Zusammenfassung:
Einige genetische Veränderungen in menschlichen Spermien könnten früher auftreten, als die Wissenschaft lange angenommen hat, so eine neue Studie. Einige der DNA-Rekombinationsprozesse, die die genetische Vielfalt der Nachkommen bestimmen, finden nicht alle während der Meiose statt, die für die Spermienproduktion erforderlich ist, sondern haben möglicherweise früher während der Zellentwicklung begonnen.
Diese in der Zeitschrift Nature veröffentlichte Forschungsarbeit wurde gemeinsam vom Sanger Institute im Vereinigten Königreich, der Universität Cambridge und einer Reihe kooperierender Institutionen durchgeführt. Die Studie konzentrierte sich auf ein genetisches Phänomen, das als „nicht austauschbare Genumwandlung“ bekannt ist. Bei diesem Prozess kopiert ein Chromosom eine kleine DNA-Sequenz von seinem Gegenstück und verändert so die Version der Genetik, die an einer bestimmten Stelle vorhanden ist.
Jedes Kind erbt einen Chromosomensatz von seinen Eltern, aber diese genetische Information wird nicht einfach kopiert und direkt an die nächste Generation weitergegeben. Während der Bildung von Spermien und Eizellen wird das genetische Material einer komplexen Rekombination unterzogen, wodurch die Nachkommen eine einzigartige Kombination von Genen erhalten.
Die wissenschaftliche Gemeinschaft geht allgemein davon aus, dass diese Rekombinationen hauptsächlich während der Meiose stattfinden. Die traditionelle Ansicht ist, dass die beiden wichtigsten Mechanismen der genetischen Rekombination, darunter „Cross-Over“, bei dem es zu einem großen bidirektionalen Austausch von Chromosomensegmenten kommt, und „Non-Exchange-Genkonvertierung“, bei dem kurze DNA-Segmente kopiert werden, Teil des Meioseprozesses sind.
Neue Forschungsergebnisse stellen diese seit langem vertretene Ansicht jedoch in Frage.
Die Forscher wiesen darauf hin, dass die Vorläuferzellen, die Spermien bilden, vor dem Eintritt in die Meiose tatsächlich mehrere Runden gewöhnlicher Zellteilung, also Mitose, durchlaufen haben. Diese Zellen werden im Laufe des Lebens eines Mannes ständig erneuert, um die kontinuierliche Spermienproduktion aufrechtzuerhalten.
Um festzustellen, ob in diesem frühen Stadium einige Genumwandlungsereignisse auftreten könnten, analysierte das Team 15 Spermaproben von 13 männlichen Spendern im Alter von 24 bis 74 Jahren.
Mit Hilfe der hochpräzisen Long-Read-DNA-Sequenzierungstechnologie können Forscher lange Fragmentinformationen in einzelnen DNA-Molekülen direkt beobachten und so viele winzige Rekombinationsereignisse entdecken, die mit herkömmlichen Sequenzierungsmethoden schwer zu erkennen sind.
Die Analyseergebnisse zeigten, dass das Forschungsteam insgesamt 7143 Crossover-Ereignisse und 2382 Nicht-Austausch-Genkonvertierungsereignisse in der Spermien-DNA identifizierte.
Die Forscher verglichen diese Ergebnisse dann mit Blut-DNA-Proben und Daten aus früheren veröffentlichten Studien. Die Ergebnisse zeigten, dass ein erheblicher Anteil der Genumwandlungen ohne Austausch keine typischen Meiose-Merkmale aufwies, sondern eher das Ergebnis einer DNA-Reparatur vor dem Eintritt in die Meiose war.
Weitere Analysen zeigten, dass diese Ereignisse nur schwach mit Hotspots von DNA-Brüchen verbunden waren, die typischerweise während der Meiose auftreten, und dass viele der von den Forschern erwarteten genetischen Signaturen fehlten. Stattdessen treten sie häufiger in fragilen Regionen des Genoms auf, die anfällig für DNA-Schäden und -Brüche sind.
Das Forschungsteam fand außerdem heraus, dass ähnliche Muster nicht nur in Spermienproben existierten, sondern verwandte Signale auch in der Blut-DNA beobachtet werden konnten. Blutzellen durchlaufen keine Meiose, daher stützt dieses Ergebnis die Annahme, dass eine gewisse Genumwandlung aus DNA-Reparaturaktivitäten während der normalen Zellteilung resultieren könnte.
Die Forscher glauben, dass dies bedeutet, dass die genetische Rekombination in männlichen Keimzellen tatsächlich in zwei Stufen erfolgen kann. Die erste Phase findet während der täglichen Teilung der Spermienvorläuferzellen statt, die zweite Phase erfolgt während der Meiose im herkömmlichen Sinne.
Darüber hinaus haben Studien erhebliche Unterschiede zwischen einzelnen Personen festgestellt. Selbst eineiige Zwillinge mit weitgehend identischem genetischem Hintergrund weisen in ihren Spermien nicht genau das gleiche Muster der teilweisen Genumwandlung auf. Dies deutet darauf hin, dass solche genetischen Veränderungen nicht vollständig durch genetische Faktoren bestimmt werden, sondern durch unabhängige biologische Ereignisse im Laufe des Lebens eines Individuums beeinflusst werden.
Wissenschaftler sagten, dass diese Entdeckung nicht nur das Verständnis des Mechanismus der Spermienbildung verändert, sondern auch eine neue Perspektive für die Untersuchung genetischer Krankheiten, der männlichen Fruchtbarkeit und der langfristigen Entwicklung des Genoms bietet.
Das Forschungsteam glaubt, dass eine weitere Analyse dieser frühen DNA-Reparatur- und Rekombinationsprozesse in der Zukunft dazu beitragen könnte, den Ursprung bestimmter genetischer Variationen zu erklären und zu erklären, warum einige Krankheitsrisiken komplexe Veränderungen in der familiären Vererbung erfahren.
Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Sequenzierungstechnologie entdecken Wissenschaftler nach und nach, dass der Entstehungsprozess der menschlichen genetischen Vielfalt weitaus komplexer ist als bisher angenommen. Diese Studie zeigt, dass einige wichtige Veränderungen, die die genetischen Unterschiede der Nachkommen bestimmen, möglicherweise viele Jahre vor dem Eintritt der Spermien in die Endphase der Reifung still und leise stattgefunden haben.
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