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Künstliche Samenzellen: Mäuse mit Labor-Sperma gezeugt

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Maus-Eizelle bei der Befruchtung (Symbolbild): Das Labor-Sperma ist noch nicht sicher genug Zur Großansicht
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Maus-Eizelle bei der Befruchtung (Symbolbild): Das Labor-Sperma ist noch nicht sicher genug

Das Ziel ist, zeugungsunfähigen Männern zu helfen. Fürs Erste haben Forscher nun künstliches Mäusesperma geschaffen und mit diesem Nachwuchs gezeugt.

Wenig Zeit? Am Textende gibt's eine Zusammenfassung.


Chinesische Forscher haben Mäuse mit künstlichem Sperma gezeugt: Die Tiere erschienen nicht nur gesund, sie zeugten später sogar selbst auf natürlichem Wege Nachkommen.

Die Keimzellen für die Befruchtung gewann das Team um Qi Zhou von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften aus embryonalen Stammzellen. Diese Zellen befinden sich in einem so frühen Entwicklungsstadium, dass sie sich noch in alle Zelltypen entwickeln können - in Hautzellen, Blutzellen, spezialisierte Organgewebe oder eben in Eizellen oder Spermien.

Was die Natur nach jeder Befruchtung selbst regelt, um aus einem Embryo einen lebensfähigen Menschen oder ein Tier heranwachsen zu lassen, stellt Forscher jedoch noch immer vor Schwierigkeiten. Wie kann man einer embryonalen Stammzelle im Labor klarmachen, in welchen Zelltyp sie sich verwandeln soll? Und wie lässt sich verhindern, dass die heranreifenden Zellen durch die Manipulation genetische Defekte davontragen?

Die erste Frage haben Forscher schon mehrfach beantwortet. Sie können embryonale Stammzellen inzwischen gezielt zu Herz-, Lungen- oder Nierengewebe heranreifen lassen. Auch Ersatz-Sperma haben sie schon im Labor hergestellt und damit kleine Mäuse gezeugt. Allerdings lebten diese Tiere meist nicht lange. Forscher führen das auf Gendefekte zurück, die sich beim künstlich angeregten Umbau der Zellen einschleichen.

Goldstandard erstmals erreicht

Vor die größte Herausforderung stellt die Forscher bei der Umwandlung der Stammzellen in Keimzellen die sogenannte Reifeteilung, Biologen sprechen von der Meiose. Dabei schrumpft der doppelte Chromosomensatz in den Zellen auf einen einfachen Chromosomensatz zusammen. Das verhindert, dass sich die Zahl der Chromosomen bei jedem Verschmelzen von Ei- uns Samenzelle verdoppelt.

Im Detail ist die Meiose kompliziert und zumindest im Labor fehleranfällig. Erbinformationen müssen zwischen den Chromosomen ausgetauscht und neu kombiniert werden. 2014 haben Forscher daher Mindeststandards festgelegt, die im Labor erzeugte Keimzellen erfüllen sollten - dazu gehört neben der richtigen Chromosomenzahl auch die korrekte Anordnung der DNA bei allen Zwischenschritten der Teilung.

Diese Standards wollen die Forscher aus China nun erfüllt haben. Sie behandelten die embryonalen Stammzellen mit einem Mix aus Substanzen, um die Meiose einzuleiten, anschließend simulierten sie die natürliche Umgebung der Zellen, indem sie sie mit Hodengewebe und Sexualhormonen wie Testosteron zusammenbrachten. In früheren Versuchen mussten die Zellen noch in Hoden transplantiert werden.

Spermatiden unter dem Mikroskop: Kein vollwertiger Ersatz Zur Großansicht
AP/dpa

Spermatiden unter dem Mikroskop: Kein vollwertiger Ersatz

Gesunder Nachwuchs über mehrere Generationen

"Wir berichten von der ersten erfolgreichen Generation von Spermatiden, die den Goldstandards entsprechen", schreiben die Forscher im Fachmagazin "Cell Stem Cell", wobei Spermatiden keine fertigen Spermien sind. Sie besitzen noch keine Geißel und können sich daher nicht bewegen. Ein vollwertiger Sperma-Ersatz sind sie daher nicht, für eine künstliche Befruchtung aber grundsätzlich geeignet.

Zhou und Kollegen befruchteten knapp 380 Mäuseeizellen mit den spermaähnlichen Laborzellen. Knapp 320 Embryos konnten sie anschließend Mäuseweibchen einsetzen, allerdings kamen letztlich nur neun Mäusekinder zur Welt.

Das entspricht einer Erfolgsquote von knapp drei Prozent im Gegensatz zu gut neun Prozent in der Kontrollgruppe, in der natürlich befruchtete Eizellen transplantiert wurden. Immerhin: Die neun künstlich gezeugten Jungtiere überlebten die Studiendauer von 15 Monaten und bekamen gesunden Nachwuchs.

Unfruchtbarkeit besser verstehen

Zhou und Kollegen wollen nun genauer untersuchen, was auf molekularer Ebene bei der Reifeteilung passiert - auch, um Unfruchtbarkeit beim Menschen besser zu verstehen. Diese betrifft etwa 15 Prozent der Paare, in etwa einem Drittel der Fälle liegt es am Mann.

Was den direkten Einsatz von Laborspermien im Menschen betrifft, gibt es allerdings große Zweifel. Ganz abgesehen davon, dass sich Versuche mit Mäusen nie direkt auf den Menschen übertragen lassen, hat die Methode grundsätzlich Schwächen, wie mehrere Experten auf "Nature News" berichten. So seien einige Meiose-Schritte deutlich zu schnell abgelaufen, was dafür spreche, dass doch wichtige Schritte ausgelassen wurden.

Takashi Shinohara von der Kyoto University in Japan weist zudem darauf hin, dass Wissenschaftler in der Vergangenheit große Schwierigkeiten hatten, Studien zu künstlichen Spermien in einem zweiten Experiment zu bestätigen. Er hält das von den chinesischen Forschern beschriebene Szenario für praktisch unmöglich. Andere Forscher sind ähnlich kritisch, haben aber bereits den Versuch angekündigt, das Ergebnis zu replizieren.

Es gibt aber auch positive Stimmen: Jacob Hanna vom Weizmann-Institut für Wissenschaften im israelischen Rehovot spricht von einem wichtigen Ergebnis. Der Stammzellforscher hat 2015 selbst Vorläuferzellen von menschlichen Spermien im Labor gezüchtet. Seine Technik basierte auf sogenannten induzierten pluripotenten Stammzellen (IPS), mit der ausgewachsene Körperzellen, etwa aus der Haut, in eine Art Embryonalzustand zurückversetzt werden.

Das hat den Vorteil, dass das Erbgut eines erwachsenen Mannes über das künstliche Sperma weitergegeben werden könnte. Denkbar wäre auch, dass gleichgeschlechtliche Paare das Verfahren nutzen. Aus ethischen Gründen verwendeten die Forscher das Labor-Sperma bislang jedoch nicht für eine künstliche Befruchtung. Zhou und Kollegen wollen ihre Methode als Nächstes an Affen testen.


Zusammengefasst: Forscher haben aus embryonalen Stammzellen eine Art Ersatz-Sperma im Labor hergestellt. Eine künstliche Befruchtung von Mäusen führte zu gesund erscheinendem, fortpflanzungsfähigen Nachwuchs. Dass die Ergebnisse zu einem Ersatz-Sperma für zeugungsunfähige Männer führen, halten Forscher jedoch für unwahrscheinlich. Noch schleichen sich bei der Manipulation im Labor zu viele Fehler ins Erbgut ein. Zudem gibt es ethische Hürden.

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Mit Material von AP

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Julia Merlot
Lisa Meinen

Julia Merlot ist Redakteurin bei SPIEGEL ONLINE im Ressort Wissenschaft/Gesundheit.

  • E-Mail: Julia.Merlot@spiegel.de

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1. Die Biotechnologie muß endlich liefern!
derweise 26.02.2016
Wie zurückgeblieben die Biotechnologie ist, das wird einem erst dann deutlich, wenn man in der eigenen Verwandtschaft einen Fall hat: - von Leukämie: statt daß die Leukozyten biotechnologisch behandelt werden transplantiert man (nach Frankenstein - Methode) das Knochenmark eines fremden Menschen! - das Verschlafen von "neuronaler Speichererweiterung": hätte man sich um die Anschlußmöglichkeit von Neuronen an Neuronennetzen gekümmert, dann wäre im Falle eines Gehirnschadens Ersatz möglich. Auch bei Alzheimer dürfte das dienlich sein!
2.
kuac 26.02.2016
Zitat von derweiseWie zurückgeblieben die Biotechnologie ist, das wird einem erst dann deutlich, wenn man in der eigenen Verwandtschaft einen Fall hat: - von Leukämie: statt daß die Leukozyten biotechnologisch behandelt werden transplantiert man (nach Frankenstein - Methode) das Knochenmark eines fremden Menschen! - das Verschlafen von "neuronaler Speichererweiterung": hätte man sich um die Anschlußmöglichkeit von Neuronen an Neuronennetzen gekümmert, dann wäre im Falle eines Gehirnschadens Ersatz möglich. Auch bei Alzheimer dürfte das dienlich sein!
Wie stellen Sie sich das vor? Im kranken Knochenmark des Patienten werden anstatt reife Leukozyten (weiße Blutzellen) nur funktionsunfähige Vorläufer von Leukozyten vermehrt und massiv produziert. Diese Zellen dann verdrängen alle andere Blutzellen. Wie sollte man diese genetisch veränderte Vorläuferzellen behandeln? Das Knochenmark produziert unvermindert weiterhin solche Zellen. - Dazu müsste zunächst verstanden werden, wie Informationen im Gehirn gespeichert wird.
3. Die Biotechnologie liefert!
black_saint 27.02.2016
Derweise, was bringt es denn die Leukos zu behandeln? Die Ursache liegt im Knochenmark. Die Biotechnologie liefert viel. Nehmen wir Biogasanlagen (graue Bt) Epo, Insulin (nein das wird nicht mehr nur aus Schweinen gewonnen) diverse Antikörper wird übrigens rote Bt genannt. An der grünen Bt erst teilen sich die Geister. Aber auch da gibt es mehr als Monsanto und BASF.
4.
black_saint 27.02.2016
P.S. die Diskussion um Biotechnologie wird allgemein zu emotional und unter zu großem Vorbehalt geführt
5. @derweise
der.tommy 27.02.2016
Also die bisherigen Fortschritte seit der Entdeckung der DNA als "zurückgeblieben" zu bezeichnen mutet etwas naiv an. Leukämie behandelt man heut auch längst nicht mehr ausschließlich mit Knochenmarktransplantation. Da sind sie dann leider nicht mehr auf dem neusten stand. Auch hier arbeitet man bereits mit Stammzellen. Aber es gibt Fälle, in denen das nicht mehr geht, wo dann nur die Transplantation das Leben retten kann. Und selbst das ist ein Fortschritt. Früher wäre man an Leukämie einfach gestorben weil es keine behandlungsmöglichkeiten gab. Und zu der Erweiterung des Speichers des Gehirns. Funktionierende neurale Schnittstellen sind wohl so ziemlich das komplizierteste was die Menschheit jemals erschaffen wird. Sie können nicht einfach einen Stecker an den Kopf und den nächsten Computer anschließen. Unser Gehirn ist die komplizierteste biologische Maschine die es gibt.
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Das Erbgut
Genom
Das Genom bezeichnet das gesamte Erbgut eines Organismus. Außer bei einigen Viren besteht es immer aus DNA (Desoxyribonukleinsäure). Das Genom beinhaltet den Bauplan für die Produktion sämtlicher Proteine (Eiweißmoleküle), die ein Organismus zum Leben benötigt. Ein Gen ist ein Sequenzabschnitt auf dem Genom und beinhaltet die Erbinformation für ein Protein. Die einzelnen Bausteine der DNA sind vier verschiedene Basen: A, C, T und G.
Messenger-RNA (mRNA)
Die mRNA ist eine Art Genabschrift oder Blaupause der DNA. Nur die mRNA kann von den Proteinfabriken der Zellen, den sogenannten Ribosomen gelesen werden. Sie gibt ihnen vor, in welcher Reihenfolge Aminosäuren - die Bausteine von Proteinen - für das jeweilige Protein zu verknüpfen sind.
Codon
Ein Codon ist eine Folge von drei Bausteinen (Nukleotiden oder Basen) der DNA und analog auch der mRNA. Ein Codon steht für eine bestimmte Aminosäure oder als Stoppsignal, welches das Ende einer Bauanweisung für ein Protein kennzeichnet.
Genetischer Code
Der genetische Code ist die Zuordnung der Basen-Dreiergruppen und der Aminosäuren. Da vier verschiedene Basen zur Auswahl stehen, umfasst der genetische Code insgesamt 64 Codons. Für die meisten Aminosäuren gibt es daher mehr als ein Codon. So stehen beispielsweise die Codons CAG und CAA für die gleiche Aminosäure, die Glutaminsäure.
Transfer-RNA (tRNA)
Die tRNAs übernehmen eine Adapterfunktion beim Bau der Proteine: Jede tRNA hat auf der einen Seite jeweils ein sogenanntes Anticodon, das passend zum Codon auf der mRNA ist. Auf der anderen Seite ist sie mit der zugehörigen Aminosäure beladen. Auf diese Weise wird der genetische Code auf der mRNA abgelesen und in die entsprechende Aminosäurekette zum Protein verwandelt. Dieser Prozess geschieht in den Ribosomen.

Hintergrund
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Evolution
Die Veränderung des Erbguts und damit des Phänotyps von Individuen von Generation zu Generation.
Population
Eine Gruppe von Organismen einer Art oder auch verschiedener Arten (Mischpopulation) an einer bestimmten Örtlichkeit.
Phänotyp
Das Erscheinungsbild eines Individuums ist die Gesamtheit der durch die Erbanlagen (Genotyp) und die Einflüsse der Umwelt sich ausprägenden Merkmale eines Lebewesens.
genetische Variabilität
Die einzelnen Individuen einer Art besitzen genetische Unterschiede.
natürliche Selektion
Das Erbgut von Individuen einer Art wird nicht mit gleicher Wahrscheinlichkeit weiter gegeben. Manche Individuen einer Population vermehren sich stärker als andere - je nachdem wie überlebenstüchtig sie in einer bestimmten Umwelt sind. Selektionsfaktoren der Umwelt üben eine natürliche Selektion aus.
sexuelle Selektion
Ein Individuum bevorzugt bei seiner Partnerwahl bestimmte Merkmale. Dadurch haben nicht alle potentiellen Sexualpartner die gleichen Chancen zur Fortpflanzung, es findet somit eine Selektion statt. Die Erbanlagen, die die Merkmale hervorbringen, die fr die Partnerwahl entscheidend waren, werden dadurch weiter gegeben.
künstliche Selektion
Vom Mensch gewünschte Eigenschaften werden durch Selektion und Zucht einzelner Individuen gezielt vermehrt.
genetische Drift
Auch Gendrift genannt. Vorgang bei der Evolution, der zu einer Veränderung im Genbestand kleiner Teilpopulationen gegenüber der Ausgangspopulation führt. Je kleiner eine Population ist, umso leichter kann der Zufall eine vom allgemeinen Durchschnitt abweichende Kombination von Genen zusammenführen. Gelangen beispielsweise nur wenige Individuen einer Art in ein isoliertes Gebiet (Insel, abgeschnittenes Gebirgstal), so können sich nun von ihrem Selektionswert unabhängige Mutationen aufgrund des Zufalls durchsetzen oder verlorengehen. Dies kann zu Formen führen, die in einzelnen Merkmalen nicht angepasst sind (beispielsweise auffällige Färbung, die sie als Beutetiere mehr gefährdet). Der Wirkungsgrad der Gendrift kann durch die mathematische Statistik erfasst werden.

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