Warum Hitzestress Spermien schädigt

Biologen haben anhand des Modellorganismus Caenorhabditis elegans molekulare Mechanismen identifiziert, die DNA-Schäden in Spermien verursachen und nach Hitzeeinwirkung zur männlichen Unfruchtbarkeit beitragen. Beim Menschen liegt die optimale Temperatur für die Spermienproduktion knapp unter der Körpertemperatur, in einem Bereich von etwa 32 bis 35 Grad Celsius. Studien am Menschen haben gezeigt, dass bereits Temperaturen, die nur 1 Grad Celsius über diesem Normalbereich liegen, die männliche Fruchtbarkeit beeinträchtigen.

Wie Hitzeweinwirkungen Spermien beeinflussen

Das Phänomen der hitzeinduzierten männlichen Unfruchtbarkeit ist bekannt, und die Auswirkungen moderner Hitzeeinwirkungen wie Whirlpools, enge Kleidung und übermäßige Fahrzeiten wurden bereits umfassend untersucht. Die zugrunde liegenden Mechanismen, die Spermien schädigen und die Befruchtung beeinträchtigen, sind jedoch noch nicht vollständig geklärt. Sowohl beim Menschen als auch bei C. elegans reichen relativ geringe Temperaturerhöhungen aus, um die Fruchtbarkeit der Männer zu verringern.

Eine Erhöhung um 2 °C (3,6 °F) über den Normalwert bei C. elegans, einer Art Rundwurm, führte zu einer 25-fachen Zunahme der DNA-Schäden in sich entwickelnden Spermien im Vergleich zu nicht exponierten Spermien. Eier, die von diesen geschädigten Spermien befruchtet wurden, konnten keine Nachkommen hervorbringen.

Eine höhere DNA-Schädigung in den Samenzellen

Spermien, die kleinsten Zellen im menschlichen Körper, bilden sich bei Temperaturen unterhalb der Körpertemperatur in Milliardenhöhe und werden während des gesamten Erwachsenenlebens produziert. Eizellen, die größten Zellen im menschlichen Körper, werden im Inneren gebildet, wo eine konstante Temperatur herrscht, und nur während einer begrenzten Zeit während der fetalen Entwicklung produziert. Die Forschungen der Universität von Oregon deuten u.a. darauf hin, dass sich Eizellen und Spermien darin unterscheiden, wie streng sie die Bewegungsfähigkeit mobiler DNA-Elemente, auch bekannt als „springende Gene“ oder Transposons, im Genom kontrollieren, und wie empfindlich diese Mechanismen gegenüber Hitzestress sind, um diese Bewegung zu verhindern.

Transposons sind DNA-Segmente, die sich bewegen und genetische Informationen verändern, indem sie sich an neuen Positionen einfügen. Dabei hinterlassen sie DNA-Schäden. Die Bewegung dieser „springenden Gene“ wird normalerweise in sich entwickelnden Spermien und Eizellen unterdrückt. Die Studie hat jedoch gezeigt, dass Transposons bei Hitzeeinwirkung speziell in sich entwickelnden Spermien wandern. Das Forschungsteam beobachtete mit Hilfe von Mikroskopie die Entwicklung von Spermien und Eizellen unter normalen Bedingungen und unter Hitzestress.

Unter Hitzestress stellten die Forscher eine höhere DNA-Schädigung in den Spermien fest, nicht jedoch in den Eizellen. Mithilfe von Genomsequenzierung der nächsten Generation identifizierten sie außerdem die Positionen der Transposons im gesamten Genom mit und ohne Hitzeeinwirkung. Die Studie zeigt laut den Forschern nicht nur, dass ein geringer Temperaturanstieg die Meiose beeinflusst, sondern identifiziert auch einen Mechanismus – nicht nur, wo der Fehler auftritt, sondern auch, um welchen Fehler es sich handelt.