Het nieuwe sperma

Sander Voormolen 29 oktober 2005 NRC

SPERMACEL GEEFT AAN DE EICEL MEER DAN DNA ALLEEN

De vader levert meer aan het embryo dan alleen een pakketje DNA. Ook eiwitten en RNA reizen met de spermacel de eicel in. Maar over de betekenis daarvan wordt door wetenschappers getwist.
 

EEN SPERMACEL bestaat uit een minuscuul kopje van 5 tot 8 micrometer met een lange zweepstaart. In vergelijking tot een eicel stelt de mannelijke geslachtscel weinig voor. Het is een efficiënt vehikel om de vaderlijke genen bij de eicel af te leveren. Aan boord niet meer dan de noodzakelijke lading: wat mitochondriën voor de levering van de energie die nodig is voor de voortbeweging, maar verder vooral de chromosomen, die bij de eicel moeten worden afgeleverd. Alle nutteloze ballast is tijdens de spermarijping overboord gezet om de efficiëntie te verhogen. Immers: de lichtste en dus snelste spermacel is de grootste kanshebber om de race naar de eicel te winnen en de bevruchting tot stand te brengen.
 

Zo wordt het gezien.

Maar onder wetenschappers groeit de twijfel of dit klassieke verhaal wel klopt. Langzaam dringt het besef door dat de spermacel meer met zich meevoert dan alleen een pakketje vaderlijke chromosomen.

``Inderdaad'', zegt Steve Krawetz opgewekt aan de telefoon. Hij is androloog (mannenarts: een gynaecoloog, maar dan voor mannen) aan de Wayne State University School of Medicine in Detroit, Michigan, ``Dad delivers more to the egg than just DNA.'' Het is Krawetz's favoriete oneliner, sinds hij in The Lancet (7 september 2002) beschreef dat menselijke spermacellen zo'n drieduizend verschillende RNA's meedragen.

RNA's zijn boodschappermoleculen, die het tussenstadium vormen tussen de erfelijke code in de genen op het DNA en de eiwitten. Als deze RNA's na de bevruchting in de eicel belanden, zouden ze kunnen dienen als sjabloon voor de aanmaak van eiwitten, die weer tal van functies in het embryo kunnen vervullen.

In later onderzoek in samenwerking met David Miller van de University of Leeds liet Krawetz zien dat tenminste zes van deze sperma-RNA's ontbreken in onbevruchte eicellen (Nature, 13 mei 2004). Mogelijk levert dit zestal dus een unieke vaderlijke bijdrage aan het embryo.

hamster-eicel

Krawetz deed zijn ontdekking in een experiment waarbij hij menselijk sperma liet binnendringen in een hamster-eicel, die van haar beschermende omhulsel ontdaan was om de mens-hamster bevruchting mogelijk te maken. Het RNA uit het sperma was tot drie uur na de bevruchting aantoonbaar in de eicel. Krawetz: ``Het gaat hier nog altijd om het eencellig stadium van het embryo. Tot nu toe hebben we niet verder gekeken, maar het is heel goed mogelijk dat het vader-RNA nog langer overleeft, ook nadat de cel zich heeft gedeeld.''

Krawetz kon in het Nature-onderzoek slechts twee vader-RNA's in de bevruchte eicel aantonen. Het zijn de RNA's die coderen voor de eiwitten protamine-2 en clusterine. Of deze eiwitten een belangrijke functie in het embryo hebben, is onbekend. Voor protamine-2 lijkt dat in ieder geval onwaarschijnlijk, want dit eiwit heeft de eigenschap dat het heel sterk DNA aan zich bindt (zie ook kader). Voor de zich ontwikkelende eicel zou dat zeer schadelijk zijn, dus waarschijnlijk worden deze RNA's na de bevruchting zo snel mogelijk afgebroken. Anders ligt het voor clusterine, een eiwit dat betrokken is bij de hechting van cellen aan elkaar en aan andere oppervlakken. Dat eiwit zou een cruciale rol kunnen spelen in het vroege embryo, bijvoorbeeld bij de innesteling ervan in de baarmoeder. Maar dat is niet meer dan speculatie.

Krawetz heeft met zijn onderzoek een bal aan het rollen gebracht. Maar veel van zijn collega's zijn nog sceptisch, of op zijn minst veel voorzichtiger. ``De grote vraag is wat het betekent dat RNA van de vader meelift naar de eicel'', zegt spermatoloog Bart Gadella van de faculteit Diergeneeskunde in Utrecht. ``Wat doet het in die eicel? Dat is nog helemaal niet duidelijk.''

Volgens Gadella zijn er twee mogelijkheden: ten eerste kan het RNA in de spermacel een min of meer toevallig overblijfsel zijn van eerdere genactiviteit tijdens de rijping van de spermacellen. Ten tweede en dat is het spannender alternatief het RNA heeft een duidelijke biologische functie voor het embryo. Als dat laatste het geval is, zou dat mogelijk mede een verklaring kunnen bieden voor het feit dat de embryonale ontwikkeling na het klonen van mensen en dieren meestal niet goed verloopt. Een gekloond embryo wordt direct uit een lichaamscel gemaakt, en mist dus de vader-RNA's die mogelijk nodig zijn voor een goede ontwikkeling van het embryo.

Krawetz gaat voor het smeuïge verhaal: vader-RNA's leveren volgens hem cruciale sturing aan het zich ontwikkelende embryo. ``Tot nu toe hebben we twee duidelijke aanwijzingen gezien'',vertelt Krawetz. ``Ten eerste is er het RNA dat codeert voor het eiwit PLC. Dat eiwit, dat meereist in de spermacel, heeft twee functies: het vertelt de eicel dat zij bevrucht is en brengt in de cel de karakteristieke calciumgolven op gang die minstens 12 uur aanhouden (zie kader). De spermacel bevat een kleine hoeveelheid van dit eiwit, maar volgens mij is daarnaast het RNA van dit eiwit nodig om de calciumgolven zo lang in stand te houden. Dat RNA kan ervoor zorgen dat het PLC-eiwit na de bevruchting opnieuw wordt aangemaakt.

regulatie

``Heel interessant vind ik daarnaast dat we in spermacellen de aanwezigheid van kleine RNA's hebben aangetoond, zogeheten small interfering RNA's. Daarvan is bekend dat het moleculen zijn die een remmende werking hebben op de activiteit van specifieke genen. Van één daarvan hebben we kunnen aantonen dat het ook inderdaad die functie heeft in het embryo. Een klein RNA-molecuul uit de spermacel remt de activiteit van het zogeheten IGF2-receptor-gen in het embryo. Dat eiwit is verantwoordelijk voor de regulatie van de groei van het embryo en heeft dus een zeer belangrijke functie. De vader draagt via het RNA dus bij aan de regulatie van de groei, door de hoeveelheid receptor te regelen. Dit is wat mij betreft een zeer duidelijke aanwijzing dat RNA uit sperma een functie heeft in het embryo.''

Kortgeleden publiceerde Krawetz een onderzoek waarin hij in het sperma van zes vrijwilligers 68 verschillende kleine RNA's vond die mogelijk kunnen optreden als small interfering RNA (Journal of Andrology, januari/februari 2005). Vijftien van deze RNA's konden via een databank met gegevens van het humane genoom gekoppeld worden aan genen die belangrijk zijn in de vroege ontwikkeling van het embryo. Daaronder bevond zich ook een antisense-RNA dat past op het zogeheten dickkopf2-gen. Dat gen bevat de code voor een eiwit dat remmend werkt op een type genen dat belangrijk is voor de patroonvorming in het embryo (de zogeheten wingless- of WNT-genen). Ook vond het team van Krawetz het eerder genoemde microRNA dat een remmende werking heeft op het IGF2-receptor-gen.

Krawetz' idee is dat de RNA's van vaderskant essentieel zijn voor een gezond embryo. Dat zou tevens een verklaring bieden waarom het klonen zo lastig gaat en waarom maagdelijke geboortes bij zoogdieren niet voorkomen. In beide gevallen mist het embryo de boodschappermoleculen van de vader.

In dit verband is het interessant dat het een groep Japanse en Koreaanse onderzoekers gelukt is om muizen zonder vaders te produceren door te sleutelen aan een gen dat van moederszijde en vaderszijde anders ingeprent is (Nature, 22 april 2004). Inprenting schakelt specifieke genen uit, afhankelijk of het van de moeder of de vader afkomstig is. In dit geval ging het om het H19 gen dat op zijn beurt de activiteit van het IGF2-gen remt. Van moederskant is H19 altijd actief, maar van vaderskant staat het door inprenting uit. Het Japans/Koreaanse team haalde echter een stuk uit het H19-gen van vrouwtjesmuizen, waardoor dit net zo inactief werd als het vaderlijke H19.

Vervolgens reconstrueerden ze eicellen met een dubbele set moederlijke chromosomen - er had dus geen vader aan bijgedragen. Normaal hebben zulke embryo's geen kans op overleving, maar de genetische ingreep simuleerde de vaderlijke inprenting. Na 371 pogingen werden uiteindelijk twee muizen geboren. Simpelweg de mannelijke invloed op het embryo simuleren is kennelijk voldoende om het biologische beletsel op het ontstaan van maagdelijke geboortes op te heffen.

Maar het feit dat het tot stand brengen van maagdelijke geboortes met één genetische ingreep niet erg makkelijk ging, wijst er volgens Krawetz op dat er in het embryo heel wat meer gereguleerd moet worden dan alleen het IGF2-systeem. Bovendien, zo waarschuwt hij, zijn resultaten die behaald zijn bij de muis, niet zonder meer toepasbaar bij de mens: ``De meeste kennis die we hebben over de bevruchting en embryonale ontwikkeling van zoogdieren komt van de muis. Maar er zijn grote verschillen met de mens. In de muizenzygote worden de genen in de celkern bijvoorbeeld al actief na de eerste celdeling, bij de mens treedt die activatie pas op in het viercellig of achtcellig stadium. De genactiviteit komt dus enige vertraging op gang, en alles wat in die tussentijd in de zygote geregeld moet worden komt neer op RNA.''

Of een spermacel voldoende RNA meebrengt om een rol van betekenis te spelen blijft nog een vraag. Een gewone lichaamscel bevat 100 tot 8000 femtogram mRNA, afhankelijk van het type cel (een femtogram is 10 gram). De geslachtscellen vormen een uitzondering. De eicel bevat uitzonderlijk veel meer RNA dan gewone lichaamscellen, terwijl het gehalte aan RNA in de spermacel niet meer dan 20 femtogram is. Kan dat kleine beetje RNA wel effect hebben in de eicel, waar al zoveel moederlijk RNA aanwezig is? Krawetz twijfelt niet: ``De hoeveelheid sperma-RNA is zeker genoeg om bij te dragen. Zeker in het geval van de small interfering RNA's heb je maar heel weinig nodig om een effect te krijgen.''

In een recent overzichtsartikel in Nature Reviews Genetics (augustus) speculeert Krawetz erop dat vader-RNA uit de spermacel essentieel is voor een gezonde ontwikkeling. Fouten in dit RNA zouden op latere leeftijd tot ziekten kunnen leiden, zoals ouderdomsdiabetes, hoge bloeddruk of zelf mentale achterstand. Maar dit gezegd hebbend, houdt hij meteen slagen om de arm. `Totdat we het door sperma afgeleverde RNA beter in kaart hebben gebracht en de werking beter hebben onderzocht, kunnen we hun functie en werkingsmechanisme alleen maar postuleren'.

indicator

Krawetz: ``Als bewezen zou kunnen worden dat vaderlijke RNA's geen enkele rol hebben in het embryo, wat ik dus niet geloof, dan zou het RNA in sperma nog altijd gebruikt kunnen worden voor een vruchtbaarheidsonderzoek. Dat is veelbelovend. Uit ons onderzoek komt naar voren dat de hoeveelheid RNA in sperma een goede indicator is voor de mannelijke vruchtbaarheid. Het blijkt een uitstekende methode om onderscheid te maken tussen verschillende vormen van mannelijke onvruchtbaarheid.''

Mannelijke onvruchtbaarheid is nog een grotendeels onontgonnen terrein. In de gebruikelijk test kijkt de arts onder de microscooop naar het uiterlijk, de beweeglijkheid en de vitaliteit van zaadcellen. Maar in slechts de helft van de gevallen van mannelijke onvruchtbaarheid levert dat onderzoek een verklaring. Via RNA hoopt Krawetz meer grip te krijgen op de overgebleven vijftig procent onbegrepen mannelijke onvruchtbaarheid.

En hierin vindt hij zijn Utrechtse collega Gadella aan zijn zijde: ``Ik denk inderdaad dat dit een veelbelovende diagnostische methode is, die iets kan zeggen over het verloop van de spermatogenese. De RNA's vormen een weerspiegeling van de genexpressie tijdens de rijping van de zaadcellen, dus als daar iets misgaat, kun je het aan het RNA zien. Je kijkt hiermee als het ware terug in de tijd.''

Maar of Krawetz gelijk heeft met zijn stelling dat vaderlijk RNA een rol heeft in het embryo, is volgens Gadella nog altijd niet experimenteel vastgesteld. ``Het huidige debat doet denken aan de discussie onder wetenschappers van een paar eeuwen geleden, toen ook al een dogma rond spermacellen omver werd geworpen. Nadat Antoni van Leeuwenhoek in 1679 het bestaan van spermacellen had ontdekt, ontstond er een levendige discussie over wat de bijdrage van de man aan het embryo nu eigelijk voorstelde. De ovulisten, die beweerden dat het leven zich geheel uit de eicel ontwikkelde en slechts de prikkel van een spermacel nodig had om te gaan groeien, stonden tegenover de animalculisten die beweerden dat de eicel slechts een voedingsbodem voor de levensverwekkende `zaaddierkens'. Hoewel men zich realiseerde dat kinderen vaak lijken op beide ouders kwam er pas een definitief einde aan de discussie toen door de opkomst van de genetica duidelijk werd dat vader en moeder ieder een gelijke bijdrage leveren. Eenzelfde soort situatie doet zich nu voor. Het staat vast dat het menselijk en dierlijk sperma RNA bevat dat ook in de eicel terechtkomt, maar een experimenteel bewijs voor een eventuele functie ervan in het zich ontwikkelende embryo moet nog worden geleverd.''

Één op de 100 miljoen is raak ``De spermacel heeft een prachtig ergonomisch ontwerp'', zegt de Utrechtse spermatoloog Bart Gadella. Hij pakt er een dikke stapel handboeken en artikelen bij. ``Het DNA bijvoorbeeld, zit in de spermakop als een zeer compact pakketje waar niets mee kan gebeuren. Op elektronenmicroscopische foto's is het zichtbaar als een inktzwart vlakje, zo dicht is het opeengepakt.'' Tijdens de uitrijping van spermatide tot spermacel in de zaadbal en uiteindelijk de bijbal wordt alle activiteit van genen uitgeschakeld. Alleen vlak voordat de spermacel rijp is, is er nog een laatste opleving van de genenactiviteit, waarbij ook een voorraad RNA wordt aangemaakt. Een deel van dit RNA maakt de reis naar de eicel helemaal mee. Als de ronde spermatide zich ontwikkelt tot zwemmende spermacel snoert zich ook een druppel cytoplasma van de cel af. De spermacel houdt zo alleen nog een vijftigtal mitochondriën over die nodig zijn voor de energievoorziening onderweg. Alle andere celorganellen verdwijnen, met uitzondering van de compacte kern, het acrosoom en natuurlijk de zweepstaart. Het acrosoom is een zakje met eiwitafbrekende enzymen die nodig zijn om door de omhullende zona pellucida van de eicel heen te breken. Gadella: ``Je kunt het gerust de gereedschapstas van de spermacel noemen, want zonder acrosoom kan hij niets beginnen.'' Bij de zaadlozing komen een slordige 100 miljoen zaadcellen vrij. Zo'n duizend bereiken uiteindelijk de eicel. Slechts één daarvan kan de bevruchting tot stand brengen; zodra de eerste spermacel binnen is, gaat de eicel op slot. Bij de bevruchting wordt de spermacel in zijn geheel door de eicel opgenomen. De meeste onderdelen van de zaadcel worden onmiddellijk afgebroken. De mitochondriën van de spermacel zijn daartoe zelfs voorzien van het het eiwit ubiquitine, dat fungeert als een cellulair opruimsignaal. Kort na de bevruchting gaan alle vaderlijke mitochondriën ten gronde. Daarbij gaat ook het mitochondriaal DNA over het algemeen kapot. De zweepstaart van de spermacel is meestal nog wat langer zichtbaar in de eicel, maar verdwijnt tenslotte ook. Opmerkelijk is dat de centriole (een klein structuurtje dat de deling regelt) uit de zaadcel een functie heeft in de bevruchte eicel. Voor een goede verdeling van de chromosomen bij de klieving van de cel zijn twee centrioles nodig die ieder de helft van de chromosomen naar zich toe trekken. Iedere cel heeft er normaal gesproken twee, maar bij de ontwikkeling van de eicel gaat er bij sommige zoogdieren een verloren. Een van de vaderlijke centrioles neemt deze functie over. Bewezen is ook dat een aantal eiwitten uit de zaadcel een rol spelen in het embryo. Cruciaal is bijvoorbeeld het eiwit PLC, dat ervoor zorgt dat er in het embryo een serie calciumgolven op gang komt. Gadella: ``Dat veroorzaakt een elektrische depolarisatie van de eicelmembraan en dit proces voorkomt dat het eitje door meer dan één zaadcel bevrucht wordt. Het is een elektrische reactie, vergelijkbaar met geleiding in de zenuwcellen, en dus zeer snel. Vervolgens barsten de corticale granula van de eicel open, waardoor de zona pellucida verhardt. Dit blokkeert de zaadcelbinding en penetratie van de zona pellucida. Daar komt geen spermacel meer door.'' De eicel zelf zit vol moederlijk RNA dat in de vroege ontwikkeling tal van regelfuncties heeft. In het vroege embryo vindt aanvankelijk bij iedere klieving alleen een verdubbeling van het DNA plaats. Pas na de tweede of derde klieving wordt het DNA in de kern actief, daarvoor maakt het RNA uit de eicel de dienst uit. De vraag is nu of het vaderlijk RNA ook een deel van de taken op zich neemt.

Foto-onderschrift: NRC Handelsblad /RB/ Bron: Nature Review Genetics; Scanning-elektronenmicroscopische foto van een menselijke spermacel. De kleuren zijn kunstmatig.