Vorlesung Tag 7 Schagdarsurengin Flashcards
Männliche Reproduktionssystem, aktueller Stand des Wissens
Bestandteil und Funktionen
Samenleiter: Weiterleitung/Transport der spermien
Nebenhoden: Reifung / Speicherung Spermien Nebenhodensekret
Hoden: (oderTestis): Produktion von Spermien –> 33-34°C
Samenblase: Sekretbildung Fruktose für Energielieferung pH> 7,2 => löst Spermien-Bewegung aus
Prostata: Postatasekret, PSA(Serinprotease) für Samen-Verflüssigung, Spermien für DNA Stabilisierung pH 6,4
Penis: Spermien Übertragung in weibliche Genitaltrakt, Ausscheidung des Harns
Aufbau des Hodens, Spermatogenese und das Spermiogramm
Hoden:
Hoden:
- pro Hoden ca. 200 abgegrenzet Läppchen (pro Läppchen 2-3 Samenkanälchen)
- Samenkanälchen zsm. 350 m
- hier ifndet Spermatogenese statt
Spermatogenese/Differenzierungsstadien:
Spermatogenese/Differenzierungsstadien:
Stadien–>
1. Spermatogonium (2n) Vermehrung (2 Arten A,B)
–> Mitosen
ab Pupertät wird druch Testosteron eine Vergrößerung und häufige Mitosen erzielt und die Spermatozyte 1. Ordnung entsteht
- primäre Spermatozyte (2n) Vergrößerung MITOSE, 1
- sek. Spermatozyte (je 1n) Reifeteilung Meiose 1, 2
- runde Spermatide (je 1n) Reifeteilung Meiose 2,4
- elongierte Spermatide (je 1n) Differenzierung, 4
- Spermatozoon (je 1n) Differenzierung, 4
Spermatogenese / sertoli und Leydig Zellen
Sertoli:
Stützzellen der Hodenkanälchen Blut-Hoden-Schranke (Schutz eigenes Imunsys.,Gifte) Androgen-bindendes Globulin Inhibin (vermindern FSH Bildung) im Embryo: Ausprägung des männl. Körpers
Spermatogenese / sertoli und Leydig Zellen
Leydig:
Testosteron Produktion
- -> wirkt auf akzessorische Geschlechtsdrüsen
- -> führt zu sek. Geschlechtsmerkmalen
- -> hat anabole Wirkung (Muskelaufbau)
- -> fördert Libido und Potenz
Spermatogenese hormonelle Regulation
GnRH:
LH:
Testosteron:
FSH:
- wirkt auf Hypophyse, führt zur Bildung der Hormone LH / FSH
- stimuliert Produktion Testosteron in Leydig-Zellen
- sorgt für Initiation und Aufrechterhaltung der Spermatogenese
- wirkt auf Steroli-Zellen des Hodens (Anregung der Spermatogenese)
Das Spermium:
Akrosom:
Kern:
Mitochondrien:
Flagellum:
- Lysosom (Kapsel) und enthält proteolytische Enzyme Hyaluronidase und Akrosin
- trägt haploide väterliche Genom, das Epigenom >2500 mRNA-Moleküle
- liefern Energie in Form von ATP für die Fortbewegung
- stellt Fibrillensystem aus Mikrotubuli dar zur Fortbewegung
Befruchtung der Eizelle:
3 Phasen
- Kapazitation (1-4h) : physiologische Reifung der Spermien im weibl. Genitaltrakt, Entfernung vom Glykoprotein-Überzug und anderen Ejakulat-Proteinen
- Akrosom-Reaktion: Kontakt Zona pellucida, Akrosom-Exocytose und Zonapenetration
- Fusion: Verschmelzen Eizelle und Spermium
Das Spermiogramm
- Ein Spermiogramm ist angezeigt bei unerfülltem Kinderwunsch, wenn die Frage nach der Unfruchtbarkeit des Mannes gestellt ist
- Außerdem dient es zum Nachweis von Sterilität, beispielsweise nach einer Vasektomie (Durchtrennung der Samenleiter im Hoden)
Parameter: Volumen Ejakulation Spermatozoenanzahl Konzentration Mobilität Morphologie Vitalität pH Peroxidase-positive Zellen (Hinweis auf Infektion) Zink (Sekret der Prostata) Fructose (Disfunktion Samenblase) alpha Glukosidase (Marker Nebenhodenfunktion)
Wissenswertes über das Spermium
Dauer der Spermatogenese: Ejakulat-Volumen Spermium-Größe Geschwindigkeit Weg zur Eizelle
Anzahl Spermien
wieviele bis Eileiter
bis Eizelle
64 Tage 2-6 mL Kopf: 5 mykrom, Rest 50 mykrom 4mm/min 20cm => Mensch müsste bis Eizelle 7,2 km mit 140m/min schwimmen 300 mio 6000 paar hunderte und nur 1 schafft es (0,0000003%)
Epigenetik
-gleiches Genom verschiedene Epigenome–> unterschiedliche Funktionen (Gendifferenzierung)
Epigenom, verpackung der DNA
DNA ist in Nukleosomenstruktur verpackt
- DNA methylierung
- Histon Modifikation
- Nukleosom
- Chromatin
- Chromosom (Entform der chromatiden Faltung)
=> DN ist organisiert und regulierbar
Epigenom, Regzlation der DNA-Aktivität
2% des Genoms: Protein kodierend
74-94% des Genoms: wird transkribiert in nicht codierende RNA
- DNA methylierung an CpG-Abschnitten
- Post-translationale Heston-Modifikation
- Nucleosom Positioning
- ncRNA
Epigenom, zsm.spiel verschiedener Faktoren
Transkriptionsfaktoren Histone DNA Chromatin Methylgruppe CH3 Acetylgruppe C(O)CH3 L-methylfolate Histon Deacetylase Inhibitor ...
Das Spermien-Epigenom und dessen Funktion
Chromatin-Kondensation notwenig (2km Seil müsste in 1cm^3 rein)
Länge der haploiden DNA:
Durchmesser Spermienkopf:
1m lang
5 mykrom Durchmesser
=> Erzeugen eines kondensierten, hydrodynamischen paternalen Genoms
=> Schutz der paternalen DNA vor Mutagenen
Chromatin-Kondensation durch Histon zu Protamin Austausch
100% Histone:
Mitose–> Spermatogoien
Meiose–> Spermatozyten
Histone zu Protamin Austausch:
Spermiogenese–> runde Spermatiden–> elongierte Spermatiden
85% Protamine, 15% Histone:
Spermatozoa
Protamine Genstruktur und Synthese:
kleine (6kDa), stark basische Proteine:
R-Arginin: 50%, positiv geladen, starke Bindung an negativ geladene DNA
C-Cystein: Disulfid-Brücken zwischen Proteinen, zur Stabilisierung
befinden sich in Loop-Domaine deshalb ist eine Koordinierte Expression möglich
P1- kodiert für reifes Protein
P2- Mitglieder:proteolyse von P2 Precursor
P1- bei allen Spezies
P2- nur bei einigen (Mensch,Maus…)
Menge P1-P1 steht im Verhätnis von 1:1
anderes Verhältnis assoziiert mit unfruchtbarkeit
Solenoid (Tertiärstruktur) vs. Toroid (Donatstruktur)
Solenoid:
DNA-Histone 20-80 kb DNA
im Spermium (nach Reifung): 5-15% gefaltete Solenoid Histone
Protamine Genstruktur und Synthese:
Toroid:
DNA-Protamine 50 kb DNA kompakter und stabiler als Solenoid
im Spermium (nach Reifung): 85-95% Toroid-Struktur
Testis-spezifische Histonvarianten und Transitionsproteine (TPs)
=> Spermiogenese
Meiose: Spermatozyte
Spermiogenese: round,elongating, condensing, spermatozoa
Nucleosom–> HyperAc (Hyperacetylierung, lockerer und bindet leichter) –> TPs / Protamines, Histone –> Nucleoprotamines
Histon-zu-Protamin Austausch in der Spermiogenese
runde Spermatiden:
elongierte Spermatiden:
Spermatozoa:
reife Spermatozoa:
Transkription von PRMs, TNPs, Chromatin-Remodelling-Faktoren, Einbau von Testis-spez. Histonen, Aktivierung von Topoisomerasen
Hyperazetylierung der Histone, Nukleosom-Abbau
Massive Bindung von TNPs, Einstellung der Transkription, Reparatur der DNA-Brüche, Beginn der Bindung von Phosph. PRMs
Massive Bindung von Phosphor. PRMs, Entfernen von TNPs
Reifung in Nebenhoden: Cross-link von Zysten in PRMs, Dephosph. von PRMs
Vererbung paternale Chromatin-Strukturen (Paternale Histone werden vererbt)
round Spermatid
– Protamine Condensation –>
Sperm Chromatin mit 95% Toroide und nur ‘zwei Schleifen’ (Solenoide)
– Fertilization –>
Paternale Pronuklear Chromatin (Zygote) mit vererbten Histonen, neu erworbenen Histonen und vererbten MARs
Das Spermien-Epigenom
DNA-Metylation, Histon Modifikation, verbleibende Solenoid Histone und Protamine Toroide
5mC (paternale Imprinting-Muster)–> im Spermium nicht methyliert nur maternale sind methyliert
Nukleosom-Konservierung (Gemisch/Intergenisch)
Histon-Modifikationen (>80 detektiert)
DNA-gebundene Proteine (CTCF, TET 1, TET 3)
ncRNA (Epididymis > Spermien)
MARs (genaue Funktionen unbekannt)
Nukleosom Konservierung in Spermien
Segmentierung in Mamalia Spermienchromatin
Nukleosomfrei
Nukleosomreich
charakteristisch für Exons, umfasst Gene für die Postimplantationsentwicklung
charakteristisch für Introns, umfasst Gene für die Präimplantationsentwicklung
Bedeutung des Spermienepigenoms
für fertilisierung und entwicklungskapazität eines Spermiums
Prä-Implantationsentwicklung
- -> paternale Chromatinverpackung
- -> Zygoten und Embryo Genomaktivierung
Epimutationen/ idiopathischer Infertilität (Unfruchtbarkeit)
Epimutationen / Inter-, Transgenerationseffekte ( auf direkte Nackkommen-, auf F2 F3 Generation)
Aktivierung des Spermien-Chromatins nach der Fertilisation
- Auflösen der Disulfidbrücken, Entfernen von protaminen, DNA Entpackung
- Chromatin-Remodeling Faktoren, Hyperacetylierung von Histonen , Nukleosom Formierung
- Neueinrichten / aufrechterhalten der paternalen epigenetischen Info, Beginn der Genexpression
männliches Reproduktionssystem
Unfruchtbarkeit und Therapien
Definition Unfruchtbarkeit
Ursachen % Frau Mann Beide ungeklärt
Infertilität: eine ungewollte Kinderlosigkeit nach 1 Jahr ungeschützten Geschlechtsverkehr
Unerfüllte Kinderwunsch ist weltweit bei 1/6 aller Paare betroffen
35%
35%
20%
10%
Männliche Infertilität/ häufigste Diagnose
Idiopathische Infertilität: Ursachen bleiben unbekannt 32%
Varikozelen: Krampfadern im Bereich des Venengelfechts im Samenstrang 17%
Infektionen: im Urogenitaltrakt, meist verursacht durch E.coli 9%
Hypogonadismus: fehlende oder verminderte Testosteron-Produktion im Hoden druch Schädigung oder Fehlen von Leydig zellen 9%
Kryptorchidismus (Hodenhochstand): nicht ausreichend erfolgter Abstieg der Hoden aus dem Bauchraum in den Hodensack 8%
Männliche Infertilität / Klassifizierung der Störungen
Pre-testikuläre endokrine Störungen:
Testikuläre Störungen:
Post-testikuläre Störungen:
Sexualstörungen:
Pre-testikuläre endokrine Störungen:
-Hypothalamisch-hypophysäre Störungen
Testikuläre Störungen:
- Varikozele
- Anlagenbedingt. Hodenhochstand…
- Hodentorsion,-verletzung
- Infektion/Entzündung
- Genetisch: Defekt Y-Chromosom
- Giftstoffe, Strahlenbelastung…
Post-testikuläre Störungen: -Infektion/ Entzündung Geschlechtsdrüsen Nebenhoden-Funktionsstörung -Verschlüsse der Samenwege -Samentransportstörungen
Sexualstörungen:
Männliche Infertilität/ Spermien Anomalien
Oligozoospermie: geringe Konzentratin an Spermien
Astenozoospermie: schlechte Beweglichkeit der Spermien
Teratozoospermie: erhöhte Menge an Spermien mit anormaler Morphologie
Necrospermie: erhöhte Menge an toten Spermien
Azoospermie: Fehlende Spermien im Ejakulat
–> klinische Diagnose/ genetische Ursache:
keine eindeutige Ursache 57%
onkologische Erkrankung 15%
andere Ursache 8%
genetische Ursache 20%
Abnahme Fertilität im Alter
alterner Mann was verändert sich ?
Veränderung in Hodenarchitektur
Zunahme von Genitalinfektionen und Exposition von Umweltgiften führt zu einer Verschlechterung der Spermienparamter was wiederrum zur verringerung der Fertilität führt
Endokrine Dysregulation
Entweder direkter Anstieg von Mutationen/Epimutationen oder zuvor geschaltete Spermatogonien erhöhte Telomerenlänge und replikationsstress, was zu Klonaler Selektion und epigenetischen Veränderung und danach zu Mutationen führt
=> mutationen wiederrum führen zu einem erhöhten Risiko von:
-Aborte
-Verringertes Geburtsgewicht
-Autosomal dominante Krankheiten
-epigenetisch assoziierte Erkrankungen
Abnahme Fertilität im Alter
Riskio keine Kinder zu bekommen %
steigt im Alter an !
von 5,7% mit 20-24 auf 63,5% mit 40-44
Einfluss negativer Life Style Faktoren
Frau/ Mann mehr als 5 Zigaretten am Tag
Mann über 20 Drinks in der Woche
BMI der Frau über 25 kg pro quadratmeter
und mehr als 6 Tassen kaffe am Tag bei der Frau
epigenetisch bedingte Infertilität
DNA methylation Abweichung –> schlechter Spermienparameter
=> das wirkt auf:
- gestörten Befruchtung
- Imprintingstörungen
- sponatne Abtreibung
Therapien
- Medikamentöse Behandlung bei:
Infektionen
Hypogonadismus - (Mikro) Chirugische Therapie:
Varikozele
Verschluss-Azoospermie
Hodenhochstand
3.Allgemeine Verhaltensratschläge:
Infektionen: Antibiotika
Hypogonadismus: Hormone,Einnahme von Antioxidantien (Zink)
Varikozele: Verödung, künstlicher Gefäßverschluss, Abbinden/Durchtrennen
Verschluss-Azoospermie: Re-Fertilisierungs-OP (z.B. nach Vasektomie)
Hodenhochstand: bis zum 2. Lebensjahr (+ GnRH)
Weglassen von toxischen Substanzen: Anabolika; Methotrexat, Heroin, Kokain, Nikotinabstinenz, reduktion des Alkkonsums, kein exzessiver Sport
künstliche Befruchtung: Methoden, Deutsches IVF Register (DIR)
Medizin Nobelpreis 2010 Erfinder der in-vitro Fertilisation (IVF)
Robert J. Edwards Fundamentale Entdeckung: wie Eizelle heranreift welche Hormone dies reguliern wann Eizelle empfänglich ist und Nacharmung der natürlichen Umgebung
IVF Ablauf
- Hormonbehandlung: mehrere Eier reifen im Mutterleib heran (FSH,LH –> Superovulation 3-10 Eizellen)
- Eizellen werden entnommen
- Befruchten im Reagenzglas
- Befruchtete Zelle teilt sich mehrfach
(Tag 0-5)
Weiterentwicklung des Verfahrens: bei Fruchtbarkeitsprblemen des Mannes können Spermien gezielt in Eizelle gespritzt werden - Embryo wird in Gebärmutter eingepflanzt und reift dort heran (Tag 3-5)
Einfrieren der überschüssigen Embryos
IVF und ICSI/ Unterschiede
IVF: spontane Befruchtung mit einem beweglichen Spermium (natürliche Selektion)
ICSI: Intra-zytoplasmatische Spermien-Injektion in die Eizelle (künstliche Selektion)
IMSI: Intra-zytoplasmatische morphologisch-selektierte-Spermien Injektion
- bei fehlender Befruchtung nach ICSI
- bei fehlgeschlagener Implanatation
- bei schwerer Teratozoospermie
- bei idiopathischer Infertilität
ICSI vs. IMSI
Schwangerschaftsrate von 25% auf 36,7%
Baby-take-home-Rate : 23,6%
Deutsche IVF-Register (DIR)
Embry Transfer ET
1 ET: Risiko, dass es nichts wird höher 2-3ET: Risiko einer Mehrlingsschwangerschaft (Gefahr von Komplikationen) Einlinge: 77,9% Zwillinge: 21,5% Drillinge: 0,6% vierlinge: 0%
=> ab dem Alter der Frau mit 39 Jahren rapide Abnahme
Follikel Atresie
ca. 400 Eisprünge im ganzen Leben
bis 36 Jahre ca 300 aufgebraucht
bei den restlichen Follikeln immt die Qualität stets ab
10-20 Follikel reifen pro Zyklus an und nur 1 Follikel springt
Was sagt das Gesetz
Präselektion der Embryonen gesetzlich in Deutschland verboten
Kryokonservierung von Eizellen / Spermien in Deutschland möglich
Kryokonservierung nach dem Verschmelzen der Vorkerene in Deutschland verboten
Eizellspende verboten
Leihmutterschaft verboten
Kryokonservierung
Vorteile:
Eizellen :
-zusätzliche Schwangerschaftschancen ohne aufwändige Hormonstimulation und follikelpunktion
Spermien:
-Spermienverfügbarkeit bei z.B. beruflicher Abwesenheit des Mannes oder Krankheit ( Hodentumor)
Hodengewebe:
-Verfügbarkeit von Spermien aus Hodengwebe zum Zietpunkt der Follikelpunktion
Kryokonservierung/ Methoden
slow freezing:
Vitrification:
- dauert mehr als 3 h, komplex
- teuer, benötigt freezing Maschiene, begleitet mit Eiskristallbildung (können Zelle zerstören)
- mehr Mechanische Schäden aber weniger chemische Schäden
- nur geschlossene Systeme
- geringere CPA Konzentration
- geringes Zellenüberleben
- einfach, weniger als 10 min
- nicht teuer
- keine Eiskristallbildung
- weniger Mechanische aber mehr chemische Schäden
- offene oder geschlossene Systeme
- höhere CPA Konzentration
- hohes Zellenüberleben
Social Freezing
Einfrieren von Eizellen zur späteren künstlichen Befruchtung
theroretische Erfolgsstatistiken
wahrscheinlichkeit von 1 Lebendgeburt bie 20 eingefrorenen Eizellen
20 J 94%
34 J 90%
37 J 75%
42 J 37%
für 4/10 ist social Freezing gute Option bei Familienplanung
Präimplanationsdiagnostik (PID)
genetischer Test von Embryonen durch eine Biopsie
PID Wann und Ablauf
- beide oder ein Elternteil Träger erblichen genetischen Erkrankung
- beide oder ein Elternteil Träger chromosomaler Aberration (Translation/Inversion)
- Wiederholter Misserfolg IVF oder ICSI
- Wiederkehrende Störungen bei Embryoeinnistung
- Wiederholte Schwangerschaftsverluste
- Fortgeschrittenes Alter Frau über 38-40
kosten: IVF+PGD 8-9000 Euro
Transgenerationseffekte durch epigenetische Vererbung
Epigenetik
eine gesundheitliche Auswirkung bei (Ur)enkelkindern, die durch toxische Expositionen der (Ur)Großeltern verursacht wird (Mutte, Fötus (zweite Generation ), Repruduktive Zellen des Fötus (dritter Generation)
die studie chemischer marker, welche an DNA binden und deren funktion verändern
Epigenetische Veränderungen der Spermien oder Eizellen können auf die Exposition gegenüber verschiedenen Stressfaktoren zurückzuführen sein und an zukünftige Generationen weitergegeben werden
Keimbahn vs. somatische Mutationen
Keimbahn
Somatische
Ganzer Organismus trägt Mutation, 50% der Gamteten trägt Mutation (Spermien)
nur ein Areal trägt Mutation, und keine der Gameten trägt die Mutation
Potentielle Faktoren, die in die Keimbahn eingreifen
Transgenerationaler Einfluss
Klinische Events
Umweltchemikalien
Ernährung, Lifestyle, Soziale Stressoren
Epigenome: DNA Methylation Histon Modifikation miRNAs Imprinting
spätere Folgen: führt zu Wachstum Neurologischen Verhaltung(Störungen) Fettleibigkeit Reproduktion Krebs
Endokrine Disruptoren (EDCs)
Substanzen, die in die Hormonfunktion eingreifen
Metalle, Industriellechemikalien, Phamarzeutische Drogen, Pesto-,Herbi-, und Fungizide , synthetische und naturelle Hormone , Personal Pflegeprodukte
=> äußere Einwirkungen
- Weichmacher, wie Phthalate und Bisphenol A (führen zu Hodenhochstand und weniger Spermien)
pot. Folgen EDCs
epigenetische Veränderungen auf:
- Mutter und Fetus
- Baby:Störung der endokrinen Programmierung und des Stoffwechsels, SGA (IUGR)-KINDER –> Verzögerung des Wachstums, Geburtsgewicht und Gewicht des Fötus stark reduziert
- Kinder: Fettleibigkeit, Veränderungen des Stoffwechsels, Autismus (neurobilogische Verhaltensstörung), pupertale Varianten, Schilddrüsendeffekt
- Teenager-Erwachsene: Fettleibigkeit/Adipositas, Effekt auf Fruchtbarkeit (Infertilität), Stoffwechsel Veränderung, Schilddrüsendeffekt, Karziogenese
Prof. McArdle
Ernährung von Eltern und Gesundheit von Nachkommen
durch Folsäure, Choline, betaine und Vitamin B12 konnten Krebsgene während SS stillgelegt werden (an Mäusen getestet)
Hunger von 9-12 J = gesunde Kinder
–> andere bekommen Diabetes oder Herzprobleme
Epigenetische wirksame Bestandteile der Nahrung
grüner Tee, Sojabohnen, Trauben, Kakao, Cucuma
