Luftverschmutzung könnte Spermien-Gene beeinflussen

Luftverschmutzung gilt seit Jahren als einer der bedeutendsten Umweltfaktoren, die die menschliche Gesundheit beeinträchtigen. Während ihre Auswirkungen auf Herz-Kreislauf-Erkrankungen und Atemwegsleiden gut dokumentiert sind, rückt zunehmend auch die Fortpflanzungsgesundheit in den Fokus der Forschung. Eine aktuelle Studie, die auf der 42. Jahrestagung der Europäischen Gesellschaft für Reproduktionsmedizin und Embryologie (ESHRE) vorgestellt und in der Fachzeitschrift Human Reproduction veröffentlicht wurde, liefert nun neue Hinweise darauf, dass Luftschadstoffe die Entwicklung männlicher Spermien auf molekularer Ebene beeinflussen könnten.

Die Wissenschaftler fanden Hinweise darauf, dass die Belastung durch verschiedene Luftschadstoffe während der Spermienbildung mit Veränderungen der sogenannten DNA-Methylierung in Spermien verbunden ist. Diese Veränderungen könnten Auswirkungen auf die Fruchtbarkeit sowie möglicherweise auf die frühe Entwicklung eines Embryos haben. Die Autoren betonen jedoch, dass weitere Untersuchungen erforderlich sind, um die tatsächlichen gesundheitlichen Folgen dieser Veränderungen zu klären.

Eine der bislang größten Untersuchungen zu diesem Thema

Für die Studie wurden Daten von mehr als 2.000 Männern ausgewertet, die zwischen 2013 und 2017 in Salt Lake City im US-Bundesstaat Utah untersucht wurden. Die Teilnehmer gaben zu Beginn der Studie sowie nach zwei, vier und sechs Monaten Spermaproben ab.

Für die eigentliche Analyse standen schließlich die Proben von 1.220 Männern zur Verfügung, die auch nach sechs Monaten eine Spermaprobe abgegeben hatten. Dadurch konnten die Forscher Veränderungen während des gesamten Prozesses der Spermienbildung untersuchen, der etwa drei Monate dauert und als Spermatogenese bezeichnet wird. Parallel dazu wurde die Belastung der Teilnehmer durch verschiedene Luftschadstoffe während dieses Zeitraums berechnet. Berücksichtigt wurden unter anderem:

• Ozon (O₃)
• Stickstoffdioxid (NO₂)
• Schwefeldioxid (SO₂)
• Feinstaub (PM2,5)

Anschließend verglichen die Wissenschaftler die Schadstoffbelastung mit den molekularen Veränderungen in den Spermien.

Was ist DNA-Methylierung?

Im Mittelpunkt der Untersuchung stand die sogenannte DNA-Methylierung. Dabei handelt es sich um eine Form der epigenetischen Regulation. Anders als genetische Mutationen verändert sie nicht die DNA-Sequenz selbst, sondern beeinflusst, welche Gene aktiviert oder abgeschaltet werden. Diese chemischen Markierungen spielen eine wichtige Rolle bei zahlreichen biologischen Prozessen, darunter:

• Entwicklung der Spermien
• Zellteilung
• Reparaturmechanismen der DNA
• frühe Embryonalentwicklung

Da sich epigenetische Veränderungen teilweise auf nachfolgende Zellgenerationen auswirken können, interessieren sich Wissenschaftler zunehmend dafür, wie Umweltfaktoren diese Prozesse beeinflussen.

39 Veränderungen der DNA-Methylierung entdeckt

Die Auswertung ergab insgesamt 39 Veränderungen der DNA-Methylierung, die mit der Belastung durch Luftschadstoffgemische in Verbindung standen. Besonders deutlich waren die Zusammenhänge bei:

• Ozon (O₃)
• Stickstoffdioxid (NO₂)

Diese beiden Luftschadstoffe entstehen vor allem im Straßenverkehr, bei Verbrennungsprozessen sowie durch Emissionen aus Industrie und Heizungsanlagen und treten insbesondere in städtischen Gebieten in erhöhten Konzentrationen auf.

Die beobachteten Veränderungen betrafen Gene, die unter anderem an folgenden biologischen Prozessen beteiligt sind:

• Spermatogenese (Spermienbildung)
• Chromosomenorganisation
• Zellentwicklung
• zelluläre Qualitätskontrolle
• frühe Entwicklungsprozesse des Embryos

Besonderes Augenmerk auf das GNAS-Gen

Ein besonders interessantes Ergebnis der Studie betrifft das sogenannte GNAS-Gen. Dabei handelt es sich um ein sogenanntes imprintiertes Gen. Diese Gene besitzen eine besondere biologische Bedeutung, da sie während der frühen Embryonalentwicklung eine wichtige Rolle spielen und ihre Aktivität abhängig davon ist, ob sie vom Vater oder der Mutter vererbt wurden. Frühere Studien hatten bereits Zusammenhänge zwischen Veränderungen dieses Gens und einer verminderten Samenqualität beschrieben. Die aktuelle Untersuchung zeigt nun, dass Luftverschmutzung mit Veränderungen der DNA-Methylierung dieses Gens assoziiert sein könnte. Ob daraus tatsächlich gesundheitliche Folgen entstehen, ist bislang jedoch nicht geklärt.

Studienleiterin Dr. Carrie Nobles erklärte, dass die Ergebnisse darauf hindeuten, dass Luftverschmutzung während entscheidender Phasen der Spermienentwicklung mit Veränderungen der DNA-Methylierung verbunden sein könnte. Besonders bedeutsam sei der Befund beim GNAS-Gen. Da sogenannte imprintierte Gene während der frühen Embryonalentwicklung erhalten bleiben können, stelle sich die wichtige Frage, ob Umweltbelastungen des Vaters nicht nur dessen Fruchtbarkeit beeinflussen, sondern möglicherweise auch Auswirkungen auf Schwangerschaft und die Gesundheit der Nachkommen haben könnten. Die Wissenschaftlerin betonte jedoch gleichzeitig, dass zunächst weitere Untersuchungen notwendig seien, um diese Zusammenhänge eindeutig nachzuweisen.

Luftverschmutzung als komplexes Schadstoffgemisch

Nach Angaben der Forscher besteht Luftverschmutzung aus einer Vielzahl verschiedener Schadstoffe, deren Zusammensetzung je nach Jahreszeit, Wetterlage und Region variiert. Insbesondere Stickstoffdioxid und Ozon treten in Städten häufig in höheren Konzentrationen auf. Hauptquellen sind:

• Straßenverkehr
• Verbrennung fossiler Brennstoffe
• Erdgasheizungen
• Industrieanlagen

Da Menschen diesen Schadstoffen täglich ausgesetzt sind, gewinnt die Erforschung möglicher Auswirkungen auf die Fortpflanzungsgesundheit zunehmend an Bedeutung.

Welche Bedeutung haben die Ergebnisse?

Bereits frühere Untersuchungen hatten Hinweise darauf geliefert, dass Luftverschmutzung mit einer geringeren Samenqualität verbunden sein könnte. Die neue Studie geht jedoch einen Schritt weiter. Anstatt lediglich die Anzahl oder Beweglichkeit der Spermien zu untersuchen, analysierten die Wissenschaftler erstmals in großem Umfang molekulare Veränderungen innerhalb der Spermien selbst. Dadurch liefert die Studie einen möglichen biologischen Mechanismus, der erklären könnte, weshalb Luftverschmutzung die männliche Fruchtbarkeit beeinträchtigen kann.

Trotz der interessanten Ergebnisse warnen die Autoren davor, voreilige Schlussfolgerungen zu ziehen. Die Untersuchung zeigt lediglich statistische Zusammenhänge zwischen Luftverschmutzung und Veränderungen der DNA-Methylierung. Sie beweist jedoch nicht, dass Luftschadstoffe diese Veränderungen unmittelbar verursachen oder dass daraus tatsächlich gesundheitliche Folgen entstehen. Auch andere Faktoren wie Ernährung, Lebensstil, berufliche Belastungen oder weitere Umweltfaktoren könnten die Ergebnisse beeinflusst haben. Ebenso wurde nicht untersucht, ob die beobachteten epigenetischen Veränderungen tatsächlich zu einer verminderten Fruchtbarkeit oder gesundheitlichen Problemen bei Kindern führen.

Experten sehen weiteres Puzzleteil

Karen Sermon, ehemalige Vorsitzende der Europäischen Gesellschaft für Reproduktionsmedizin und Embryologie (ESHRE), bezeichnete die Studie als einen wichtigen Baustein für das Verständnis, wie Umweltverschmutzung die menschliche Fortpflanzung beeinflussen könnte. In den vergangenen Jahren haben zahlreiche wissenschaftliche Untersuchungen Hinweise darauf geliefert, dass eine langfristige Belastung durch Luftverschmutzung mit einer verminderten Fruchtbarkeit bei Frauen und Männern in Zusammenhang stehen könnte. So wurde in verschiedenen Studien unter anderem ein Zusammenhang zwischen einer höheren Schadstoffbelastung und einer geringeren Samenqualität, einer längeren Zeit bis zum Eintritt einer Schwangerschaft sowie einem erhöhten Risiko für Fehlgeburten und bestimmte Schwangerschaftskomplikationen beobachtet. Allerdings sind die biologischen Mechanismen, die diesen Zusammenhängen zugrunde liegen, bislang nur unvollständig verstanden.

Genau an diesem Punkt setzt die aktuelle Untersuchung an. Während frühere Studien vor allem die Auswirkungen auf die Anzahl, Beweglichkeit oder Form der Spermien betrachteten, analysierten die Wissenschaftler nun Veränderungen auf molekularer Ebene. Die festgestellten Veränderungen der DNA-Methylierung könnten erklären, wie Luftschadstoffe die Funktion der Spermien beeinflussen und möglicherweise bereits vor der Befruchtung Auswirkungen auf die Entwicklung eines Embryos haben. Besonders interessant ist dabei, dass einige der betroffenen Gene eine wichtige Rolle bei der frühen Embryonalentwicklung spielen. Sollten sich diese epigenetischen Veränderungen in zukünftigen Studien als biologisch bedeutsam erweisen, könnte dies dazu beitragen zu erklären, weshalb Umweltbelastungen des Vaters nicht nur seine eigene Fruchtbarkeit, sondern möglicherweise auch den Verlauf einer Schwangerschaft und die Gesundheit der Nachkommen beeinflussen. Ob und in welchem Ausmaß diese Veränderungen tatsächlich klinische Folgen haben, muss nun durch weitere Studien untersucht werden.

Weitere Forschung notwendig

Die Autoren sehen ihre Ergebnisse als Ausgangspunkt für weitere Untersuchungen. Zukünftige Studien sollen klären,

• ob die Veränderungen der DNA-Methylierung dauerhaft bestehen,
• ob sie die Fruchtbarkeit von Männern tatsächlich beeinflussen,
• welche Auswirkungen sie auf Schwangerschaften haben,
• ob die Gesundheit der Nachkommen betroffen sein könnte,
• und welche Rolle die Luftverschmutzung in Innenräumen oder die individuelle persönliche Belastung spielt.

Fazit

Die neue Studie liefert überzeugende Hinweise darauf, dass Luftverschmutzung mit Veränderungen der DNA-Methylierung in menschlichen Spermien verbunden sein könnte. Besonders Ozon und Stickstoffdioxid standen mit epigenetischen Veränderungen in Genen in Zusammenhang, die für die Spermienentwicklung und frühe Embryonalentwicklung von Bedeutung sind.

Auch wenn die Ergebnisse keinen direkten Beweis für Auswirkungen auf Fruchtbarkeit oder die Gesundheit zukünftiger Kinder liefern, unterstreichen sie die wachsende Bedeutung von Umweltfaktoren für die reproduktive Gesundheit. Weitere Studien werden nun zeigen müssen, ob die beobachteten molekularen Veränderungen tatsächlich langfristige Folgen für Männer, Schwangerschaften und kommende Generationen haben.