Nukleosom-Präservierung in Säugetier-Spermien: ein epigenetisches Programm zur Wahrung der gesunden männlichen Reproduktion

• Antragstellerin: Professorin Dr. Undraga Schagdarsurengin
• Fachliche Zuordnung: Reproduktionsmedizin, Urologie
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 270041755

Nach dem heutigen Stand der Wissenschaft kann das Spermien-Epigenom, insbesondere die vom Protamin-Austausch ausgeschlossenen Nukleosomen, potenziell bestimmte Prozesse in der frühen Entwicklung steuern. Unsere bisherigen Arbeiten zeigten, dass spermien-spezifische Nukleosomen größtenteils in distal intergenischen Bereichen angereichert sind, und mit Centromer-Repeats und Retrotransposonen (vorzugsweise mit long interspersed nuclear elements 1, LINE1s) assoziieren. Bemerkenswerterweise waren speziell Promotoren und Introns von Genen mit einer Relevanz für die Präimplantations-Entwicklung (z.B. Faktoren für RNA-Prozessierung, Signaltransduktion und mitochondriale Funktion) ebenfalls Nukleosom-angereichert. Wir nehmen an, dass Aberrationen betreffs Nukleosom-Präservierungsmuster und nukleosom-assoziierter Loci im Genom der Spermien schwerwiegende Störungen nach der Fertilisierung verursachen, und somit zu einer idiopathischen männlichen Infertilität führen können. Im beantragten Projekt werden entscheidende, noch offene Fragen bezüglich der Funktion der Spermien-Nukleosomen, der Mechanismen der Nukleosom-Präservierung und des potentiellen Risikos der Aberrationen für die männliche Fertilität aufgeklärt. Unsere Ziele sind demzufolge: 1) Nukelosom-angereicherte Promotoren, die in unserer vorherigen Studie identifiziert wurden, werden in einer großen Anzahl fertiler Probanden bezüglich des epigenetischen Statuses in Spermien analysiert (CpG-Methylierung, Histon-Modifikationen). Dies ist essenziell, um die tolerierbare epigenetische Variabilität in Nukleosom-angereicherten Promotoren zu erfassen; 2) Humane und bovine orthologe Gene mit Nukleosom-angereicherten Promotoren in Spermien werden bezüglich deren mRNA-Expression in frühen bovinen Embryonen analysiert. Dies ist essenziell, um evolutionär konservierte Gene zu evaluieren, die väterlich-vormarkiert sind und eine Relevanz für die Präimplantations-Entwicklung haben; 3) Promotoren der Kandidatengene aus Punkt 2 werden bezüglich des epigenetischen Statuses in Spermien von subfertilen Patienten analysiert; 4) Das genom-weite Nukleosom-Präservierungsmuster in Spermien der subfertilen Patienten wird analysiert, mit vorhergehenden Daten der fertilen Männer verglichen, und die Abweichungen werden ermittelt. Zusätzlich wird das Spermien-Methylom der subfertilen Patienten mit dem der fertilen Männer verglichen; 5) Um aufzuklären, warum LINE1 in der Lage sind Nukleosome beizubehalten, wird LINE1-mRNA-Expression und LINE1-CpG-Methylierung in der Spermatogenese analysiert. LINE1-Methylierung wird mit CpG-Methylierung in anderen repetitiven Sequenzen verglichen; 6) Unsere Voruntersuchungen zeigten, dass Nukleosom-zu-Protamin Austausch in der Spermiogenese mit einer DNA-Hydroxymethylierung einhergeht. Um den Zusammenhang zwischen DNA-Demethylierung und Nukleosom-Präservierung zu ermitteln, werden die Hydroxymethylome der Spermatozyten und der Spermatiden analysiert.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Kooperationspartnerinnen / Kooperationspartner: Professor Dr. Marek Bartkuhn; Professor Dr. Martin Bergmann; Dr. Helmut Blum; Dr. Daniela Fietz; Professor Dr. Alexander Goesmann; Professor Dr. Eckhard Wolf