Fortpflanzung

Die Fortpflanzung ist einer der wichtigsten Aspekte des Lebens überhaupt und unterliegt einem besonders dramatischen Evolutionsdruck. Die resultierenden Besonderheiten und Konflikte haben eine faszinierende Vielfalt geschlechtsspezifischer Anpassungen hervorgebracht, die man in allen Bereichen des Fortpflanzungsgeschehens entdecken kann; beginnend mit dem Aufbau und der Funktion der Keimzellen bis hin zur Trächtigkeit. Gegenwärtig befassen wir uns mit folgenden Schwerpunkten der Fortpflanzung von Säugetieren:

Funktion der Geschlechtsorgane

Die Bildung von reifen Keimzellen in Eierstock und Hoden erfolgt erst nach der Pubertät eines Säugetieres; zusätzlich wird jedoch die Aktivität der Keimdrüsen durch den Jahreszyklus bestimmt, der die Fortpflanzungsfähigkeit auf einen engen Zeitraum einschränken kann. Nur die Kenntnis der Prozesse in Hoden und Eierstock während der Ontogenese, den zyklischen Veränderungen im saisonalen Jahresverlauf und den Prozessen im Alter (reproductive Senescence) erlauben eine umfassende Beschreibung artspezifischer Reproduktionsstrategien und deren Abgrenzung von Reproduktionsstörungen.

Wir interessieren uns dafür, wie all diese Prozesse bei verschiedenen Tierarten ablaufen. Einerseits können so Fortpflanzungsstrategien bestimmter Arten besser verstanden werden, andererseits hilft dieses Wissen auch zu verstehen, warum einige Tierarten in der stark durch den Menschen beeinflussten Umwelt Schwierigkeiten mit der Vermehrung haben. Bedrohte Wildtierarten wie Elefanten, Nashörner und Raubtiere stehen im Fokus unserer Forschung. 

Bei weiblichen Säugetieren ist die Bildung von Keimzellen schon vor der Geburt abgeschlossen. Nur etwa ein Promille der vorhandenen Eizellen reift jedoch heran und kann befruchtet werden. Da die Gewinnung befruchtungsfähiger Eizellen derzeit der größte Engpass bei der Anwendung von Verfahren der assistierten Reproduktion bei bedrohten Wildtierarten ist, möchten wir gern verstehen, wie im Eierstock die Auswahl von Eizellen zur Aktivierung erfolgt: Welche Eizelle „darf“ reifen und welche nicht? Das Verständnis dieses Prozesses erlaubt es möglicherweise, gezielt zusätzliche Eizellen zu aktivieren und somit den bestehenden Engpass zu weiten.

Vergleichende Gameto- und Embryogenese

Nicht nur die quantitativen Aspekte der Keimzellbildung, wie die permanente Produktion von Millionen von Samenzellen und die Ovulation einzelner oder weniger Eizellen, sondern auch die molekulare Ausstattung der Keimzellen, sowie der sie umgebenden „Hilfszellen“ stehen im Fokus unserer Forschung. Interessanterweise sind viele Regulatoren und Hormone der Keimzellentwicklung zwischen den Geschlechtern identisch, obwohl andererseits oft große Unterschiede auch bei nah verwandten Arten gefunden werden. Wir konnten zeigen, dass das Expressionsmuster (An- bzw. abgeschaltet sein) von Genen während der Pubertät mit den Prozessen während des Wechsels zwischen sexueller Ruhe und der Brunftsaison bei verschiedenen Säugetierarten vergleichbar ist.

Ein weiteres spannendes Themenfeld umfasst die Vorgänge an der äußeren, Zellmembran genannten Hülle der Spermien. Diese und die die Spermien umgebende Samenflüssigkeit, beeinflussen sich gegenseitig. Sobald die Samenzellen ihre „Reise zur Eizelle“ angetreten haben, kommt es zu Wechselwirkungen mit dem weiblichen Genitaltrakt. Mehr über diese Wechselwirkungen und die dabei ablaufenden Vorgänge in Erfahrung zu bringen, kann bei vielen praktischen Anwendungen die Erfolgsaussichten erhöhen (z.B. Verbesserung der Erfolgsrate  künstlicher Befruchtungen, verbesserte Einschätzung von Fortpflanzungsqualitäten möglicher Muttertiere).

Weitere Forschungsschwerpunkte der Reproduktionsbiologie liegen auf der Untersuchung der Entwicklung von Embryonen verschiedener Katzenarten, sowie auf der Analyse der Auswirkungen verschiedener Methoden der künstlichen Befruchtung auf das An- und Abschalten bestimmter Gene.

Da mittlerweile bei zahlreichen bedrohten Säugetierarten künstliche Befruchtung zur Arterhaltung angewandt wird, stellt sich natürlich die Frage, ob sich die Anwendung dieser Verfahren auf die daraus hervorgehenden Embryonen auswirkt. Wir untersuchen daher bei verschiedenen Methoden der künstlichen Befruchtung ob und wenn ja wie sich deren Anwendung auf das An- bzw. Abschalten bestimmter Kandidatengene auswirkt.

Verlauf der Trächtigkeit

Zu den spannendsten Themenkomplexen rund um die Fortpflanzung der Säugetiere gehört die Entwicklung der Embryonen und Föten in der Gebärmutter. Die Trächtigkeit verläuft bei den einzelnen Arten ganz unterschiedlich und entsprechend dürfte es auch bei der Fötalentwicklung sehr verschiedene Muster geben.

Wir untersuchen, welche Signale der Nachkommen zum Erhalt der Trächtigkeit beitragen, wie sich ein Fötus in Abhängigkeit von der Gesundheit seiner Mutter entwickelt, und warum manche Embryonen zurückgebildet oder nicht ausgetragen werden. Dafür müssen wir eine Trächtigkeit oft langfristig überwachen – und das erfordert in vielen Fällen neue Methoden. So braucht man zum Beispiel artspezifische Nachweistests für bestimmte Hormone oder spezielle, auf die zu untersuchende Tierart zugeschnittene Varianten der Ultraschalluntersuchung. Bisher konnten wir eine breite Palette von Tierarten lebend untersuchen – von Nacktmullen über Hauskatzen und Löwen bis hin zu Elefanten.

Diese Studien sollen künftig durch Untersuchungen zur funktionellen und hormonellen Kontrolle der Milchabsonderung (Laktation) vervollständigt werden.

 

Konflikte im Uterus

in Bearbeitung

Epigenetik: Die Rolle des Vaters

Epigenetische Faktoren sind flexible Schalter, die auf der DNA aufliegen und das An- und Abschalten von Genen in jeder Zelle bewirken, ohne den genetischen Code zu verändern. Epigenetische Muster werden durch Umweltfaktoren und Stresssituationen verändert, was Lebewesen zur schnellen Anpassung befähigt, bei Fehlregulationen aber auch zu Krankheiten führen kann. Über die Keimzellen können diese Muster an die nachfolgenden Generationen weitergeben werden, wobei bisher vorwiegend die Vererbung durch die Mutter betrachtet wurde.

Ob auch Umwelt-„Erfahrungen“ des Vaters epigenetisch an die Nachkommen weitergegeben werden, erforschen wir in dem Projekt „Paternale epigenetische Effekte“, indem wir männliche Wildmeerschweinchen veränderten Umweltbedingungen aussetzen, und dann deren Auswirkungen auf die epigenetischen Muster der Tiere selbst und ihres Nachwuchses untersuchen. Wir vermuten, dass sich nicht nur epigenetische Veränderungen im Erbgut der Väter als Reaktion (Anpassung) auf veränderten Umweltbedingungen nachweisen lassen, sondern dass auch im Erbgut des gezeugten Nachwuchses ähnliche epigenetische Anpassungsmuster zu finden sind, wodurch der Nachwuchs auf die veränderten Umweltbedingungen besser „vorbereitet“ ist. 

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