Wenn Eizellen zu viele Chromosomen haben

Dieses Ziel lässt sich auf verschiedenen Wegen erreichen. Einer davon (Automixis) war bislang nur bei Insekten bekannt, doch Wissenschaftler vom Biozentrum der Uni Würzburg haben ihn jetzt erstmals auch bei Wirbeltieren nachgewiesen. Damit können sie unter anderem eine häufige Ursache für Defekte bei menschlichen Embryonen erklären, wie sie in der Zeitschrift Current Biology berichten.

Das Erbgut eines Menschen ist auf 46 Chromosomen verteilt. 23 davon stammen von seiner Mutter, 23 vom Vater. Wenn sich bei Frauen die Eizellen bilden und beim Mann die Spermien, dann tauschen die Chromosomen zuerst untereinander Material aus. Danach verteilen sie sich so, dass am Ende jede Eizelle und jedes Spermium genau 23 Chromosomen enthält. Vereinigen sich Ei und Spermium bei der Befruchtung miteinander, ergibt sich wiederum die doppelte und damit komplette genetische Ausstattung.

Passieren aber bei der Reifung der Ei- oder Spermienzellen Fehler, kann es zu Abweichungen von diesen Zahlen kommen. „Beim Menschen haben etwa zwei Prozent aller befruchteten Eizellen nicht den doppelten Chromosomensatz, sondern einen dreifachen, also insgesamt 69 Chromosomen“, sagt Professor Manfred Schartl vom Biozentrum. Solche Embryonen sind nicht lebensfähig und sterben im ersten Drittel der Schwangerschaft ab.

Was für Menschen problematisch ist, stecken andere Lebewesen locker weg. Frösche, Lurche und Fische etwa können mit abweichenden Chromosomenzahlen gut leben. Das trifft auch auf den Amazonenkärpfling zu, einen Süßwasserbewohner aus Mexiko: Von ihm gibt es in der Natur Exemplare mit doppeltem, aber auch mit dreifachem Chromosomensatz. Wie es bei dem Fisch zu dieser Unregelmäßigkeit kommt, wollten Schartl und sein Team aus der Physiologischen Chemie gemeinsam mit Kollegen der Humangenetik herausfinden.

Bei den Amazonenkärpflingen gibt es nur Weibchen. Ihre Eizellen können sich direkt zu einem Fisch entwickeln, ganz ohne zusätzliches Erbmaterial aus einem Spermium. Denn bei dem mexikanischen Fisch ist die Jungfernzeugung die Regel. Davon sprechen Biologen, wenn ein Weibchen auch ohne Befruchtung Junge bekommen kann. Damit sich aus den Eizellen Embryonen entwickeln können, müssen zwar noch Spermien ins Spiel kommen. Diese „stehlen“ die Amazonenkärpflinge von Männchen einer nahe verwandten Art, indem sie diese zur Kopulation verführen. Die Spermien aber geben dem Ei nur einen rein mechanischen Anstoß zur Weiterentwicklung; das männliche Erbgut findet keinen Eingang in den Embryo. Die dabei entstehenden Töchter haben all ihre Chromosomen von der Mutter, mit der sie folglich genetisch identisch sind.

Der Amazonenkärpfling ist im Verlauf der Evolution entstanden, als sich zwei andere Kärpflingsarten kreuzten. Dieses Ereignis spielten die Würzburger im Labor nach. Die Kreuzung ergab Fische mit doppeltem Chromosomenbestand. Unter deren Nachkommen wiederum fanden sich aber auch Tiere mit dreifachem Chromosomensatz. Wie es dazu kommen konnte, verfolgten die Forscher nun mit molekulargenetischen Methoden zurück.

Wie sie in Current Biology schreiben, tritt bei den untersuchten Fischen die so genannte Automixis auf, die bislang nur von Insekten bekannt war. Dabei wird die Zahl der Chromosomen nicht in allen entstehenden Eizellen halbiert. Es gibt darum sowohl Eizellen mit einfachem als auch mit doppeltem Chromosomensatz, die dann untereinander wieder verschmelzen. So stehen am Ende des Prozesses auch Eizellen mit dreifachem Chromosomensatz.

Weil die Automixis nun erstmals auch bei Wirbeltieren nachgewiesen wurde, ziehen die Würzburger Wissenschaftler zwei Schlussfolgerungen. Zum Einen vermuten sie, dass dieser Mechanismus auch bei höheren Tieren einschließlich des Menschen dafür sorgt, dass Embryonen mit dreifachem Chromosomensatz entstehen können. Zum Anderen erklärt sich damit auch das spontane Auftreten von Jungfernzeugungen bei manchen Wirbeltieren. Solche Fortpflanzungen ohne Beteiligung von Männchen sind zum Beispiel von Hammerhaien und Waranen bekannt, die lange Zeit isoliert in Zoos gehalten wurden. „Durch Automixis können auch bei Wirbeltieren Eizellen mit doppeltem Chromosomensatz entstehen, die sich dann von alleine zu Embryonen weiterentwickeln“, so Schartl.

Diese Ergebnisse erarbeitete der Professor mit seinen Kolleginnen Kathrin P. Lampert, die inzwischen an der Uni Bochum tätig ist, Dunja K. Lamatsch, die zurzeit an der Universität in Sheffield forscht, und Petra Fischer sowie mit den Würzburger Humangenetikern Professor Michael Schmid und Indrajit Nanda. Außerdem war der Bochumer Humangenetiker Jörg T. Epplen beteiligt.

„Automictic Reproduction in Interspecific Hybrids of Poeciliid Fish“, Kathrin P. Lampert, Dunja K. Lamatsch, Petra Fischer, Jörg T. Epplen, Indrajit Nanda, Michael Schmid und Manfred Schartl, Current Biology, online veröffentlicht am 1. November 2007, DOI: 10.1016/j.cub.2007.09.064