die niemand denkt, eine zentrale Rolle bei der Reproduktion spielt."
Um zu bestätigen, dass der Nebenhoden der Täter war, fügte Sharmas Team einer Reihe kleiner RNAs im Nebenhoden einen chemischen Marker hinzu und verfolgte deren Migration. Wie vermutet, platzten winzige Mengen RNA aus den Zellen im Nebenhoden und verschmolzen mit dem Sperma. Jeder heimliche Schwimmer trug dann diese epigenetischen Elemente bis zu seiner endgültigen Vereinigung mit dem Ei.
Es schien, dass Spermien an verschiedenen Stellen entlang des Fortpflanzungstrakts die gleiche Genetik hatten, aber nicht die gleiche Epigenetik. War dieser Unterschied groß genug, um eine Rolle zu spielen? Colin Conine, der die zweite der beiden neuen Studien leitete, testete als nächstes, ob die Verwendung von unreifen Spermien spürbare Auswirkungen auf die Nachkommen von Mäusen haben würde. Er und seine Kollegen extrahierten Sperma aus den Hoden, frühen Nebenhoden und späten Nebenhoden und injizierten sie in Eier. Alle drei Spermatypen konnten Eizellen befruchten. Als Conine jedoch die resultierenden Embryonen in Maus-Surrogate transferierte, stammte keines von frühen epididymalen Spermien - dem Zwischenstadium ohne die meisten kleinen RNAs -, die in die Gebärmutter implantiert wurden. Die wenigsten und reifsten Spermien der Gruppe waren Gewinner - aber irgendwie brannten die in der Mitte, obwohl alle Gene intakt waren.
Dies verwirrte alle Beteiligten. "Diese Zwischenbühne war wirklich atemberaubend", sagt Rando.
Zuerst fragten sich die Forscher, ob sie auf irgendeine Weise Junky-Spermien isoliert hatten, die verdammt waren, aus dem frühen Nebenhoden entfernt zu werden, bevor sie das Ejakulat erreichten. Dies schien jedoch nicht der Fall zu sein: Alle drei Spermatypen konnten Eizellen befruchten. Die einzige andere Erklärung war, dass der Defekt vorübergehend war. Wenn dies der Fall wäre, könnte möglicherweise, wenn die richtigen kleinen RNAs zugeführt würden, das frühe epididymale Sperma gerettet werden.
In ihrer Arbeit hatte Sharma festgestellt, dass die epigenetische Ladung von testikulärem Sperma und spätem epididymalem Sperma zwar sehr unterschiedlich ist, jedoch einige wenige Gruppen gemeinsam hat. Diese kleinen RNAs wurden jedoch beim Eintritt in den Nebenhoden aus dem Sperma entfernt und anschließend aus den Zellen zurückgewonnen der mäanderförmige Kanal. Der frühe Nebenhoden-Flop war das einzige Stadium, in dem diese Elemente fehlten - und das einzige Stadium, in dem kein implantierbarer Embryo erzeugt werden konnte.
Um zu testen, ob diese kleinen RNAs der Schlüssel zur Fertilität sind, zogen die Forscher kleine RNAs aus dem späten Nebenhoden heraus und injizierten sie in Embryonen, die mit frühen Nebenhodenspermien befruchtet waren. Zu ihrem Erstaunen implantierten diese Embryonen nicht nur, sondern brachten auch Mäusewelpen hervor - nicht zu unterscheiden von Embryonen, die mit Spät-Nebenhoden-Sperma befruchtet wurden. Das frühe epididymale Sperma war defekt, aber nicht irreversibel. Dies deutete darauf hin, dass der Mangel kein Zufall war, sondern ein normaler Teil der Reise durch das Nebenhodenlabyrinth. Mit anderen Worten, auf dem Weg zur Reifung brachen die Männchen die Spermien und reparierten dann den Schaden.
"Es ist sehr bizarr, zu sehen, wie sie [die Lebensfähigkeit] verlieren und zurückgewinnen", sagt Sharma. Und der Nutzen dieses Hin und Her bleibt völlig rätselhaft. Was auch immer der Grund sein mag, es ist klar, dass die Spermien über die gesamte Länge des Fortpflanzungstrakts sehr unterschiedlich sind.
Mollie Manier, Professorin für Spermagenetik an der George Washington University, die nicht an der Studie beteiligt war, lobte die Strenge dieser „sehr aufregenden“ Forschung. "Diese Artikel tragen wirklich zu unserem Verständnis bei, wie Väter nicht-genetische Informationen an ihre Kinder weitergeben können", erklärt sie. Laut Heidi Fisher, einer Professorin, die an der Universität von Maryland Sperma studiert und auch nicht an der Forschung teilgenommen hat, können diese „elegant gestalteten“ Experimente auch Aufschluss darüber geben, wie Probleme mit dem Nebenhoden zu ansonsten ungeklärten Fällen männlicher Unfruchtbarkeit führen können.
In ihrer zukünftigen Arbeit wird Randos Gruppe weiterhin Mauswelpen untersuchen, die aus Spermien unterschiedlichen Alters stammen, und dabei auf langfristige gesundheitliche Probleme achten. Das Team hofft auch, herauszufinden, welche kleinen RNAs direkt für eine erfolgreiche Implantation verantwortlich sind - und warum Spermien in diese verwirrende Zeit der Inkompetenz geraten.
"Es gibt eine Menge Vererbung, die wir noch nicht erklärt haben", sagt Conine. "Aber Tiere sind nicht nur ihre DNA." Conine warnt jedoch, dass anders nicht immer schlimmer bedeutet. Hoden- und Nebenhodensperma von Menschen haben Tausenden von Kindern auf der ganzen Welt geholfen und helfen ihnen auch weiterhin.
Dies ist mit einer kleinen Einschränkung verbunden. Erst 1978 wurde das erste Baby erfolgreich nach einer IVF-Prozedur geboren - und obwohl seitdem Tausende folgten, ist diese Generation noch jung. Bisher gibt es keinen Grund, negative Konsequenzen von In-vitro- oder natürlicher Empfängnis zu vermuten. Mit zunehmendem Alter der Bevölkerung werden die Forscher auch weiterhin den Überblick behalten. Da die Mehrzahl der IVF-Eingriffe mit reifen Spermien durchgeführt wird, die das späte Nebenhodengewebe entfernt haben, ist Rando nicht betroffen.
Und in dem unwahrscheinlichen Fall, dass die Verwendung von Spermien in Hoden oder Nebenhoden Auswirkungen auf diese Verfahren hat, bleibt Rando zuversichtlich, dass die künftige Arbeit es Wissenschaftlern ermöglichen wird, die notwendigen Informationen wiederherzustellen, die möglicherweise für unreife Spermien fehlen. Eines Tages könnte die Bekämpfung der Epigenetik der Schlüssel zur Verbesserung der assistierten Reproduktionstechnologie sein - und sicherstellen, dass die Spermien so ausgereift sind, wie sie kommen.
