Das Spermium als Träger von Erbgut und Epigenom
Epigenetik bezeichnet Mechanismen, die die Aktivität von Genen steuern, ohne die DNA-Sequenz zu ändern, und die bei Zellteilungen oder über Generationen weitergegeben werden können. Für das Spermium werden vier Ebenen unterschieden: die DNA-Methylierung, die DNA-assoziierten Proteine, die Verteilung der Nukleoprotamine und die nichtkodierende RNA. Zusammen bilden sie nach einer Übersicht eine „unique epigenetic landscape“, die mit dem haploiden Genom an die Eizelle geliefert wird [s297]. Eine andere Übersicht ordnet drei Säulen der epigenetischen Vererbung ein, nämlich Chromatin, DNA-Methylierung und nichtkodierende RNA, und betont, dass die Wege der Übertragung bei der Befruchtung, der Widerstand gegen die Umprogrammierung im Embryo und die Verbindung zum Phänotyp „only now beginning to be unraveled“ seien [s155]. Eine Bilanz zum Einfluss von Umweltfaktoren hält fest, dass der funktionelle Einfluss auf Embryogenese und Phänotyp der nächsten Generation „largely unknown“ sei, starke Belege aber zunähmen [s301]. Die kritische Gegenstimme nennt es unklar, wie viel epigenetische Vererbung beim Menschen umweltbedingt ist [s373].
Zwei Eigenschaften der Spermienbiologie bestimmen, wie die Studien zu lesen sind. Erstens sind reife Spermien transkriptionell und translationell stumm [s279]. Ihr Epigenom wird deshalb in zwei Phasen geformt, in den Hoden während der Spermatogenese und im Nebenhoden während der Reifung. Zweitens braucht die Spermatogenese Zeit. Ein Tierversuch wählte 56 Tage Auswaschphase, was etwa einem Spermatogenesezyklus entspricht [s200], und eine große Geburtskohorte fand als wichtiges Expositionsfenster 15 bis 69 Tage vor der Befruchtung [s94]. Die Präkonzeptionsphase wird als sensibles Entwicklungsfenster bezeichnet [s252], und für die Spermienentwicklung wurde die Hypothese „epigenetischer Fenster der Empfindlichkeit“ formuliert, die der Essay selbst nicht empirisch prüft [s379].
DNA-Methylierung und genomische Prägung
Bei der DNA-Methylierung wird an Cytosin, meist in der Abfolge Cytosin-Guanin (CpG), eine Methylgruppe angefügt; das Enzym DNA-Methyltransferase (DNMT) ist daran beteiligt [s260]. Eine seltene Variante, die 5-Hydroxymethylcytosin, wurde im menschlichen Hoden und in Ejakulat-Spermien untersucht [s319]. Methylierungsunterschiede werden als Prozentwerte je CpG-Stelle oder als differenziell methylierte Regionen (DMR) berichtet. Das Spermienmethylom unterscheidet sich stark von dem des Blutes: Nur an etwa 1 % der CpG-Stellen korrelieren die Werte von Blut und Spermien derselben Männer [s244]. In Spermien sind Entwicklungspromotoren hypomethyliert [s406].
Eine Sonderrolle haben geprägte Gene (Imprinting). Bei ihnen ist je nach Elternteil nur ein Allel aktiv, die elternspezifische Markierung wird in der Keimbahn gesetzt, und Störungen verursachen Wachstumssyndrome [s413]. Das Beckwith-Wiedemann- und das Silver-Russell-Syndrom beruhen auf abnormer Methylierung der Region 11p15 [s404]. In den Humanstudien dieser Literatur werden vor allem H19, IGF2, MEST, SNRPN, KCNQ1OT1, MEG3, PEG3 und GNAS gemessen [s325, s201, s326]. Methylierung dient außerdem als Altersmarker: Eine Übersicht beschreibt eine Spermien-Epigenetik-Uhr auf Basis von vier Methoden [s136], eine Kohorte definierte ein „Spermien-Epigenetik-Alter“ als Beschleunigung oder Verlangsamung altersbezogener Änderungen [s20], und ein türkisches Panel aus zwölf CpG-Stellen für forensische Zwecke erreichte mittlere absolute Fehler von 3,81 bis 4,1 Jahren [s95].
Die Messmethoden bestimmen, was ein Befund bedeutet. Arrays messen vordefinierte Stellen, etwa rund 485.000 CpG-Stellen beim 450K-Chip [s357] oder 745.804 ausgewertete Stellen beim EPIC-Chip [s76]. Reduzierte Bisulfit-Sequenzierung (RRBS), Ganzgenom-Bisulfit-Sequenzierung (WGBS) und MCC-Seq erfassen größere Teile des Genoms [s305, s192, s246]. Pyrosequenzierung und gezielte Bisulfit-Sequenzierung messen einzelne Loci [s326, s229]. ELISA-Verfahren messen die globale Methylierung als Mittelwert [s304]; methylierungsspezifische PCR liefert nur Methyliert oder Unmethyliert und kann deshalb andere Ergebnisse geben als eine Pyrosequenzierung [s222, s322]. Typische Fehlerquellen sind somatische Zellen in der Probe, weshalb manche Studien die Methylierung an einer Referenzregion (DLK1) als Kontaminationsanzeiger mitführen [s21], und genetische Varianten: Ein Einzelnukleotid-Polymorphismus in der H19-Region beeinflusste die Methylierung [s249], und sechs von sieben auffälligen Stellen in einer Rauchstudie überlappten mit häufigen Varianten [s290]. Die Methylierung variiert außerdem zwischen einzelnen Spermien einer Probe [s249].
Histone, Protamine und Chromatin
Im Verlauf der Spermiogenese werden Histone hyperacetyliert, entfernt und durch Übergangsproteine und Protamine ersetzt; das Protein BRDT verdichtet acetyliertes Chromatin [s410]. Nahezu alle Nukleosomen des männlichen Genoms werden nach der Meiose schrittweise modifiziert und destabilisiert [s393]. Ein kleiner Rest bleibt erhalten. Ein Kommentar aus der japanischen Literatur nennt etwa 1 % der Histone bei der Maus und 15 % beim Menschen [s352]. Die Pionierstudie am menschlichen Spermienchromatin zeigte, dass die verbliebenen Nukleosomen an Genorten mit Entwicklungsbedeutung angereichert sind: an geprägten Clustern, miRNA-Clustern, HOX-Clustern und Promotoren von Entwicklungsfaktoren. H3K4me2 und H3K4me3 liegen an Entwicklungspromotoren, H3K27me3 an Promotoren, die im frühen Embryo reprimiert sind [s406]. Eine französische Übersicht hielt schon 2006 fest, die Struktur des Spermiengenoms sei heterogen und diese Heterogenität könne epigenetische Information tragen [s422].
In der Klinik wird die Chromatinreife über Hilfsgrößen erfasst. Die Anilinblau-Färbung zeigt histonreiche, unreife Spermien an [s220], die Chromomycin-A3-Färbung und der Spermien-Chromatin-Strukturtest (SCSA) liefern verwandte Aussagen [s427, s05]. Das Verhältnis von Protamin 1 zu Protamin 2 und der Histon-Anteil werden als Messgrößen genutzt [s371]. Die EAU-Leitlinie beschreibt, dass der SCSA auch den Anteil unreifer Spermien mit Defekten im Histon-Protamin-Übergang erfasst; ein Schwellenwert des DNA-Fragmentierungsindex (DFI) von 25 % sei mit geringeren Schwangerschaftsraten bei natürlicher Konzeption oder IUI verbunden, ein DFI über 50 % mit schlechteren IVF-Ergebnissen, und die routinemäßige Anwendung sei umstritten [s05]. Die ESHRE empfiehlt einen Spermien-Chromatinkondensationstest nicht, wenn die Samenanalyse nach WHO-Kriterien normal ist [s146]. Diese Größen sind Chromatinmarker und keine Epigenom-Messung im engeren Sinn; sie erscheinen in der Literatur aber häufig neben Methylierungs- und RNA-Daten.
Spermien-RNA
Menschliche Spermien enthalten eine Mischung aus ribosomaler RNA, Boten-RNA und kleinen nichtkodierenden RNA (miRNA, piRNA und weitere); von den größeren RNA ist nur ein Bruchteil strukturell intakt [s383]. Zu den Klassen gehören miRNA, piRNA, von tRNA abgeleitete Fragmente (tsRNA), von rRNA abgeleitete Fragmente (rsRNA), yRNA, lange nichtkodierende RNA (lncRNA) und zirkuläre RNA (circRNA). Der Anteil der Klassen hängt von der Probenaufbereitung ab. In einer Studie an Spermien von Männern mit hoher und normaler DNA-Fragmentierung entfielen im Mittel 40,5 % der sncRNA auf rsRNA, 19,3 % auf tsRNA, 10,4 % auf yRNA und 7,1 % auf miRNA [s192]. In Einzelspermien-Proben lagen piRNA mit 2,79 % und miRNA mit 0,94 % der Reads vor, in angereicherten Proben mit 41,68 % bzw. 11,11 % [s91]. Zusätzlich beeinflussen Reinigung und Bibliotheksverfahren das Ergebnis; bei geringer Eingangsmenge schnitt ein Verfahren besser ab, bei hoher ein anderes [s228]. Mitochondriale tRNA und deren Fragmente gelten als spermiengetragene Faktoren im Mausmodell [s118]. RNA-Modifikationen spielen eine Rolle: Das Enzym Dnmt2 und Veränderungen an m5C und m2G waren für die tsRNA-vermittelte Übertragung in einem Mausmodell nötig [s316], und die m6A-Methylierung wird in Spermien von Mäusen und Menschen untersucht [s84, s122].
Wie kleine RNA ins Spermium gelangt, ist umstritten. Das Profil verändert sich auf dem Weg durch den Nebenhoden; Epididymosomen, membranumschlossene Vesikel, kommen als Überträger in Frage [s279, s346, s299]. Eine Mausstudie kam dagegen zu dem Ergebnis, dass Spermien kleine RNA vorwiegend mit zytoplasmatischen Tröpfchen austauschen und ihre RNA hauptsächlich aus den nukleären kleinen RNA später Spermatiden stammt [s173]. Weitere RNA-Träger sind Vesikel des Samenplasmas [s294, s207]. PIWI-Proteine und piRNA kommen nur in Pachytän-Spermatozyten und Rundspermatiden vor, miRNA dagegen in der gesamten Spermatogenese [s396]. Lagerung und Kryokonservierung verändern die miRNA-Profile; Einfrier-Tau-Zyklen senkten in einer Studie die Spiegel von Samenplasma-miRNA [s349, s128, s102].
Intergenerationale und transgenerationale Effekte
Zwei Begriffe werden strikt getrennt. Intergenerational sind Effekte auf direkt exponierte Generationen: der Vater, seine Keimzelle und das Kind (F1); bei Exposition einer trächtigen Mutter auch die F2, deren Keimzellen im Fötus exponiert waren. Transgenerational sind Effekte in Generationen ohne eigene Exposition: die F2 nach Exposition des Vaters, die F3 nach Exposition einer trächtigen Mutter [s260, s155, s373]. Fast alle Belege für echte Vererbung stammen aus Nagern; beim Menschen liegen überwiegend Assoziationen vor.
Entscheidend ist die Umprogrammierung. Nach der Befruchtung und in der Keimbahn der Nachkommen wird ein großer Teil der Methylierung gelöscht und neu aufgebaut. Ob eine väterliche Markierung dem entgeht, ist die Kernfrage. Ein Mausversuch fand locusspezifisch veränderte Spermienmethylierung nach Unterernährung im Mutterleib, davon einen erheblichen Teil resistent gegen die Umprogrammierung im frühen Embryo; die Unterschiede blieben in F2-Geweben aber nicht erhalten [s377]. In einem Stressmodell der Maus wurden väterliche DMR mit Häufigkeiten von 11,36 % (intergenerational) und 0,48 % (transgenerational) beschrieben [s237]. Mehrere Studien fanden dagegen, dass Methylierungsänderungen in der nächsten Generation wieder verschwanden [s165, s79].
Messgrößen und Endpunkte der Studien
Die Studien messen drei Arten von Zielgrößen. Die erste Gruppe sind Samenparameter: Spermienkonzentration, Gesamtzahl, Beweglichkeit, Morphologie und Vitalität. Die Begriffe Oligozoospermie (niedrige Konzentration), Asthenozoospermie (verminderte Beweglichkeit), Teratozoospermie (Formveränderungen), Oligoasthenoteratozoospermie (OAT, Kombination) und Azoospermie (keine Spermien im Ejakulat; nichtobstruktiv oder obstruktiv) werden in den Studien als Gruppenbezeichnungen verwendet. Die zweite Gruppe sind Hilfsmarker wie der DNA-Fragmentierungsindex (DFI), Embryoqualität und Befruchtungsrate sowie wiederholte Schwangerschaftsverluste. Die dritte Gruppe sind Ergebnisse mit direkter Bedeutung: Zeit bis zur Schwangerschaft (Fecundability), Lebendgeburt, Geburtsgewicht und Gesundheit der Kinder. Die Literatur besteht überwiegend aus Studien der ersten und zweiten Gruppe. Die dritte Gruppe ist selten, was die Aussagekraft für Kinder begrenzt.
Als Effektmaße kommen vor: Odds Ratio (OR), Hazard Ratio (HR), Fecundability-Odds-Ratio (FOR), Regressionskoeffizienten (β), Korrelationskoeffizienten (r, ρ), Differenzen in Prozentpunkten Methylierung und die Fläche unter der ROC-Kurve (AUC) als Maß der Trennschärfe eines Markers. „FDR“ bezeichnet die Kontrolle der Rate falsch positiver Befunde bei Mehrfachtests; „nominell signifikant“ bedeutet, dass diese Korrektur nicht vollständig erfolgte [s200]. Methylierungsdifferenzen von wenigen Prozentpunkten sind klein im Verhältnis zum Messfehler der Methoden; das gilt etwa für die Unterschiede von 3,23 bis 7,53 Prozentpunkten in der Metaanalyse zu geprägten Genen [s325].
WHO-Referenzwerte 2021
Viele Studien nennen „normale“ Samenparameter nach den Referenzwerten der Weltgesundheitsorganisation (WHO). Die sechste Auflage des WHO-Handbuchs erschien nach zwei eigens abgerufenen Übersichts-Abstracts im Jahr 2021 und ist frei herunterladbar (PubMed-Kennungen 34996596 und 39081428, beide nicht in der Quellenliste). Die hier verwendeten Zahlen stammen aus einer ebenfalls eigens abgerufenen Auswertung (PubMed-Kennung 33528873, Titel „Distribution of semen examination results 2020 - A follow up of data collated for the WHO semen analysis manual 2010“), die nicht in der Quellenliste steht. Sie analysierte Daten von mehr als 3500 Männern aus zwölf Ländern und fünf Kontinenten. Die 5. Perzentile fertiler Männer betrug für die Spermienkonzentration 16 × 10⁶ pro ml, für die Progressivbeweglichkeit 30 % (Gesamtbeweglichkeit 42 %) und für normale Formen 4 %. Die Autoren betonen, dass diese Werte keine scharfen Grenzen zwischen fertilen und subfertilen Männern darstellen; sie nennen außerdem fehlende Daten aus vielen Ländern und eine relativ geringe Probandenzahl (unter 4000). Für diese Studie bedeutet das: Ein Wert unterhalb der Referenz ist keine Diagnose, und die Studien beziehen sich teils auf die Referenzwerte von 2010 [s21], teils auf die Ausgabe 2021 [s132]. Ein Teil der Vergleichsgruppen heißt „normozoosperm“, ohne dass jede Studie sagt, nach welcher Auflage.
Zur Geschichte der Forschungsfrage
Die Frage, ob Väter mehr als ihr Erbgut weitergeben, hat drei Wurzeln: die Prägungsforschung, die Epidemiologie der Hungerjahre und die RNA-Biologie.
Frühe Beobachtungen (2002 bis 2007). Die ersten Hinweise kamen aus der Reproduktionsmedizin. Ein Fallbericht beschrieb zwei durch ICSI gezeugte Kinder mit Angelman-Syndrom und sporadischem Prägungsdefekt [s430]. Eine prospektive Studie fand bei 65 Kindern mit Beckwith-Wiedemann-Syndrom eine ART-Prävalenz von 4,6 % (3 von 65) gegenüber einer Hintergrundrate von 0,8 % in den USA [s429]. Parallel beschrieben französische Übersichten die Verpackung des Spermienkerns und stellten fest, dass kaum bekannt ist, welche Information epigenetisch an die Nachkommen weitergegeben wird [s426, s422, s427]. Erste klinische Studien prüften die globale Methylierung [s424] und die Prägungsmethylierung bei infertilen Männern [s416]. Auf der Seite der Epidemiologie verband eine Studie aus dem Jahr 2006 das Nahrungsangebot von Großvätern in Nordschweden (Överkalix) mit der Sterblichkeit der Enkel und den frühen väterlichen Rauchbeginn mit dem BMI der Söhne [s421]. 2007 beschrieb eine Übersicht die Paramutation bei der Maus als RNA-vermittelte Vererbung [s417].
Chromatin, RNA und erste Tiermodelle (2009 bis 2015). Die Studie zum Chromatin menschlicher Spermien stellte die Annahme in Frage, das Spermienchromatin spiele epigenetisch kaum eine Rolle [s406]. Die Arbeitsgruppe um Rassoulzadegan beschrieb RNA und miRNA des Spermiums als Vektoren der Übertragung [s405]. Väterliche Diät erzeugte bei Nachkommen veränderte Genexpression des Lipidstoffwechsels [s401]; Stress und Fettreichtum änderten Spermien-miRNA und das Verhalten oder den Stoffwechsel der Nachkommen [s386, s380, s370]; In-utero-Unterernährung veränderte das Spermienmethylom [s377]. Zugleich erschien die kritische Bewertung „myths and mechanisms“ [s373]. In den Humanstudien folgten erste genomweite Arbeiten [s355, s357, s356].
Kausalbeweise im Modell und Replikationsprobleme (2016 bis 2018). 2016 zeigten zwei Arbeiten in „Science“, dass tRNA-Fragmente im Spermium Stoffwechselmerkmale vermitteln und dass tRNA-Fragmente im Nebenhoden zunehmen [s335, s346]. Die Gruppe um Conine zeigte, dass im Nebenhoden erworbene kleine RNA für die frühe Embryonalentwicklung nötig ist [s299]. In denselben Jahren scheiterte die Replikation der Rauchbeginn-Studie in der HUNT-Kohorte [s334]; die Uppsala-Studie bestätigte die Großvaterbefunde nur teilweise [s313]. Die Metaanalysen zu geprägten Genen und zu Prägungsstörungen erschienen [s325, s300].
Konsolidierung und Skepsis (ab 2020). Die systematische Übersicht von 2020 bewertete das gesamte Feld nach GRADE und fand keine robust replizierten Befunde [s243]. Danach wuchs die Zahl der Arbeiten stark: 241 der 430 Quellen dieser Studie sind aus den Jahren 2021 bis 2026. Neue Fragen betreffen Epigenetik-Uhren [s20, s136], Hitze [s20], Luftschadstoffe in großen Kohorten [s94], die Variabilität der Methylierung als Maß [s21] und einzelne Tiermodelle mit väterlichem Alter oder Narkose [s109, s194, s08]. Auch die Begriffe verbreiteten sich: Das Konzept der „väterlichen Ursprünge von Gesundheit und Krankheit“ (POHaD) wird in japanischen und russischen Texten neben dem Konzept der Entwicklungsursprünge (DOHaD) geführt [s176, s285].