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Haploide runde Spermatiden differenzieren sich durch einen Prozess, der Spermiogenese genannt wird, zu Spermien. Dies umfasst viele verschiedene Schritte, darunter die Anschaffung eines Flagellums, den Umbau des Chromatins und des Zytoskeletts, die Kondensation des Zellkerns sowie den Verlust des größten Teils des Zytoplasmas. Diese einzigartigen zellulären Ereignisse müssen fein reguliert werden, um einen reifen funktionsfähigen Gameten mit einem intakten Genom zu erzeugen, das für die Befruchtung geeignet ist. Die Spermiogenese kann in vitro kaum untersucht werden, da kein zuverlässiges Zellkultursystem bisher in der Lage ist, das Fortschreiten durch die verschiedenen Prozessschritte zu unterstützen. Darüber hinaus führen die derzeitigen In-vitro-Techniken zu einer schlechten Ausbeute1,2. In vivo sind korrekte Übergänge durch die verschiedenen Schritte der Spermiogenese entscheidend für die natürliche funktionelle Integrität der männlichen Gameten. Eine erfolgreiche Reinigung der Spermatiden nach ihren Differenzierungsschritten wurde noch nie mit einem ausreichenden Anreicherungsgrad erreicht, um eine molekulare Charakterisierung der Spermiogenese zu ermöglichen. Zum Beispiel wäre die Reinigung von Schlüsselschritten der spermatiden Differenzierung besonders nützlich, um das sich entwickelnde Akrosom, die Bildung des Mittelstücks3, die Zellübergangsdynamik4, die RNA-Dynamik5, den Chromatin-Umbauprozess6,7 oder die genomische Stabilität8 zu untersuchen. Die Reinigung der Spermatiden wurde durch ihre fortschreitende morphologische Transformation, das Fehlen bekannter stadienspezifischer externer Biomarker und ihre eigentümliche Form und Größe behindert.
Obwohl die meisten männlichen Keimzellen eine direkte Beziehung zwischen DNA-Färbung und Ploidie (DNA-Gehalt) aufweisen, haben wir festgestellt, dass eine solche positive Korrelation nicht mehr auf Spermatiden anwendbar ist. Dies beruht auf unserer frühen Beobachtung, dass Schnitte aus Samenkanälchen eine unterschiedliche Intensität der DNA-Färbung über die verschiedenen Schritte der Spermiogenese hinweg aufweisen. Obwohl die DNA-Färbung mit ihrem haploiden Chromosomensatz aus den Spermiogenese-Schritten 1 bis 7 (runde Spermatiden) übereinstimmt, beobachteten wir einen starken Anstieg der Fluoreszenzintensität mit DAPI oder SYTO 16 um den Beginn der Kernreorganisation und des Chromatin-Remodells (Spermiogenese Schritt 8), der einen Höhepunkt zu Beginn der Kernkondensation erreichte (Spermiogenese Schritte 11-12). Nach der Kondensation des Zellkerns nimmt die Intensität der DNA-Färbung bis zur Spermierung ab (Spermiogenese Schritt 16). Wir vermuteten, dass dies wahrscheinlich mit der Bildung ihres eigentümlichen Chromatinstrukturübergangs zusammenhängt, bei dem Histone durch Protamine ersetzt werden. Wir haben daher eine zuverlässige Durchflusszytometrie-Methode entwickelt, die die Trennung von Spermatiden ermöglicht, wobei die Variation der DNA-Intensität der Spermatiden als Hauptselektionsparameter verwendet wird.
Ein einfacher Durchflusszytometrie-Ansatz wird beschrieben, um Mausspermatiden mit hoher Reinheit (95-100%) basierend auf ihrem scheinbaren DNA-Gehalt (SYTO16-Färbung), ihrer Größe und Granulosität zu trennen. Die Spermatiden werden in vier Populationen unterteilt; Spermiogenese Schritte 1-9, 10-12, 13-14 und 15-16. Aufgereinigte Spermatide eignen sich sowohl für genetische/genomische Analysen als auch für proteomische Anwendungen, wie in einer kürzlich erschienenen Veröffentlichung unserer Gruppe9 beschrieben.