Robert D. Martin Ph.D.

Sex

Spermienauswahl: Befruchtung doch nicht zufällig?

Von der Wahl des Geschlechts eines Babys bis zu natürlichen Mechanismen im weiblichen Genitaltrakt

Originaler Cartoon von Alex Martin
Quelle: Original-Cartoon von Alex Martin

Ich habe jahrelang ernsthaft daran gezweifelt, dass ich ein Baby vorab auswähle Sex war ohne radikale Intervention möglich. Hier ist der Grund: Ich erinnere mich noch gut daran, wie ich dies in den 1980er Jahren mit einem Schweizer Veterinärprofessor besprochen habe. Tatsächlich wies er darauf hin, dass bei einheimischen Säugetieren so viel Geld auf dem Spiel steht, dass jede praktische Lösung schon vor langer Zeit entdeckt worden wäre.

Mein vorheriger Beitrag zur Beeinflussung des Geschlechts eines Babys (Junge oder Mädchen: Paare, die versuchen, die Würfel zu laden: 21. August 2018) überflog kaum die Oberfläche. Dieses große Thema hat mehrere Konsequenzen. Viele Fälle von markiert vorspannen Die Geschlechtsverhältnisse bei der Geburt wurden sowohl für in Gefangenschaft lebende als auch für frei lebende Säugetiere, einschließlich Primaten, dokumentiert. Es ist jedoch kein natürlicher Mechanismus zur Auswahl von Spermien vor der Befruchtung bekannt. Es wurde daher allgemein angenommen, dass Verzerrungen auftreten nach dem Empfängnis wegen Überlebensunterschieden zwischen Männern und Frauen im Mutterleib. Trotzdem bleibt eine Form der Spermienauswahl vor der Empfängnis möglich. Während ein Ei immer ein einziges X-Chromosom hat, trägt ein Sperma entweder ein X- oder ein Y-Chromosom und bestimmt somit das Geschlecht der Nachkommen.

Vorauswahl des Geschlechts

In meinem vorherigen Blog-Artikel ging es um die Möglichkeit, dass der Zeitpunkt des Koitus im Verhältnis zum Eisprung das Geschlecht eines Babys beeinflussen kann. In ihrem immer noch beliebten Buch So wählen Sie das Geschlecht Ihres BabysLandrum Shettles und David Rorvik, die vor 40 Jahren erstmals veröffentlicht wurden, behaupteten, dass der Geschlechtsverkehr in der Nähe des Eisprungs die Empfängnis eines Jungen begünstige. Sie schrieben zusätzliche Bedingungen vor, die angeblich die Empfängnis von Mädchen oder Jungen begünstigten. Wichtig ist, dass Shettles 'Empfehlungen auf seiner Überzeugung beruhten, dass sich Spermien radikal unterscheiden, je nachdem, ob sie ein Y-Chromosom („Y-Spermien“) oder ein X-Chromosom („X-Spermien“) tragen. Da das Y-Chromosom deutlich kleiner als das X ist, meinte Shettles, dass Y-Spermien schneller schwimmen. Er spekulierte auch, dass Y-Spermien ein kürzeres Leben haben. Darüber hinaus in einem 1960 Natur Papier behauptete er, dass sich die Köpfe von X- und Y-Spermien unter einem Phasenkontrastmikroskop deutlich im Aussehen unterscheiden. Dies wurde nie bestätigt.

 Adaptiert aus einem Diagramm von Hossain et al. (2001).
Abmessungen für große Proben von X- und Y-Spermien, die 3 verschiedenen Behandlungen unterzogen wurden (LN, FIX, LIS). Obwohl es einen allgemeinen Trend gibt, dass die durchschnittlichen Abmessungen von Y-Spermien etwas kleiner sind, gibt es erhebliche Abweichungen (angezeigt durch die Fehlerbalken) und eine weitgehende Überlappung der Einzelwerte zwischen X- und Y-Spermien.
Quelle: Nach einem Diagramm von Hossain et al. (2001).
 Lorie Gavulic. Datei, die unter der Creative Commons Attribution 4.0 International-Lizenz lizenziert ist.
Hochauflösende Darstellungen menschlicher X- und Y-Chromosomen. Schwarz schraffierte Region in jedem Chromosom = Zentromer, die den kurzen Arm (oben) vom langen Arm (unten) trennt. Der F-Körper, der Berichten zufolge durch Chinacrin-Färbung erzeugt wurde, befindet sich nahe der Spitze des langen (unteren) Arms des Y-Chromosoms.
Quelle: Auszug aus einem Bild in Wikimedia Commons. Quelle: Merlin G. Butler, Syed K. Rafi und Ann M. Manzardo (2015) Hochauflösende Chromosomenideogrammdarstellung derzeit anerkannter Gene für Autismus-Spektrum-Störungen. Int. J. Mol. Sci. 16: 6464-6495. Illustration: Lorie Gavulic. Datei, die unter der Creative Commons Attribution 4.0 International-Lizenz lizenziert ist.

Die Menge an DNA im Kern unterscheidet sich tatsächlich zwischen X- und Y-Spermien. Denken Sie jedoch daran, dass menschliche Geschlechtszellen 23 Chromosomen tragen, von denen nur eines ein X oder Y ist. Der Unterschied in der Gesamt-DNA zwischen menschlichen X- und Y-Spermien ist also gering und beträgt weniger als 3%. Dennoch berichtete Ke-hui Cui in einer Arbeit von 1997, dass sich die Köpfe menschlicher X- und Y-Spermien in Länge, Umfang und Fläche signifikant um etwa 5% unterscheiden und dass X-Spermien signifikant größere Hälse und Schwänze haben. Eine spätere Studie von Amjad Hossain und Kollegen dokumentierte jedoch eine erhebliche Überlappung zwischen X- und Y-Spermien mit kleinen, nicht signifikanten Gesamtunterschieden.

Trennung von X- und Y-Spermien mit Dichtegradienten

 Nach einer Figur von Ericsson et al. (1973).
Grafische Darstellung der berichteten Anreicherung von Y-Spermien unter Verwendung einer vertikalen Säule aus Rinderserumalbumen mit allmählich zunehmender Dichte von oben nach unten. Aufeinanderfolgende Fraktionen (1-4), die aus zunehmenden Tiefen in der Säule entnommen wurden, zeigen eine relative Zunahme der Y-Spermienfrequenz und auch eine erhöhte Motilität. Die Gewinnung von Spermien ist jedoch in den Fraktionen 2 bis 4 deutlich verringert.
Quelle: Nach einer Figur von Ericsson et al. (1973).

Versuche, X- von Y-Spermien zu trennen, haben eine wechselvolle Geschichte, beginnend mit einem 1973 Natur Artikel von Ronald Ericsson und Kollegen über die erfolgreiche Anreicherung menschlicher Y-Spermien. Eine zuverlässige Methode zur Unterscheidung von X- und Y-Spermien - entscheidend für die Beurteilung des Erfolgs - wurde anscheinend von einem Bericht geliefert, wonach Y-Chromosomen spezifisch mit Chinacrin (ursprünglich zur Bekämpfung von Malaria verwendet) gefärbt werden können. Unter Fluoreszenzmikroskopie soll sich die Spitze des langen Arms des Y-Chromosoms als heller Punkt (F-Körper) zeigen. Ericsson und Kollegen verwendeten eine Trennmethode, bei der eine vertikale Eiweißsäule mit zunehmend zunehmender Dichte von oben nach unten verwendet wurde, basierend auf der Idee, dass Y-Spermien schneller schwimmen als X-Spermien und daher schneller wandern. Das Konzentration Die Anzahl der Y-Spermien sollte dementsprechend von einer Schicht zur nächsten zunehmen, und Ericsson und Kollegen berichteten tatsächlich, dass sie „wiederholt bis zu 85% Y-Spermien isolieren konnten“.

Bald darauf patentierte Ericsson die Eiweißmethode zur Spermientrennung, die ab 1975 von der Firma Gametrics Limited (deren Präsident er bleibt) als Franchise vergeben wurde. Ein zusätzliches Verfahren wurde zur Auswahl von X-Spermien entwickelt. Zahlreiche Kliniken schlossen sich nach und nach einem internationalen Netzwerk mit der Methode unter Lizenz an. Derzeit werden im Internet ungefähre Erfolgsraten von 83% und 78% für die Auswahl von Männern und Frauen mit den Gametrics-Verfahren angegeben.

Es wurden jedoch praktisch von Anfang an Fragen zur Ericsson-Methode gestellt. Ein erster Anstoß kam von zwei unabhängigen Veröffentlichungen, die hintereinander veröffentlicht wurden Natur 1975 der erste von J. M. Evans und Kollegen und der zweite von Alan Ross und anderen. Beide dokumentierten fehlgeschlagene Versuche, die von Ericsson und Kollegen 1973 gemeldeten Ergebnisse zu wiederholen. Die beiden Forschungsteams wiederholten die veröffentlichten Methoden, fanden jedoch keine Hinweise auf eine Anreicherung menschlicher Y-Spermien. In der Folge berichteten viele andere Autoren über einen ähnlichen Mangel an Erfolg.

Automatische Spermasortierung

Ich erinnere mich noch genau an meine erste Begegnung vor etwa fünfzehn Jahren mit dem neuartigen Zellsortierungsprozess der Durchflusszytometrie. Während meines Besuchs an der University of Southern California traf ich Norman Arnheim, der seine bahnbrechenden genetischen Analysen einzelner Spermien erklärte. Er präsentierte stolz eine große Maschine, die raffiniert entsprechend verdünnte Samenproben verarbeitete, um einen Tröpfchenstrom zu erzeugen, der normalerweise nur ein einziges Sperma enthielt, manchmal aber auch zwei oder gar keine. Als jedes Tröpfchen aus einer kleinen Düse fiel, lenkte ein Strahl es horizontal entsprechend der Anzahl der vorhandenen Spermien ab. Es wurden nur Tröpfchen gesammelt, die einzelne Spermien enthielten, die über eine entsprechende Entfernung abgelenkt wurden. Arnheim erklärte lächelnd, dass die Bedienung der Maschine tödlich langweilig sei, weshalb der Hersteller nachdenklich ein Musikzentrum eingebaut hatte. Ich glaube, es war Wagners Ritt der Walküren.

 Kierano (eigene Arbeit; 15. Oktober 2012). Datei, die unter der Creative Commons Attribution 3.0 Unported-Lizenz lizenziert ist.
Diagramm zur Darstellung des Grundprinzips eines Durchflusszytometers. Eine verdünnte Probe von Zellen (z. B. Spermien) passiert eine Düse in einem engen Strom. Zellen im Strom können gezählt und / oder getrennt werden. Zur Trennung von X- und Y-Spermien wird eine fluoreszierende Markierung verwendet, um anhand des DNA-Gehalts zu unterscheiden (etwas höher bei X-Spermien).
Quelle: Abbildung aus Wikimedia Commons; Autor: Kierano (eigene Arbeit; 15. Oktober 2012). Datei, die unter der Creative Commons Attribution 3.0 Unported-Lizenz lizenziert ist.

Erst später stellte ich fest, dass Lawrence Johnson und andere Forscher ab Ende der 1980er Jahre ein ähnliches Zellsortierungsverfahren angewendet hatten, um eine große Anzahl von X- und Y-Spermien zu trennen. Tatsächlich ist der relativ kleine Unterschied von etwa 3% im DNA-Gehalt zwischen den beiden Spermatypen für eine wirksame Trennung ausreichend. Erste Arbeiten wurden an Haussäugetieren wie Kaninchen durchgeführt, aber bis 1993 Johnson und berichtete Ergebnisse für die Vorauswahl des Geschlechts von menschlichen Babys. Mit X-Spermien angereicherte Fraktionen ergaben 82% positive Ergebnisse, während mit Y-Spermien angereicherte 75% ein positives Signal ergaben. In einem von Glenn Welch mitverfassten Übersichtsartikel aus dem Jahr 1999 berichtete Johnson, dass technische Verbesserungen die Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit der Spermasortierung erhöht hätten. Eine Erfolgsrate von mehr als 90% wurde bei mehreren einheimischen Säugetierarten und Menschen erzielt.

 Nach einer Figur von Seidel & Garner (2002).
Darstellung des Trennungsgrades zwischen X- und Y-Spermien, der jetzt mit modernen Methoden mittels Durchflusszytometrie erreicht werden kann.
Quelle: Nach einer Figur von Seidel & Garner (2002).

In jüngerer Zeit, im Jahr 2008, gaben Duane Garner und George Seidel einen historischen Überblick über die kommerzialisierte Verwendung von geschlechtssortierten Spermien bei Rindern. Nach signifikanten Verbesserungen der Effizienz der Flusssortierung von Bullenspermien und erfolgreicher Kryokonservierung entwickelte sich die weltweite Verbreitung schnell. Die finanziellen Vorteile der Geschlechtsvorwahl überwiegen mehr als die relativ hohen Kosten für nach Geschlecht sortierte Spermien, insbesondere in der Milchindustrie, die Bullen nur für die Zucht benötigt.

Die erfolgreiche hochpräzise Trennung von X- und Y-Spermien in großer Anzahl durch Flusssortierung hat den Weg für neue Forschungen zu möglichen Unterschieden geebnet. Ein hervorragendes Beispiel ist eine Arbeit von Linda Penfold und Kollegen aus dem Jahr 1998, in der die Motilität von X- und Y-Spermien aus Bullensamen untersucht wird. Sie maßen die Schwimmgeschwindigkeit, den mittleren Winkel Verschiebung, Linearität, Geradheit des Weges, Schwanzschlagfrequenz und Ausmaß der seitlichen Kopfbewegungen. X- und Y-Spermien zeigten signifikante Unterschiede hinsichtlich der mittleren Winkelverschiebung, Linearität und Geradheit des Weges. Im Gegensatz dazu wurden keine signifikanten Unterschiede für die Schwimmgeschwindigkeit, die Schwanzschlagfrequenz oder die seitlichen Kopfbewegungen gefunden. Die Annahme, dass Y-Spermien schneller schwimmen als X-Spermien - geteilt von Shettles, Ericsson und vielen anderen - wurde daher nicht bestätigt.

Spermasortierung nach weiblichen Säugetieren?

Da es sich endlich als möglich erwiesen hat, X- von Y-Spermien zu trennen, ist es an der Zeit, die Möglichkeit der Selektion im Genitaltrakt weiblicher Säugetiere erneut zu untersuchen. Carmen Almiñana und Kollegen berichteten in einem Papier aus dem Jahr 2014 über einen Schritt in diese Richtung unter Verwendung modernster Techniken, in dem die Forschung an Schweinen beschrieben wurde, um festzustellen, ob X- und Y-Spermien im Eileiter unterschieden werden können.

Die Forscher nutzten die Tatsache, dass weibliche Säugetiere zwei Eileiter haben. Unter Verwendung eines Laparoskops zur Führung wurde eine Population von X-Spermien in einen Eileiter und eine Population von Y-Spermien in den anderen besamt. Es zeigte sich, dass sich die genetische Aktivität des Eileiters als Reaktion auf Spermien signifikant unterschied, je nachdem, ob sie X- oder Y-Chromosomen trugen. Darüber hinaus wurden lokale Immunantworten, die für jeden Spermatyp spezifisch sind, innerhalb des Eileiters hervorgerufen. Es ist daher klar, dass Eileiter unterschiedlich auf X- und Y-Spermien reagieren, was eine mögliche Grundlage für einen Mechanismus zur Beeinflussung des Geschlechts unter weiblicher Kontrolle darstellt.

Implikationen

Nach jahrzehntelangen Kontroversen und widersprüchlichen Berichten ist es nun möglich, X- und Y-Spermien mit beträchtlicher (wenn auch nicht perfekter) Präzision zu trennen. In Zukunft sollte dies ein erheblicher Segen für die Forschung sein und berechtigte Interventionen zur Vorauswahl des Geschlechts menschlicher Babys ermöglichen. Es sei darauf hingewiesen, dass aus vernünftigen medizinischen Gründen eine Vorauswahl des Geschlechts erforderlich sein kann. Einige geerbte Bedingungen sind mit verknüpft Gene befindet sich auf dem X-Chromosom (e.g. Hämophilie, Hydrozephalus, Duchenne-Muskeldystrophie). Diese Bedingungen betreffen hauptsächlich Jungen, daher ist es sicherer, Mädchen zu haben. Es wird auch anerkannt, dass eine Vorauswahl des Geschlechts eines Babys wünschenswert sein kann, um ein Gleichgewicht innerhalb der Familien zu erreichen. Solche Rechtfertigungen liegen jedoch an einem rutschigen Hang, und eine sorgfältige Überwachung ist erforderlich, um künftigen Abweichungen von einem Geschlecht zu verhindern.

Abschließend fühle ich mich verpflichtet zu kommentieren, dass die von einem der hier genannten Autoren durchgeführte Forschung an Schweinen durch eine unglückliche Entwicklung blockiert wurde. Ein großes Unternehmen besitzt Patente zum Schutz der Spermientrennungstechnologie und verbietet Benutzern aus irgendeinem Grund nun, Forschung mit den getrennten X- und Y-Spermien durchzuführen. Es ist ein trauriger Tag, an dem private Unternehmen, die enorm von öffentlich finanzierten und frei verfügbaren wissenschaftlichen Erkenntnissen profitiert haben, der weiteren Forschung im Wege stehen!

Verweise

Almiñana, C., Caballero, I., Heath, PR, Maleki-Dizaji, S., Parrilla, I., Cuello, C., Gil, MA, Vazquez, JL, Vazquez, JM, Roca, J., Martinez, EA, Holt, WV & Fazeli, A. (2014) Der Kampf der Geschlechter beginnt im Eileiter: Modulation des oviduktalen Transkriptoms durch X- und Y-tragende Spermien. BMC Genomics 15,293:1-11.

Carson, S.A. (1988) Geschlechtsauswahl: das Ultimative in der Familienplanung. Fruchtbarkeit & Sterilität 50:16-19.

Ericsson, R.J., Langevin, C.N. & Nishino, M. (1973) Isolierung von Fraktionen, die reich an menschlichem Y-Sperma sind. Natur 246:421-424.

Evans, J.M., Douglas, T.A. & Renton, J. P. (1975) Ein Versuch, Fraktionen zu trennen, die reich an menschlichem Y-Sperma sind. Natur 253:352-354.

Garner, D.L. & Seidel, G.E. (2008) Geschichte der Kommerzialisierung von geschlechtlichem Sperma für Rinder. Theriogenologie 69:886-895.

Hossain, A.M., Barik, S. & Kulkarni, P.M. (2001) Fehlen signifikanter morphologischer Unterschiede zwischen menschlichen X- und Y-Spermatozoen und ihren Vorläuferzellen (Spermatiden), die verschiedenen Vorhybridisierungsbehandlungen ausgesetzt waren. Zeitschrift für Andrologie 22:119-123.

Johnson, L.A., Flook, J.P. & Hawk, H.W. (1989) Geschlechtsvorwahl bei Kaninchen: Lebendgeburten aus X- und Y-Spermien, getrennt durch DNA und Zellsortierung. Biologie der Reproduktion 41:199-203.

Johnson, L.A. & Welch, G.R. (1999) Vorauswahl des Geschlechts: Durchflusszytometrische Hochgeschwindigkeitssortierung von X- und Y-Spermien für maximale Effizienz. Theriogenologie 52:1323-1341.

Johnson, L. A., Welch, G. R., Keyvanfar, K., Dorfmann, A., Fugger, E. F. & Schulman, J. D. (1993) Geschlechtsvorwahl beim Menschen? Durchflusszytometrische Trennung von X- und Y-Spermien zur Vorbeugung von X-chromosomalen Erkrankungen. Menschliche Fortpflanzung 8:1773-1739.

S. Lien, J. Szyda, E. P. Leeflang, R. Hubert, L. Zhang, K. Schmitt & N. Arnheim (2002) Typisierung einzelner Spermien. Aktuelle Protokolle in der Humangenetik 32:1.6.1-1.6.18.

Penfold, L. M., Holt, C., Holt, W. V., Welch, D. G., Cran, D. G. & Johnson, L. A. (1998) Vergleichende Motilität von X- und Y-Chromosomen tragenden Rinderspermien, die auf der Basis des DNA-Gehalts durch Flusssortierung getrennt wurden. Molekulare Reproduktion & Entwicklung 50:323-327.

Ross, A., Robinson, J.A. & Evans, H. J. (1975) Fehler beim Bestätigen der Trennung von X- und Y-tragenden Spermien unter Verwendung von BSA-Gradienten. Natur 253:354-355.

Seidel, G.E. & Garner, D.L. (2002) Aktueller Stand der Geschlechtsbestimmung von Säugetierspermatozoen. Reproduktion 124:733-743.

Shettles, L.B. (1960) Kernmorphologie menschlicher Spermien. Natur 186:648-649.

Shettles, L.B. & Rorvik, D.M. (2011) So wählen Sie das Geschlecht Ihres Babys: Die Methode, die am besten durch wissenschaftliche Erkenntnisse gestützt wird. (Sechste Ausgabe; vollständig überarbeitet und aktualisiert). New York: Crown Publishing Group.

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