Projekte der Abteilung Reproduktionsbiologie

01_Reproduktionsbiologie von Luchsen – Grundlagen für die Erhaltungszucht des Iberischen Luchses

Der  ausschließlich auf der iberischen Halbinsel vorkommende Iberische Luchs (Lynx pardinus Temminck 1827), ein auf Wildkaninchen spezialisierter Jäger, wurde von der IUCN 2002 als stark gefährdet eingestuft.

Zum Schutz dieser Art wurde ein integrierter Artenschutzplan ins Leben gerufen, welcher diverse Schutzmaßnahmen im Freiland mit einem Zuchtprogramm in Gefangenschaft verbindet.

Wissenschaftler des Leibniz-Instituts für Zoo- und Wildtierforschung sind seit 2005 Partner des  Artenschutzprogrammes für den Iberischen Luchs. Im Rahmen dieses Langzeitprojekts haben wir nicht nur erfolgreich eine neue Methode zum Trächtigkeitsnachweis bei Katzen entwickelt und einen Test zur Untersuchung auf Glucocorticoiden im Kot von Luchsen validiert, sondern auch eine einzigartige reproduktionsbiologische Besonderheit des Luchses im Vergleich zu anderen Katzenarten festgestellt.

Luchse entwickeln physiologisch persistierende Gelbkörper, die permanent Hormone produzieren und eine Induktion der Ovulation mit bekannten Methoden verhindern.

 

 

02_Biobank – feldtaugliche Gefrierkonservierung

Biobanking erfordert die Erhaltung der funktionellen Eigenschaften der konservierten Zellen und deren Schutz vor mikrobiellen Kontaminantionen. Aufgrund der einzigartigen Möglichkeiten des IZW, Zugang zu Gonaden seltener oder gefährdeter Tiere zu erhalten, erweitern wir kontinuierlich unsere Biobank von Gameten und Geweben der Reproduktionsorgane. Die physiologische Funktion von Zellen und Geweben wird jedoch normalerweise durch den Prozess der Kryokonservierung stark beeinträchtigt. Deshalb untersuchen wir die Beeinträchtigungen  durch assistierte Reproduktionstechniken (ART) und verfeinern unsere Methoden, um die Funktionalität von Zellen und Geweben aufrechtzuerhalten. Zum Beispiel haben wir einen Einfluss der Lipidzusammensetzung von Spermien auf das artspezifische Einfrierverhalten beobachtet und ausgewählte Lipidzusätze zum Verdünner sowie Komponenten des Seminalplasmas auf ihr schützendes Potential hin untersucht. Wir haben für Feldeinsätze geeignete Protokolle sowohl für die Kryokonservierung von Spermien von Katzenarten und anderen Säugetieren als auch für Ovargewebe entwickelt, die von ambitionierten Laien ausgeführt werden können. Kürzlich haben wir ein Protokoll zur Kryokonservierung von dissoziierten Zellen aus Hodengewebe von Katzen entwickelt. Die Biosicherheit unserer IZW-Kryobank wurde in einer Ringstudie der Gemeinschaft Deutscher Kryobanken (GDK) bestätigt, in der mikrobielle Kontaminationen umfassend getestet wurden.

 

03_Nicht-invasive Trächtigkeitsdiagnose bei Karnivoren

Der Goldstandard für die Schwangerschaftsdiagnose ist die Bestätigung durch Ultraschall. Jedoch ist dies bei meisten Zoo- und Wildtierarten ohne physische oder pharmakologische Immobilisation nicht möglich. Eine alternative Möglichkeit, eine Schwangerschaft zu bestätigen, ist das nicht-invasive Hormonmonitoring. Dies ist bei einigen Arten relativ einfach (z. B. Nachweis von Progesteron-Metaboliten im Kot oder Urin bei Elefanten), gestaltet sich jedoch bei anderen Arten äußerst schwierig. Das betrifft insbesondere Spezies, die eine verzögerte Implantation oder eine Scheinträchtigkeit aufweisen, wie unter anderem Hunde-, Katzen- und Bärenarten. In diesem Projekt wollen wir neue Biomarker für die Schwangerschaft identifizieren, die auf verschiedenen e „state of art“ Technologien basieren, darunter immunologische Assays und Massenspektroskopie (HPLC-MS).

 

04_Felid-Gamete-Rescue-Projekt

fertilised oocytes from a lion

Aufgrund des kontinuierlichen Rückgangs der Bestände im Freiland stehen viele  Katzenarten in verschiedenen Gefährdungskategorien auf der Roten Liste der bedrohten Arten. Hauptgründe für die sinkenden Zahlen sind Verlust des Lebensraums und die illegale Jagd auf die Tiere für Fleisch, Verwendung in der traditionellen chinesischen Medizin oder als Trophäe.

Mit dem Rückgang in der Natur steigt die Bedeutung der derzeit in Zoos existierenden Katzen als Back-up Populationen. Ein Ergänzen der Zoobestände aus dem Freiland zur Blutauffrischung ist allerdings kaum noch realistisch. Die Zoos müssen ihre kleinen Bestände daher sehr sorgfältig managen, um die genetische Vielfalt möglichst hoch und damit die Populationen gesund  zu erhalten. Aus diesem Grund existieren allein in Europa für 27 Katzenarten und –unterarten Erhaltungszuchtprogramme oder Zuchtbücher.

Die Abteilung „Reproduktionsbiologie“ möchte in Kooperation mit den Abteilungen „Wildtierkrankheiten“  und „Reproduktionsmanagement“ das Bemühen der Zoos forschungsbasiert unterstützen und hat eine Gametenbank für alle Katzenarten unter dem Namen „Felid-Gamete-Rescue-Project“ eingerichtet. Bei Katzen nicht etablierte Techniken der assistierten Reproduktion (z.B. künstliche Befruchtung von Eizellen (IVF), in-vitro Kultur von Embryonen, Embryotransfer, Kryokonservierung von Eizellen, Spermien, Embryonen und Gonadengewebe) werden erforscht und kontinuierlich verbessert. Zoos haben die Möglichkeit, Spermien und Eizellen ihrer verstorbenen Katzen in der Gametenbank einzulagern. Sie können auch Material anzufordern, um z.B. in einem Besamungsversuch das genetische Material, welches die Population durch den Tod des Spendertieres bereits verlassen hatte, wieder zurückzubringen. Im Verlauf der letzten 10 Jahre haben wir Proben von 141 verschiedenen Katzen erhalten. 36 Spermienproben wurden eingelagert, 1110 Eizellen wurden kultiviert, 47 Embryonen produziert und eingefroren, darunter erstmals ein Embryo der Asiatischen Goldkatze, von der in Europa weniger als 20 Tiere existieren. Für Spermien wurde ein feldtaugliches Einfrierverfahren entwickelt und publiziert. 36 Zoos haben das Projekt bisher unterstützt und Proben geschickt.

 

 

05_Gelbkörperfunktion bei Luchsen

Luchse weisen eine artspezifische Besonderheit in ihrem Reproduktionszyklus auf. Sie bilden nach der Ovulation Gelbkörper, die über Jahre hormonell aktiv sind. Diese physiologisch persistierenden Gelbkörper wurden von uns umfassend molekularbiologisch untersucht, um im Vergleich zu Gelbkörpern von Hauskatzen den Lebenszyklus zu verstehen und das gewonnene Wissen für eine Luteolyse als Voraussetzung für eine Ovulationsinduktion einzusetzen.

Wir haben unter anderem die Expressionsmuster von Hormon-synthetisierenden Enzymen und Hormonrezeptoren bei persistierenden Gelbkörpern mit verschiedenen Stadien des Lebenszyklus von Gelbkörpern der Hauskatzen verglichen, und so Faktoren identifiziert, welche für die Persistenz der Gelbkörper verantwortlich sind.

Weiterführende Untersuchungen zu der funktionellen Rolle dieser luteotropen Faktoren können nur an Gelbkörperzellen in Kultur erfolgen, da der Zugang zu Wildtieren begrenzt ist. Diese lutealen Zellkulturen wurden jetzt von uns etabliert und umfassend charakterisiert.

 

 

06_Bestimmung von Steroidhormonen in Haarproben

Das nicht-invasive Monitoring ermöglicht die hormonelle Analyse bei Zoo- und Wildtieren ohne deren Störung. Die am besten erforschten Matrizen sind Kot und Urin, aber die Probenahme gestaltet sich insbesondere bei freilebenden Individuen schwierig. Eine elegante Alternative zur Bestimmung des Hormonstatus wäre die Haaranalyse. In diesem Projekt untersuchen wir die Eignung von Haaren als Matrix, um den Fortpflanzungsstatus (z. B. Progesteron als Maß für die Schwangerschaft) oder das Wohlbefinden (z. B. Glukokortikoide als Maß für den Stress) eines Individuums zu ermitteln. Darüber hinaus könnte die Messung von Sexualsteroiden in Haaren möglicherweise die Bestimmung des Geschlechts bei wildlebenden Individuen ermöglichen.

Die Haaranalyse ist auf vielen Ebenen eine Herausforderung, und eine Optimierung und Validierung der Extraktions- und Detektionstechniken (EIA) ist für jede untersuchte Art wichtig. Zu diesem Zweck werden HPLC und (U) HPLC-MS/MS Untersuchungen durchgeführt, um unsere Extraktions- und EIA-Methoden zu bestätigen.

 

07_Schlüsselfaktoren der Gonadenentwicklung

Die Identifizierung von regulatorischen Schlüsselmolekülen für die Spermatogenese oder die frühe Follikulogenese bei Katzen ermöglicht es uns, die Geschlechtsreife oder saisonale reproduktive Veränderungen bei Individuen zu bewerten. Darüber hinaus hilft es, geeignete Marker für Zelltypen und Stadien von Hoden und Eierstöcken zu identifizieren, die in Feliden noch nicht verfügbar sind. Diese können auch zur Charakterisierung und Verbesserung von in vitro Kulturen von ovariellem und testikulärem Gewebe genutzt werden.

 

08_Spermienlipide und ihre Funktion

Wir untersuchen den Beitrag, den Lipide  als strukturelle und funktionelle Membrankomponenten von Spermien bei der Befruchtung leisten, aber auch wie sie die Gefriertauglichkeit der männlichen Gameten beeinflussen. Schutzmechanismen vor Oxidation sowie Reparaturprozesse für Spermienlipide sind abhängig von der Tierart. Als Konsequenz ist es sinnvoll, spezielle Komponenten für Gefrierverdünner zu entwickeln, z. B. eine Kombination selektierter Fettsäuren, die den herkömmlichen natürlichen Komponenten wie Eidotter überlegen sein könnten.

 

09_Seminalplasma

Spermien, die von wertvollen kastrierten oder toten Tieren noch aus dem Nebenhoden gewonnen werden können, kommen nicht in Kontakt mit dem Seminalplasma, den Sekretionen der akzessorischen Geschlechtsdrüsen. Für die Kryokonservierung von Ejakulatsspermien wird das Seminalplasma stark verdünnt. Seminalplasma enthält aber wichtige Komponenten, die für den Transport der Spermien im weiblichen Genitaltrakt sowie die Befruchtung und Embryonalentwicklung wichtig sind. Diese Komponenten zu identifizieren (z.B. Komponenten des anti-oxidativen Systems oder spermienbindende Proteine wie Spermadhäsine) und auszunutzen kann künftig helfen, die Effizienz von Techniken der assistierten Reproduktion (ART) zu steigern. Beispielsweise kann eine hohe anti-oxidative Kapazität im Seminalplasma Löwenspermien besser vor Schäden schützen, die durch die Kryokonservierung induziert werden.

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10_Zellbiologische Basis der Interaktion von Spermien mit dem weiblichen Genitaltrakt

Es ist wichtig, die Wechselwirkungen der männlichen Gameten mit dem weiblichen Genitaltrakt zu verstehen, um die Techniken der assistierten Reproduktion erfolgreich anwenden zu können. In-vivo-Experimente sind jedoch aus ethischen und praktischen Gründen nur sehr eingeschränkt möglich. Die Etablierung von Zellkulturen als Modell (z. B.  Eileiterepithelzellen) ist ein effektives Mittel, um Reproduktionsfunktionen zu erforschen (Regulation der Ovaraktivität, Spermien-Eileiter-Interaktion vor der Befruchtung).

Beispiel: Seminalplasma, das in den meisten Spermienproben von Katzenarten, die in Kryobanken lagern, fehlt oder hochverdünnt ist, steigert in vitro die funktionell wichtige Bindung von Spermien an das Eileiterepithel. Die Gefrierkonservierung selbst beeinträchtigt diese Interaktion.

 

 

11_SOS-FERT: Signaturen weiblicher/männlicher Fruchtbarkeit – Einsatz von Hochfruchtbarkeitszuchtlinien zur Entschlüsselung der genetischen Grundlage hoher Reproduktionsleistung

Durch den Vergleich der Genome von Hochfruchtbarkeits-Mäusen mit denen von nicht-selektierten Mauslinien sollen genetische Signaturen hoher Fruchtbarkeit identifiziert werden. Ob diese Signaturen auch in anderen Säugetierarten auftreten, wird durch Analyse von Schweine- und Löwen-Genomen untersucht (FBN Dummerstorf und IZW, Abt. Evolutionsgenetik). Der Beitrag der Männchen wird durch Analyse von Spermienparametern erforscht (IZW, Abt. Reproduktionsbiologie, IFN Schönow).

 

 

12_Paternale epigenetische Effekte

Vererbbare genetische Veränderungen oder generationsübergreifende Effekte sind das Resultat der Verankerung epigenetischer Marker im Genom von Gameten als Folge  von Umwelteinflüssen. Bisherige Forschungsansätze konzentrierten sich fast ausschließlich auf die epigenetischen Faktoren im mütterlichen Organismus und vernachlässigten den väterlichen (paternalen) Einfluss auf die nächste Generation.

Um paternale Effekte zu identifizieren, untersuchten wir an Wildmeerschweinchen, ob Änderungen der Umweltbedingungen zu Veränderungen in den Methylierungsmustern in den Organen der Väter führen. Darüber hinaus wurde untersucht, ob diese Veränderungen sich auch im männlichen Nachwuchs nachweisen lassen und somit paternal vererbbar sind.

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