Eine Untersuchung von zwei Tiermodellen auf ihre Eignung für Studien der Spermatogenese (Weißbüschelaffe, Callithrix jacchus) und der frühen Embryonalentwicklung (Rind, Bos taurus) des Menschen

摘要

Der Histon-Protamin-Austausch ist nicht nur für die männliche Fertilität und dieBefruchtungsfähigkeit der Spermatozoen von entscheidender Bedeutung, sondern er scheintauch einen Einfluss auf die Qualität und die Entwicklung von Embryonen zu haben. DerHiston-Protamin-Austausch wird durch eine Histonacetylierung eingeleitet und erfolgt beimMenschen nur zu etwa 85%. Man nimmt an, dass die acetylierten Resthistone inSpermatozoen als epigenetische Signale eine wichtige Rolle für die früheEmbryonalentwicklung spielen. Zahlreiche Untersuchungen zum Histon-Protamin-Austauschwährend der Spermatogenese beim Mensch existieren bereits und liefern wertvolleInformationen in Bezug auf die Befruchtungsfähigkeit von Spermatozoen. Da menschlicheEmbryonen aus ethischen Gründen nicht für wissenschaftliche Untersuchungen zurVerfügung stehen, sind weiterführende Untersuchungen, die die frühe Embryonalentwicklungbetreffen, am Mensch nicht möglich. Aus diesem Grund lag der Fokus dieser Arbeit auf derEtablierung eines Tiermodells für die Spermatogenese und die frühe Embryonalentwicklungdes Menschen. Im ersten Teil dieser Studie sollte geklärt werden, ob sich der Weißbüschelaffe(Callithrix jacchus) als Tiermodell für die Spermatogenese des Menschen eignet. Hierzuführten wir in-situ Hybridisierungen gegen Protamine und immunhistochemischeUntersuchungen gegen spezifisch an Lysin5 (H4K5ac) Lysin 8 (H4K8ac), Lysin 12 (H412ac)und Lysin 16 (H4K16ac) acetyliertem Histon H4 an Biopsiematerial des Hodens von Menschund Callithrix jacchus durch und analysierten anschließend das Expressionsmuster. Da dieProtamin-1 Sequenz bei Callithrix jacchus noch nicht bekannt war, stellten wir zuerst eineSonde her. Protamine-1 (PRM-1) und Protamin-2 (PRM-2) waren in runden undelongierenden Spermatiden detektierbar. Alle Antikörper gegen acetyliertes Histon H4zeigten in runden und elongierenden Spermatiden positive Signale. H4K8ac und H4K16aczeigten zusätzlich in Spermatogonien des Menschen positive Signale, während beimMarmoset H4K8ac und H4K12ac in diesen Zellen detektierbar waren. Der Antikörper gegenH4K16ac zeigte beim Menschen bereits in den pachytänen Spermatozyten beginnend inStadium III der Spermatogenese eine positive immunhistochemische Reaktion. Zusätzlich zuHodenbiopsien führten wir immunhistochemische Untersuchungen an Ausstrichen vonejakulierten Spermatozoen von Mensch und Callithrix jacchus durch. Alle Antikörper zeigteneine positive Reaktion, jedoch variierte der prozentuale Anteil an positiven Spermatozoendeutlich zwischen den vier eingesetzten Antikörpern. Western Blot Analysen vonhomogenisiertem Ejakulat des Menschen und Callithrix jacchus mit den vier Antikörpernkonnten in beiden Spezies spezifische Banden feststellen. Die Präsenz von spezifisch an Lysin5, 8, 12 und 16 acetyliertem Histon H4 in Spermatozoen beider Spezies zeigt, dass derHiston-Protamin-Austausch nicht vollständig ist. Dies war beim Menschen bereits bekanntund konnte in dieser Untersuchung auch für den Weißbüschelaffen gezeigt werden. Aufgrundder Tatsache, dass der Mensch und der Weißbüschelaffe eine ähnliche Organisation desKeimepithels aufweisen, der Histon-Protamin-Austausch bei Beiden nicht vollständig ist,beide Spezies PRM-1 und PRM-2 exprimieren, und eine gleiche Expression von PRM-1 undPRM-2 mRNA in runden und elongierenden Spermatiden zeigen, eignet sich derWeißbüschelaffe als Tiermodell für den Histon-Protamin-Austausch im Menschen. Daacetylierte Histone in Spermatozoen im Verdacht stehen mit Genen assoziiert zu sein, die denStart der Transkription und die frühe Genexpression in der Zygote bedingen, also vomSpermatozoon auf die Eizelle bei der Befruchtung übertragen werden, eignet sich derWeißbüschelaffe unter Umständen auch als Tiermodell für die frühe Embryonalentwicklungdes Menschen.In einem zweiten Teil dieser Studie wurde das Expressionsmuster von acht Genen inSpermatozoen, Oozyten, Zygoten, 2-Zell und 4-Zell Embryonen von Callithrix jacchus undBos taurus mittels RT-PCR analysiert: Protamine-1 (PRM-1), Protamine-2 (PRM-2), HistonH1 (H1), Histon H3 (H3), Histon H4 (H4), cAMP-responsive element modulator (CREM),DNA Methyltransferase 1 (DNMT1) und TATA box-binding Protein (TBP). Unser Ziel war esspermienspezifische Transkripte zu identifizieren, die vom Spermium auf die Oozyte währendder Fertilisierung übertragen werden. Es ist bekannt, dass diese Gene eine wichtige Rollewährend der Spermiogenese und frühen Embryonalentwicklung spielen. In Callithrix jacchusund Bos taurus zeigten unsere Ergebnisse, dass PRM 1 Transkripte von Spermatozoen auf dieOozyte übertragen werden. Mit unseren Ergebnissen bekräftigen wir die Hypothesen andererStudien, dass das Spermium mehr als nur Überbringer des männlichen Genoms ist, sondernauch spermienspezifische Transkripte während der Fertilisierung auf die Oozyte überträgt, diefür die frühe Embryonalentwicklung essentiell sind.