Auswirkungen einer veränderten Spermien Protamin-Ratio bei Mäusen und Männern: Fertilität, DNA-Integrität, epigenetische Modifikationen und reaktive Sauerstoffspezies

Abstract

Protamin 2 (Prm2/PRM2) zusammen mit Protamin 1 (Prm1/PRM1) sind die beiden Protamine, die in murinen und humanen Spermien vorkommen. Bei der Kondensation des Chromatins männlicher Keimzellen im Laufe der Spermatogenese werden nahezu alle Histone durch die beiden Protamine in einer speziesspezifischen Ratio ersetzt. Abweichende PRM1/PRM2-Verhältnisse sind mit Sub- und Infertilität Mäusen als auch bei Männern assoziiert. Aufgrund eines unvollständigen Histon-Protamin-Austausches verbleibt ein geringer Anteil an Histonen (1 15%) DNA-gebunden. Die genregulatorischen Funktionen dieser Histone, die durch posttranslationale Modifikationen (PTMs) vermittelt werden, sind für die Entwicklung der Spermien und die frühe Embryogenese von großer Bedeutung. Im Rahmen dieser Arbeit wurde mittels Gewebe- und Spermienproben von Prm2-defizienten Mäusen und subfertilen Männern untersucht, inwieweit verringerte Prm2-Level bis hin zum vollständigen Verlust von Prm2 und der dadurch bedingten Verschiebung der Protamin-Ratio zu Veränderungen der Spermienentwicklung und -qualität führen. Dabei waren testikuläre Spermien von den Auswirkungen einer abweichenden Protamin-Ratio bzw. Prm2-Defizienz nicht betroffen. Jegliche Folgen traten exklusiv in den Spermatozoen von Mäusen und Männern auf. Neben der fehlerhaften Protaminierung wiesen die Spermatozoen mit abnormalem Protamingehalt verschiedene pathomorphologische Veränderungen und einen Verlust des Fertilitätspotentials auf. Im Vergleich zu Spermien von fertilen Mäusen und Männern wiesen Spermatozoen mit abweichender Protamin-Ratio signifikant kleinere Köpfe und eine schwächere Kernfärbung auf. Die erhöhten Werte des oxidativen Stressmarkers 8-OHdG und des DSB-Markers γH2A.X in diesen Spermatozoen deuten darauf hin, dass oxidativer Stress vorherrscht und möglicherweise einen bedeutenden Beitrag zur beobachteten DNA-Fragmentierung leistet. Einschränkungen der Motilität sowie Immotilität konnten auf Membranschäden und einen gestörten Ca2+-Influx zurückgeführt werden, wobei sich CatSper1 als ein geeigneter Marker für Spermienmotilität herausstellte. Durch massenspektrometrische Analysen der posttranslationalen Modifikationen (PTMs) der Histone H3 und H4 in murinen und humanen Spermien mit unterschiedlichem Protamingehalt und Spermienqualität wurden signifikante Veränderungen in den Methylierungs- und Acetylierungsprofilen festgestellt. Spermatozoen mit verringertem Prm2/PRM2-Gehalt wiesen eine geringere Acetylierung des Histons H4 (H4ac) auf, ein Ergebnis, das bei beiden Spezies übereinstimmte. Im Detail wurden H4K5ac und H4K12ac als die beiden Modifikationen identifiziert, die im Vergleich zur Kontrollgruppe vermindert sind. Auf der Grundlage der in dieser Arbeit gewonnenen Daten hat der Prm2-Mangel in Mäusespermien einen Einfluss auf den Grad des oxidativen Stresses, die DNA-Fragmentierung, die Größe des Spermienkopfes, die Motilität und insbesondere das epigenetische Profil in Form von PTMs der Kernhistone H3 und H4. Humane subfertile Spermien mit einer abweichenden Protamin-Ratio wiesen ähnliche Defekte auf, die jedoch durch andere Faktoren als die festgestellte Abweichung des Protamingehaltes verursacht werden könnten. Die genauen Mechanismen für die Entstehung solcher Defekte müssen jedoch in zukünftigen Forschungen noch ermittelt werden.