Analyse der Konsequenzen einer Protamin-2-Defizienz bei Maus und Mensch: Molekulare Mechanismen, Reactive Oxygen Species und ein Ansatz zur Therapie.
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Während der Spermatogenese werden die meisten Histone durch Protamine (Prm1 und Prm2) ersetzt, was in einer Kondensation des Spermienchromatins und einem Stopp der Transkription resultiert. Im Rahmen der ersten Förderperiode wurden Prm2-defiziente Mäuse generiert, welche infertil waren. In der zweiten Förderperiode sollte nun die mögliche Ursache gefunden sowie ein Vergleich mit der Situation beim Menschen angestellt werden. Interessanter Weise sind bei Prm2-defizienten Mäusen die histologisch zu beobachtenden, morphogenetischem Prozesse während der intensiven, morphologischen Restrukturierung von runden Spermatiden zu elongierten Spermien nicht beeinträchtigt. Wir konnten jedoch zeigen, dass in den Prm2-defizienten Tieren beim Transit der Spermien vom Hoden zum Nebenhoden eine Reaktionskaskade ausgelöst wird, welche über eine Reduktion von SOD1 und PRDX1 dafür sorgt, dass die Pegel von Reaktive Oxygen Species (ROS) ansteigen. Dieser erhöhte ROS-Spiegel führt zu zahlreichen Schäden an Membranen, an Proteinen und auch an der DNA, die stark fragmentiert und degradiert erscheint. Bemerkenswert ist, dass wir mit Spermien aus dem Hoden von Prm2-defizienten Tiere mit Hilfe von intrazytoplasmatischer Spermineinjektion (ICSI) erfolgreich Eizellen befruchten konnten, deren weitere Entwicklung wir bis zum Blastozystenstadium beobachten konnten. Dies zeigt, dass die DNA der Spermien soweit intakt ist und auch die postulierten epigenetischen Marker durch das Fehlen von Protamin-2 nicht nachhaltig beeinträchtigt wurden, da die frühe Embryogenese nach ICSI normal erscheint. Prm2 kontrolliert, nach unseren Ergebnissen, die Dynamik der DNA-Hyperkondensation. Insbesondere die Prozessierung der Pre-Prm2 zum maturen Prm2 scheint hier wichtig zu sein. Unsere Daten deuten darauf hin, dass Prm2 für die Eviction der DNA-assoziierten Histone wichtig ist. Da beim Menschen keine Prm2-defizienten Spermien verfügbar sind, kann nur ein Vergleich mit aberranter Protaminratio angestellt werden. Die Situation scheint vergleichbar mit dem Unterschied, dass Stressmarker bereits im Hoden nachweisbar sind. Da Biopsiematerial nur von Männern subfertiler Paare verfügbar ist, könnten einzelne Keimzellen trotz normal erscheinender Histologie jedoch bereits Defekte aufweisen. Bei massiver Störung der Spermatogenese (z.B. Spermatidenarrest) konnte eine Verschiebung der Signale von Spermatiden zu Spermatozyten beobachtet werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2016). Re-visiting the Protamine-2 locus: deletion, but not haploinsufficiency, renders male mice infertile. Scientific Reports 6, 1–13
Schneider, S., Balbach, M., Jikeli, J.F., Fietz, D., Nettersheim, D., Jostes, S., Schmidt, R., Kressin, M., Bergmann, M., Wachten, D., Steger K and Schorle H.
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(2020) Protamine-2 deficiency initiates a reactive oxygen species (ROS)-mediated destruction cascade during epididymal sperm maturation in mice. Cells 9(8):1789
Schneider S, Shakeri F, Trötschel C, Arévalo L, Kruse A, Buness A, Poetsch A, Steger K, Schorle H
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(2021). Loss of the cleaved-protamine 2 domain leads to incomplete histone-to-protamine exchange and infertility in mice
Arévalo, L., Merges, G.E., Schneider, S., Oben, F.E., Neumann, I., and Schorle, H.
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(2022) Loss of Prm1 leads to defective chromatin protamination, impaired PRM2 processing, reduced sperm motility and subfertility in male mice. Development 2022
Merges G E, Meier J, Schneider S, Kruse A, Fröbius A C, Kirfel K, Steger K, Arévalo L, Schorle H
