Funktionelle Biodiversität von Zellen des Reproduktionssystems

Die Herausbildung verschiedener Reproduktionsstrategien im Verlauf der Evolution bedingt eine ausgeprägte Artspezifität reproduktiver Prozesse. Auch in Abhängigkeit von Entwicklung, Zyklus oder Saisonalität können Zellen des Reproduktionstraktes innerhalb einer Spezies eine unterschiedliche Funktionalität aufweisen. Durch die Analyse der zugrundeliegenden zellulären und molekularen Prozesse wollen wir funktionelle Anpassungen im Reproduktionsgeschehen besser verstehen.

Projektdetails
Laufzeit: Seit 09/2012
Drittmittelfinanziert: teilweise
Beteiligte Abteilung(en): Abt. ReproduktionsbiologieAbt. Wildtierkrankheiten, Abt. Evolutionsgenetik
Projektleitung im Leibniz-IZW: Beate Braun, Karin Müller (alle: Abt. Reproduktionsbiologie)
Projektbeteiligte im Leibniz-IZW:

Katarina Jewgenow, Jennifer Zahmel, Michal Hryciuk, Shauna Kehoe, Pascal Kroh (alle: Abt. Reproduktionsbiologie), Gabor Czirják, Gudrun Wibbelt, Claudia Szentiks (alle: Abt. Wildtierkrankheiten), Dorina Lenz, Daniel Förster (alle: Abt. Evolutionsgenetik)

Konsortialpartner:

Leibniz-Institut für Nutztierbiologie (FBN), Humboldt-Universität zu Berlin - Institut für Biologie, Institut für Fortpflanzung landwirtschaftlicher Nutztiere Schönow e.V.

Aktuelle Förderorganisation: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Forschungsschwerpunkte:
Verständnis von Merkmalen und evolutionären Anpassungen
Verbesserung der Lebensfähigkeit von Wildtierpopulationen

 

Evolutionäre Anpassungen im Tierreich betreffen auch die Reproduktion. Daraus resultieren artspezifische Reproduktionsstrategien und Besonderheiten. Auch individuelle Entwicklungsprozesse, der Einfluss des weiblichen Zyklus oder der Saison können innerhalb einer Spezies zeitlich begrenzt unterschiedliche Funktionen von Zellen des Reproduktionssystems bedingen.

Mit unseren Untersuchungen wollen wir den zellulären und molekularen Hintergrund von reproduktiven Prozessen aufklären, um die artspezifischen Anpassungen und ihre Auswirkungen zu verstehen. Das Wissen um artspezifische Funktionalitäten kann zudem Techniken der assistierten Reproduktion artangepasst unterstützen. Bei allen nachfolgend beschriebenen Projekten spielen artspezifische Faktoren eine große Rolle.

Projektfokus: Zell-Zell-Interaktionen

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 Arbeiten werden in Kooperation mit dem Leibniz-Institut für Nutztierbiologie (FBN), Dummerstorf, durchgeführt. Die Arbeiten werden wesentlich durch Kollegen der Abteilung für Wildtierkrankheiten unterstützt (Pathologie, ELMI).

Projektfokus: 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 (z.B. mittels rekombinant hergestellter Proteine) 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. Für diese Arbeiten gibt es Kooperationen mit GEOlifes, Hamburg, der Reproduktionsmedizinischen Einheit der Kliniken der Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover sowie dem Institut für Biologie der Humboldt-Universität zu Berlin. Intern arbeiten wir auf dem Gebiet der Immunologie mit der Abteilung für Wildtierkrankheiten zusammen.

I am Pascal Kroh, Phd-student in Department 4. If you would like to know more about my project, please watch the video!

Projektfokus: 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 (DFG Mu1520/4-2). Diese Arbeiten werden in enger Kooperation mit dem Institut für medizinische Physik und Biophysik, Universität Leipzig, dem Institut für Fortpflanzung landwirtschaftlicher Nutztiere Schönow e.V. sowie dem Institut für Biologie der Humboldt-Universität zu Berlin durchgeführt.

Projektfokus: Schlüsselfaktoren der Gonadenentwicklung

Die Identifizierung von regulatorischen Schlüsselmolekülen der Spermatogenese oder frühen Follikulogenese 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 bei vielen Tierarten inklusive der Katzenartigen nicht verfügbar sind. Diese können auch zur Charakterisierung und Verbesserung von in vitro Kulturen ovarieller und testikulärer Gewebe/Zellen genutzt werden. Die Expression von potentiellen Schlüsselmolekülen wird von uns auf Gen- und/oder Proteinebene mit verschiedenen Methoden analysiert. Von frühen Follikelstadien untersuchten wir das Transkriptom in Kooperation mit der Abteilung Evolutionäre Genetik und dem BeGenDiv.

I am Shauna Kehoe, Phd-student in Department 4. If you would like to know more about my project, please watch the video!

Projektfokus: 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.

Schematische Darstellung der Gelbkörperfunktion

Ausgewählte Publikationen

Projektfokus: Zell-Zell-Interaktionen

Eder S, Bailey LD, Müller K (2020): Equilibration in freezing extender alters in vitro sperm–oviduct binding in the domestic cat (Felis catus). THERIOGENOLOGY 149, 79-87. https://doi.org/10.1016/j.theriogenology.2020.03.017.

Müller K, Eder S, Jakop U, Schiller J, Müller P, Bashawat M (2019): Assisted reproduction for felid species conservation – Sperm competences at risk. REPROD DOM ANIMAL. doi:10.1111/rda.13581.

Henry F, Eder S, Reynaud K, Schön J, Wibbelt G, Fontbonne  A, Müller K (2015): Seminal fluid promotes in vitro sperm-oviduct binding in the domestic cat (Felis catus). THERIOGENOLOGY 83, 1373-1380. doi:10.1016/j.theriogenology.2015.01.031.

Hribal R, Hachen A, Fernandez L, Zahmel J, Jewgenow K, Braun BC (2014): The influence of recombinant feline oviductin on different aspects of domestic cat (Felis catus) IVF and embryo. THERIOGENOLOGY. doi:10.1016/j.theriogenology.2014.06.009.

 

Projektfokus: Seminalplasma

Schulze M, Czirják GA, Müller K, Bortfeldt R, Jung M, Jakop U (2019): Antibacterial defense and sperm quality in boar ejaculates. J REPROD IMMUNOL 131, 13-20. doi:10.1016/j.jri.2018.11.001.

Luther I, Jakop U, Lueders I, Tordiffe A, Franz C, Schiller J, Kotze A, Müller K (2017): Semen cryopreservation and radical reduction capacity of seminal fluid in captive African lion (Panthera leo). THERIOGENOLOGY 89, 1–10. doi:10.1016/j.theriogenology.2016.10.024.

Schröter F, Müller K, Müller P, Krause E, Braun BC (2017): Recombinant expression of porcine spermadhesin AWN and its phospholipid interaction: indication for a novel lipid binding property. REPROD DOM ANIM 52, 585-595. doi:10.1111/rda.12953. Epub 2017 Mar 21.

Henry F, Eder S, Reynaud K, Schön J, Wibbelt G, Fontbonne A, Müller K (2015): Seminal fluid promotes in vitro sperm-oviduct binding in the domestic cat (Felis catus). THERIOGENOLOGY 83, 1373-1380. doi:10.1016/j.theriogenology.2015.01.031.

 

Projektfokus: Spermienlipide und ihre Funktion

Müller K, Eder S, Jakop U, Schiller J, Müller P, Bashawat M (2019): Assisted reproduction for felid species conservation – Sperm competences at risk. REPROD DOM ANIMAL, doi.org/10.1111/rda.13581.

Jakop U, Svetlichnyy V, Schiller J, Schulze M, Schroeter F, Mueller K (2019): In vitro supplementation with unsaturated fatty acids improves boar sperm viability after storage at 6 °C. ANIM REPRROD SCI 206, 60-68. doi.org/10.1016/j.anireprosci.2019.05.008.

Fasel NJ, McMillian K, Jakop U, Méné-Saffrané L, Engel KM, Genoud M, Müller K, Christe P (2019): Modification of sperm fatty acid composition during epididymal maturation in bats. REPRODUCTION 157(1):77-85 doi:10.1530/REP-18-0463.

Engel KM, Jakop U, Müller K, Grunewald S, Paasch U, Schiller J (2018): MALDI MS analysis to investigate the lipid composition of sperm. CURR ANAL CHEM 14:1-12. doi:10.2174/1573411014666181030123256.

Wegener J, Jakop U, Schiller J, Müller K (2018): The membrane phospholipid composition of honeybee (Apis mellifera) workers reflects their nutrition, fertility and vitellogenin stores. INSECT SOC 65, 381–391. doi:10.1007/s00040-018-0623-x.

Engel KM, Schiller J, Müller K, Dannenberger D, Jakop U (2017): The phospholipid composition of kangaroo spermatozoa verified by mass spectrometric lipid analysis. LIPIDS 52(10):857-869. doi: 10.1007/s11745-017-4283-9.

Brütsch SH, Rademacher M, Roth SR, Müller K, Eder S, Viertel D, Franz C, Kühn H, Borchert A (2016): Male subfertility induced by heterozygous expression of catalytically inactive glutathione peroxidase 4 is rescued in vivo by systemic inactivation of the Alox15 gene. J BIOL CHEM 291(45), 23578-23588. doi: 10.1074/jbc.M116.738930.

Schröter F, Jakop U, Teichmann A, Haralampiev I, Tannert A, Wiesner B, Müller P, Müller K (2016): Lipid Dynamics in Boar Sperm Studied by Advanced Fluorescence Imaging Techniques. EUR BIOPHYS J 45(2), 149-163. doi: 10.1007/s00249-015-1084-z. Epub 2015 Oct 19.

Svetlichnyy V, Müller P, Pomorski TG, Schulze M, Schiller J, Müller K (2014): Metabolic incorporation of unsaturated fatty acids into boar spermatozoa lipids and de novo formation of diacylglycerols. CHEM PHYS LIPIDS 177, 41-50. doi: 10.1016/j.chemphyslip.2013.11.001.

Pyttel S, Nimptsch A, Böttger J, Zschörnig K, Jakop U, Wegener J, Müller K, Paasch U, Schiller J (2014): Changes of murine sperm phospholipid composition during epididymal maturation determined by MALDI-TOF mass spectrometry. THERIOGENOLOGY 82, 396‐402. doi:10.1016/j.theriogenology. 2014.04.017.

Wegener J, K Zschörnig, K Onischke, B Fuchs, J Schiller, K Müller (2013): Conservation of Honey Bee (Apis mellifera) sperm phospholipids during storage in the bee queen - a TLC/MALDI-TOF MS Study. EXP GERONTOL 48, 213-222. http://dx.doi.org/10.1016/j.exger.2012.12.009.

 

Projektfokus: Schlüsselfaktoren der Gonadenentwicklung

Kehoe S, Jewgenow K, Johnston PR, Mbedi S, Braun BC (2021): Signalling pathways and mechanistic cues highlighted by transcriptomic analysis of primordial, primary, and secondary ovarian follicles in domestic cat. SCI REP 11, 2683. doi: 10.1038/s41598-021-82051-4.

Braun BC, Okuyama MW, Müller K, Dehnhard M, Jewgenow K (2018): Steroidogenic enzymes, their products and sex steroid receptors during testis development and spermatogenesis in the domestic cat (Felis catus). J STEROID BIOCHEM MOL BIOL, doi: 10.1016/j.jsbmb.2017.11.013.

Braun BC, Jewgenow K (2017): Expression of steroidogenic enzymes and steroid receptors in foetal gonads of domestic cat – sex similarities and differences. REPROD DOMEST ANIM 52, Suppl. 2, 130-136. doi: 10.1111/rda.12829.

Kaese M, Galuska CE, Simon P, Braun BC, Cabrera-Fuentes HA, Middendorff R, Wehrend A, Jewgenow K, Galuska SP (2015): Polysialylation takes place in granulosa cells during apoptotic processes of atretic tertiary follicles. FEBS J. 282, 4595 - 4606. doi: 10.1111/febs.13519.

Braun BC, Müller K, Jewgenow K (2015): Expression profiles of relaxin family peptides and their receptors indicate their influence on spermatogenesis in the domestic cat (Felis catus). DOMEST ANIM ENDOCRINOL 52, 25-34, doi.org/10.1016/j.domaniend.2015.01.005.

Hänsch M, Simon P, Schön J, Kaese M, Braun BC, Jewgenow K, Göritz F, Küpper J, Ahmadvand N, Geyer R, Middendorff R, Müller K, Galuska SP (2014): Polysialylation of NCAM correlates with onset and termination of seasonal spermatogenesis in roe deer. GLYCOBIOLOGY 24, 488-493. doi. 10.1093/glycob/cwu023.

 

Projektfokus: Gelbkörperfunktion bei Luchsen

Hryciuk MM, Jewgenow K, Braun BC (2021): Cloprostenol, a synthetic analogue of prostaglandin F2α induces functional regression in cultured luteal cells of felids†. BIOL REPROD.ioab070. doi: 10.1093/biolre/ioab070.

Hryciuk MM, Jewgenow K, Braun BC (2021): Luteinizing Hormone Effect on Luteal Cells Is Dependent on the Corpus Luteum Stage in Felids. ANIMALS (BASEL) 11, 179. doi: 10.3390/ani11010179.

Braun BC, Halaski N, Painer J, Krause E, Jewgenow K (2020): The antioxidative enzyme SOD2 is important for physiological persistence of Corpora lutea in lynxes. SCI REP 10(1), 3681. doi: 10.1038/s41598-020-60634-x.

Hryciuk MM, Braun BC, Bailey LD, Jewgenow K (2019): Functional and morphological characterization of small and large steroidogenic luteal cells from domestic cats before and during culture. FRONT ENDOCRINOL e471885. doi: 10.3389/fendo.2019.00724.

Amelkina O, Zschockelt L, Painer J, Serra R, Villaespesa F, Jewgenow K, Braun BC (2017): Progesterone, estrogen and androgen receptors in the corpus luteum of the domestic cat, Iberian lynx (Lynx pardinus) and Eurasian lynx (Lynx lynx). Theriogenology, THERIOGENOLOGY 86, 2107-2118. doi: 10.1016/j.theriogenology.2016.06.026.

Zschockelt L, Amelkina O, Siemieniuch M, Kowalewski M, Dehnhard M, Jewgenow K, Braun BC (2016): Contribution of luteal prostaglandin synthesis and reception to lifespan of feline corpora lutea. REPRODUCTION 152,111-126, doi:10.1530/REP-16-0180.

Amelkina O, Zschockelt L, Painer J, Serra R, Villaespesa F, Braun BC, Jewgenow K (2015): Apoptosis-related factors in the luteal phase of the domestic cat and their involvement in the persistence of corpora lutea in lynxes. PLOS ONE 10(11): e0143414. doi:10.1371/journal.pone.0143414.

Zschockelt L, Amelkina O, Koster S, Painer J, Okuyama MW, Serra R, Vargas A, Jewgenow K, Braun BC (2015): Comparative analysis of intraluteal steroidogenic enzymes emphasises the functionality of fresh and persistent corpora lutea during pro- and metoestrus in the lynx. J STEROID BIOCHEM MOL BIOL, 10.1016/j.jsbmb.2015.07.001.

Amelkina O, Braun BC, Dehnhard M, Jewgenow K (2014): Corpus luteum during pregnancy and pseudopregnancy in domestic cat: histological classification of stages and intraluteal hormone profile. THERIOGENOLOGY 83, 711 - 720. doi: 10.1016/j.theriogenology.2014.11.008.

Zschockelt L, Amelkina O, Siemieniuch MJ, Jewgenow K, Braun BC (2014): Corpora lutea of pregnant and pseudopregnant domestic cats reveal equal steroidogenic capacities during the luteal life span. J STEROID BIOCHEM MOL BIOL 144, 373 - 381. doi: 10.1016/j.jsbmb.2014.08.010.