Wissenschaftler des Instituts für Molekulare Biotechnologie (IMBA) in Wien, Österreich, haben herausgefunden, wie die genomische Integrität eines Embryos in den ersten 24 Stunden nach der Befruchtung geschützt wird. Erkenntnisse über diesen Mechanismus haben Auswirkungen auf die Verbesserung der In-vitro-Fertilisation.

Die Ereignisse, die ausgelöst werden, wenn ein Spermium auf eine Eizelle trifft, verändern nicht nur das Leben der Eltern, sondern sind auch aus wissenschaftlicher Sicht zutiefst faszinierend.

Die Mutter aller Zellen

Nach der Befruchtung bilden DNA aus der Eizelle der Mutter und der Samenzelle des Vaters den genetischen Bauplan des einzelligen Embryos oder der Zygote. Die ankommende väterliche DNA enthält Modifikationen, die ein „epigenetisches Gedächtnis“ ihres Spermienzustands ermöglichen. Proteine, die von der befruchteten Eizelle bereitgestellt werden, wirken, um diese Erinnerung weitgehend zu löschen, um einen totipotenten Embryo zu erzeugen, aus dem ein ganz neues Individuum hervorgehen kann. Die Mechanismen, die der natürlichen Reprogrammierung zur Totipotenz zugrunde liegen, sind bemerkenswert effizient, aber nach wie vor kaum verstanden. „Um dies ins rechte Licht zu rücken: Die Reprogrammierung zur induzierten Pluripotenz in Zellkulturen dauert mehrere Tage bis Wochen, während die Reprogrammierung zur Totipotenz in Zygoten in weniger als 24 Stunden erfolgt“, sagt Kikuë Tachibana-Konwalski, die die Forschung ihres Labors dem Verständnis der molekularen Geheimnisse von Eizellen und Zygoten.

Neues Leben, neue Epigenetik

Wie Wissenschaftler des Instituts für Molekulare Biotechnologie (IMBA) in Wien über eine Forschungsarbeit in der Fachzeitschrift Cell berichten, haben sie herausgefunden, dass befruchtete Eizellen nicht nur eine epigenetische Reprogrammierung der Spermien-DNA auslösen, sondern dieser Prozess genau überwacht wird, um die genomische Integrität zu gewährleisten.

„Wenn das Sperma in die Eizelle eindringt, muss das dicht verdichtete männliche Chromatin vollständig ‚ausgepackt‘ und um Proteingerüste, sogenannte Histone, herum neu strukturiert werden“, erklärt Sabrina Ladstätter, Erstautorin der Studie. „Mit befruchteten Mauseiern haben wir gezeigt, dass die Eizelle aktiv die Demethylierung der väterlichen DNA auslöst – mit anderen Worten, sie initiiert die epigenetische Reprogrammierung, indem sie alle vom Vater weitergegebenen epigenetischen Erinnerungen entfernt. Dadurch kann die Zygote neu beginnen und ihr eigenes epigenetisches Gedächtnis und ihre eigene Lebensgeschichte erstellen. Dieser Prozess ist nicht ohne Risiken: Durch Demethylierung können Schäden in der DNA entstehen, die für den neuen Organismus tödlich sein können. Es ist bekannt, dass diese Läsionen zu Chromosomenfragmentierung, Embryoverlust oder Unfruchtbarkeit führen können.“

Ein molekularer Kontrollpunkt

Die Forscher identifizierten einen Überwachungsmechanismus, der durch epigenetische Reprogrammierung verursachte DNA-Läsionen nicht nur überwacht, sondern auch den Schaden behebt. Sie zeigten, dass durch Demethylierung verursachte Läsionen in der väterlichen DNA einen zygotischen „Checkpoint“ aktivieren, der die Zellteilung verhindert, bis diese Läsionen repariert sind. Dieser Mechanismus stellt daher sicher, dass die Reprogrammierung innerhalb eines Zellzyklus abgeschlossen ist, und schützt die genomische Integrität im volatilen Einzelzell-Embryostadium. Interessanterweise fanden sie auch heraus, dass die Bedingungen, unter denen Embryonen kultiviert werden, die Stringenz der Checkpoint-Reaktion beeinflussen.

Hoffnung auf bessere IVF-Behandlungen?

„Unsere Ergebnisse haben potenzielle Auswirkungen auf die Verbesserung von In-vitro-Fertilisationstechniken“, sagte Kikuë Tachibana-Konwalski, Seniorautor der Studie und Gruppenleiter am IMBA. „Es wird spannend sein zu erforschen, wie Zellkulturbedingungen die intrinsischen Überwachungs- und Reparaturmechanismen der Zygote verbessern und so zu Embryonen von besserer Qualität und potenziell erfolgreicheren Schwangerschaften führen.“

Source: Science Daily