The p53 homolog p73 takes hold of the male germ line – a novel function of TAp73 in protecting sperm cell adhesion, migration and maturation within the seminiferous epithelium of the testis

Abstract

Die Transkriptionsfaktoren der p53 Familie besitzen diverse Aufgaben sowohl während der Tumorentstehung als auch während der Entwicklung. In seiner ursprünglichen, evolutionär konservierten Rolle hat p63, ein Mitglied der p53 Familie, die Aufgabe die genetische Stabilität von Keimzellen zu gewährleisten und beeinflusst zudem die Keimbahnentwicklung. Mit Hilfe von „knockout“ (KO) Mausmodellen wurde bereits der Einfluss der 3 Transkriptionsfaktoren p53, p63 und p73 auf die weibliche und männliche Keimbahn untersucht. Während p53KO und p63KO Mäuse fruchtbar sind, führt der gemeinsame Verlust aller p73 Isoformen oder der Verlust der transkriptionell aktiven Isoform TAp73 hingegen zur Infertilität der Tiere. Weibliche TAp73KO Tiere sind deshalb infertil, da es bei ihnen zu einer Inhibition der Ovulation kommt, die Blastozystenentwicklung gestört ist und Spindeldefekte in den Oozyten auftreten. Eine Erklärung für die Infertilität von männlichen TAp73KO Mäusen wurde hingegen noch nicht gegeben. In der vorliegenden wissenschaftlichen Studie beschreiben wir eine bisher unbekannte Funktion des Transkriptionsfaktors TAp73: seinen Einfluss auf die Entwicklung und den Erhalt der adulten männlichen Keimbahn. Untersuchungen an Mausmodellen zeigen, dass „total“ p73KO und Isoform-spezifische TAp73KO Mäuse im Alter von 6 Wochen oder älter einen starken Verlust von sich entwickelnden Keimzellen in den testikulären Tubuli aufweisen. ΔNp73KO Tiere zeigen diesen Phänotyp nicht und ihre Testis Morphologie entspricht der der Wildtyp (WT) Tiere. Der Phänotyp der p73KO und TAp73KO Testes lässt sich durch eine starke Reduktion in der Zahl der späten Stadien der Spermatozyten und Spermatiden charakterisieren, wohingegen die Zahl der basalen Spermatogonien und pachytänen Spermatozyten des Keimepithels nicht betroffen ist (reguläre Zellzahl und Proliferation). Die Depletion von p73 oder TAp73 führt zu einer Anhäufung von apoptotischen und unreifen Keimzellen im Lumen des Epididymis, was auf eine atypische, verfrühte Ablösung der Keimzellen aus dem Keimepithel schließen lässt. Diese Beobachtung wird dadurch bestätigt, dass die Sertoli-Zellen, welche die Keimzellen stützen und ernähren, im Elektronenmikroskop verkürzte cytoplasmatische Arme sowie eine verstärkte Vakuolisierung aufweisen. Außerdem zeigt das Keimepithel große strukturelle Veränderungen, die dadurch gekennzeichnet sind, dass die Keimzellen nicht mehr dicht zu einem Epithel gepackt sind und die Sertoli-Keimzell-Verbindung gestört ist. Der Verlust der Epithelstruktur begleitet von der Reduktion der Keimzellen scheint das Ergebnis eines Defekts der Blut-Testis-Schranke (BTS) zu sein. Dies wird durch einen in vivo BTS Permeabilitätstest und die gestörte Morphologie der Sertoli-Sertoli „tight junctions“ deutlich. Der funktionelle Verlust der BTS führt zur Zerstörung der epithelialen Polarität und der Umgebung der sich entwickelnden Keimzellen. Somit wird auch die basal-luminal gerichtete Migration der Keimzellen entlang der Keimzelltaschen der Sertoli-Zellen verhindert. Der molekulare Hintergrund für das Ungleichgewicht in der Reorganisation der Zell-Zell Verbindungen wurde mit Hilfe der quantitativen Expressionsanalyse des Gesamtgenoms untersucht. Dabei wurde Testis Gewebe von TAp73KO mit WT Mäusen verglichen, um TAp73-Zielgene zu finden. Die Depletion von TAp73 führt zur Induktion von Genen, die an der Adhäsion und Zellmigration beteiligt sind; Integrine und Proteaseinhibitoren wie Timp1 und die Serpine zeigen eine Hochregulation in der Expression. Es ist bekannt, dass diese Proteine bei der Reorganisation von Zell-Zell Verbindungen im Testis involviert sind. Die Studie zeigt, dass TAp73 vorwiegend in den Keimzellen exprimiert wird und dass diese parakrin auf die Sertoli-Zellen zu wirken scheinen, da die Überexpression von TAp73 Zielgenen in isolierten Sertoli-Zellen in der Langzeitkultur zurückgeht. Zusammenfassend konnte zum ersten Mal gezeigt werden, dass die Funktion von TAp73 für die adulte Spermatogenese unerlässlich ist. TAp73 reguliert im Testis ein Transkriptionsprogramm von Genen, die an Adhäsion und Migration beteiligt sind, sichert den Zusammenhalt des Keimepithels und verhindert den frühzeitigen Verlust von Keimzellen. Somit wird die ungestörte Keimzellentwicklung ermöglicht. Umgekehrt führt die Depletion von TAp73 zu starken Defekten in Zell-Zell Verbindungen von sich entwickelnden Keimzellen im Keimepithel, was die Infertilität von p73KO und TAp73KO Mäusen erklärt.