Das Forschungsteam erstellt die weltweit umfassendste digitale Roadmap zur Freisetzung der männlichen Unfruchtbarkeit.

Millionen von Paaren, die Schwierigkeiten bei der Empfängnis haben, können sich von neuen Forschungen unter der Leitung von Wissenschaftlern der University of Texas in San Antonio befreien. Die Forscher haben eine hochauflösende Genkarte entwickelt, die zeigt, wie Männer Spermien produzieren. Ihre Bemühungen könnten helfen, genetisch bedingte Herausforderungen mit männlicher Fruchtbarkeit, einer Hauptursache für Empfängnisprobleme, anzugehen.

Die Ergebnisse der Forscher liefern detaillierte Informationen darüber, welche Gene in Stammzellen, die letztlich zu Spermien heranwachsen, ein- oder ausgeschaltet werden. Diese Daten könnten den Ärzten einen entscheidenden Einblick in die Entwicklung des Spermas bei einem Patienten geben, eine Perspektive, die bisher fehlte.

UTSA-Forscher Brian Hermann sagt, dass das neue Wissen ein Spielwechsler für das Aufdecken sein könnte, was bei Männern, die an Unfruchtbarkeit leiden, schief gehen kann.

„Wir haben einen neuen, innovativen Ansatz bis auf die Ebene der einzelnen Zellen gewählt, um alle Veränderungen zu verstehen, bei denen Gene zur Herstellung von Sperma im Hoden verwendet werden. Das war bisher nicht möglich gewesen und behindert den Fortschritt in Richtung einer Heilung der männlichen Unfruchtbarkeit“, sagt Hermann, Biologieprofessor und Direktor des UTSA Genomics Core.

Die Ergebnisse erscheinen in der Ausgabe vom 6. November der wissenschaftlichen Zeitschrift Cell Reports. Die Professoren Hermann und John R. McCarrey leiteten die Gruppe, zu der auch Forscher an der UTSA und im ganzen Land gehörten.

Gemeinsam baute das Team eine umfassende digitale Bibliothek mit den Zelltypen auf, die für die Spermienproduktion bei Mäusen und Männern benötigt werden. Sie untersuchten mehr als 62.000 Zellen und identifizierten 11 verschiedene Genexpressionsprofile; ihre Arbeit deckte sogar seltene und neue Zellen auf, für die bisher nur wenige Daten gemeldet wurden. Die Anfang 2014 begonnene Forschung wurde von der Kleberg Foundation, der Hurd Foundation und den National Institutes of Health (NIH) unterstützt.

Nach Angaben des NIH tragen Fortpflanzungsprobleme bei Männern zu mindestens der Hälfte der Unfruchtbarkeitsfälle bei Paaren bei. Viele Fälle von männlicher Unfruchtbarkeit werden mit Medikamenten behandelt. Einige erfordern sogar chirurgische Eingriffe. Doch in fast der Hälfte dieser Fälle sind die Gründe für die Unfruchtbarkeit des Mannes unbekannt.

Die digitale Roadmap der UTSA wurde unter Verwendung der Sequenzierung von Genen erstellt, die in Keimzellen exprimiert werden. Mit Hightech-Maschinen können die Forscher Zehntausende von Einzelzellen untersuchen und die in jeder Zelle exprimierte Genbibliothek in ein bis zwei Tagen produzieren. Das Verfahren setzte auch modernste Bioinformatik ein, Datenanalyse, die Genexpressionsdaten aus den Zellen entschlüsselt.

Der individualisierte Ansatz von UTSA zur Profilerstellung der Genexpression auf Einzelzellenebene macht diese Arbeit anders. Bisherige Methoden basierten auf der Analyse von Zellgruppen, aber wenn sie in Experimenten gebündelt werden, werden die Unterschiede zwischen den einzelnen Zellen gemittelt und damit verschleiert. Daher liefert der neue Ansatz von UTSA wichtige Daten, die helfen können, die Biologie aufzudecken, die der Produktion von Spermien zugrunde liegt und die bei Männern, die an Unfruchtbarkeit leiden, schief gehen kann.

„So finden wir die Nadeln im Heuhaufen“, sagt Hermann. „Wir waren bisher nicht in der Lage, verschiedene Zellen mit unterschiedlichen Funktionen zu trennen, also haben wir, um genau zu verstehen, wie sie sich unterscheiden, einzelne Einzelzellen betrachtet, anstatt die typische Art und Weise, sie alle als Gruppe in großen Mengen zu erfassen.“

Die neue digitale Genexpressionsbibliothek von UTSA bietet viele wissenschaftliche Anwendungen. Es könnte helfen, die klinische Diagnose bei Männern mit Unfruchtbarkeit zu verbessern, da sich ihre Genexpression „Signaturen“ von denjenigen der normalen Männer unterscheiden, die jetzt in dieser neuen Datenbank beschrieben werden. Die UTSA-Ressource kann auch eine Grundlage für die Innovation der nächsten Generation der männlichen Verhütung und sogar für die potenzielle Entwicklung von Spermien außerhalb des Körpers bilden.

Die Forscher hoffen, dass die Methodik auch auf andere biologische Prozesse im Körper angewendet werden kann, um neue Erkenntnisse zu gewinnen, auf denen neue Ansätze zur Diagnose, Behandlung oder Prävention einer Vielzahl von Krankheiten basieren.

„Es ist seit Jahrzehnten ein Traum, die primitivsten Zellen im Hoden zu nehmen und sie in einer Petrischale in Sperma umzuwandeln, aber das hat nie funktioniert“, sagt Hermann. „Wenn jemand Spermien in einer Schale erzeugen will, möchte er wissen, wie ähnlich diese Zellen denen sind, die natürlich im Körper vorkommen. Die von uns generierten Daten stellen nun eine Referenzbibliothek zum Vergleich zur Verfügung.“

Mehr Informationen:
Brian P. Hermann et al, The Mammalian Spermatogenesis Single-Cell Transcriptome, von spermatogonalen Stammzellen bis hin zu Spermatiden, Cell Reports (2018). DOI: 10.1016/j.celrep.2018.10.026

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