Chromosom

Ein Chromosom ist ein langer, kontinuierlicher Desoxyribonukleinsäure-Strang (DNA), der im Zellkern einer eukaryontischen Zelle liegt und viele Gene enthält. Chromosomen wurden 1842 von Karl von Naegli entdeckt. 1910 zeigte Thomas Hunt Morgan, dass die Chromosomen die Träger der Gene sind.

Während der Mitose (Kernteilung) ziehen sich die Chromosomen zu so genannten Metaphasechromosomen (Zwei-Chromatiden-Chromosomen) zusammen. Dabei wird das fädige Material der DNA mehrfach spiralig aufgewickelt, wobei erst die kompakte Form des Chromosoms entsteht. Nur in diesem spiralisierten Zustand sind die Chromosomen unter einem Mikroskop sichtbar. Wenn keine Kernteilung stattfindet, existieren die Chromosomen in Eukaryonten im "entspannten" (entspiralisierten) Zustand als DNA-Fäden im Zellkern, wo sie um Histone (strukturelle Proteine, siehe Abbildung 1) gewickelt sind; in diesem Zustand werden sie auch als Chromatin bezeichnet. Prokaryonten besitzen keine Histone und keinen Zellkern; ihr (einzelnes), ringförmig geschlossenes "Bakterienchromosom" liegt daher vergleichsweise ungeordnet im Plasma der Bakterienzelle. Im entspannten Zustand ist die DNA zur Transkription, Regulation und Duplikation (Replikation) fähig.

Chromosomen in Eukaryoten

Abbildung 1 : Verschiedene Phasen der Chromosomenkondensation.

1. Einzelsträngige DNA
2. Chromatinstrang (DNA mit Histonen)
3. Kondensiertes Chromatin während der Interphase mit Centromer
4. Kondensiertes Chromatin während der Prophase (aus zwei Chromatiden bestehend)
5. Metaphasechromosom (Zwei-Chromatiden-Chromosom)

Es werden zwei Typen von Chromatin unterschieden:

• Euchromatin, dessen DNA aktiv ist, d.h., in Protein exprimiert werden kann
• Heterochromatin, das hauptsächlich aus inaktiver DNA besteht. Es scheint strukturelle Funktionen in den verschiedenen Kondensationsstufen auszuüben. Heterochromatin kann in zwei Untertypen unterteilt werden:
  • Konstitutives Heterochromatin, das nie exprimiert wird. Es findet sich im Bereich des Centromers und besteht gewöhnlich aus repititiven DNA-Sequenzen.
  • Fakultatives Heterochromatin, das manchmal exprimiert wird.

In den frühen Stadien der Mitose kondensieren die Chromatinfäden zunehmend. Sie werden so von einer zugänglichen Quelle genetischer Information zu einer nicht mehr lesbaren, kompakten Transportform. Im Verlauf dieses Prozesses bilden die beiden zusammengehörigen Chromatiden (kondensierte Chromatinfäden) über das verbindende Centromer ein Zwei-Chromatiden-Chromosom. Ein Spindelapparat sorgt für die Trennung der Chromatiden jedes Metaphasechromosoms und ihren Transport zu entgegengesetzten Zellpolen. Dazu werden lange Mikrotubuli sowohl an den Kinetochoren des Centromers als auch an gegenüberliegenden Enden (Polen) der Zelle befestigt. Während der Mitose ziehen die Mikrotubuli die beiden Chromatiden auseinander, so dass jede Tochterzelle ein Chromatid (eine Chromatide) (= je ein Ein-Chromatid-Chromosom) erhält. Sobald sich die Zelle geteilt hat, werden die Tochterchromatiden zu Chromatinfäden dekondensiert, die dann wieder als Träger der genetischen Information zugänglich sind und sich später wieder zu Zwei-Chromatiden-Chromosomen verdoppeln.

Trotz ihres wirren Aussehens sind Chromosomen hochgradig strukturiert (Abbildung 2). So liegen Gene mit ähnlicher Funktion im Chromosom häufig nebeneinander, aber nicht im linearen Chromatinfaden. Der kurze Arm eines Chromosoms kann bei Satellitenchromosomen (SAT-Chromosomen) durch einen Satelliten verlängert sein. Die DNA-Abschnitte in diesem Bereich kodieren für die ribosomale RNA.

Abbildung 2 : Chromosom. Chromatid (Chromatide). Eines der beiden identischen Teile des Chromosoms. Centromer. Der Punkt, an dem sich die beiden Chromatiden berühren, und an dem die Mikrotubuli ansetzen. Kurzer Arm. Langer Arm.

Spezies	Chromosomenzahl		Spezies	Chromosomenzahl
Fruchtfliege	8		Mensch	46
Roggen	14		Affe	48
Meerschweinchen	16		Schaf	54
Taube	16		Pferd	66
Schnecke	24		Huhn	78
Wurm	32		Karpfen	104
Schwein	40		Schmetterling	~380
Weizen	42		Farn	~1200

Tabelle 1: Beispiele für (diploide) Chromosomenzahl

Innerhalb einer Spezies ist die Chromosomenzahl stets gleich (Tabelle 1). Asexuell reproduzierende Spezies haben einen Chromosomensatz, der in allen Körperzellen gleich ist. Sexuell reproduzierende Spezies haben somatische Zellen (normale Körperzellen) mit einem diploiden (doppelten) Chromosomensatz [2n], mit je einem Chromosom von Mutter und Vater (bei manchen Spezies auch polyploid, [Xn]), sowie Keimbahnzellen (reproduktive Zellen), die haploid sind (nur eine Chromosomen-Kopie beinhalten). Wenn männliche und weibliche (haploide) Keimbahnzellen verschmelzen (Befruchtung), durchläuft die (nun wieder diploide) Zelle die Meiose (Reifung der Eizelle). Dabei können die passenden Chromosomenpaare von Mutter und Vater Teile austauschen (Crossing over oder Crossover). Dadurch entstehen neue Chromosomen, wie sie weder Vater noch Mutter haben.

Um die Anzahl der (diploiden) Chromosomen eines Lebewesens festzustellen, können sie während der Metaphase im Reagenzglas mit Colchizin, einem Spindelgift, arretiert werden, so dass sie nicht mehr zu den Zellpolen gezogen werden. Die Zellen können dann angefärbt (der Name Chromosom leitet sich von ihrer Anfärbbarkeit her), fotografiert und in einem Karoygramm (auch Karyotyp genannt) angeordnet werden (Abbildung 3). Wie viele andere sich sexuell reproduzierende Spezies hat auch der Mensch Gonosomen (spezielle Geschlechtschromosomen, im Gegensatz zu Autosomen für die Körperfunktionen). Diese sind XX bei Frauen und XY bei Männern. Bei Frauen wird eines der X-Chromosomen inaktiviert und erscheint unter dem Mikroskop als Barr-Körperchen oder Geschlechts-Chromatin.

Datei:Menschliches karyogramm.png
Abbildung 3 : Karyogramm einer Frau.

Ein Fehler bei der Chromosomentrennung oder beim Crossing over kann zu schweren Krankheiten führen. Diese lassen sich in zwei Klassen einteilen:

• Chromosomenaberrationen oder teilweise Chromosomendysplasie, gewöhnlich das Resultat eines fehlerhaften Crossover.
  • Cri-du-chat Syndrom, das durch Deletion des kurzen Arms von Chromosom 5 hervorgerufen wird. Betroffene stoßen hochfrequente Laute aus, die an eine Katze erinnern. Sie haben weit auseinanderliegende Augen, einen kleinen Kopf und Kiefer, und sind geistig zurückgeblieben.
  • Wolf-Hirschhorn Syndrom, hervorgerufen durch teilweise Deletion des kurzen Arms von Chromosom 4. Betroffene leiden unter schweren geistigen und Wachstumsstörungen.
• Fehlende oder zusätzliche Chromosomen als Resultat einer unvollständigen chromosomalen Segregation.
  • Down Syndrom oder Trisomie 21 (zusätzliches Chromosom 21), früher auch als Mongoloismus bezeichnet. Symptome sind zurückgebliebene Muskelentwicklung, asymmetrischer Schädel und geistige Retardierung.
  • Klinefelter Syndrom (XXY). Männer mit diesem Syndrom sind gewöhnlich steril, sehr groß, haben ungewöhnlich lange Arme und Beine, eine Tendenz zur Ausbildung von Brüsten und eine reduzierte Körperbehaarung. Weitere Symptome sind Emotionslosigkeit, Müdigkeit, Apathie und eine erhöhte Tendenz zu psychiatrischen Störungen. Eine verminderte Intelligenz, wie oft behauptet wird, scheint nicht zu bestehen.
  • Turner Syndrom (X statt XX oder XY). Frauen mit diesem Syndrom haben unterentwickelte weibliche Geschlechtsmerkmale. Sie haben eine kleine Statur, einen tiefen Haaransatz, eine ungewöhnliche Augen- und Knochenentwicklung, eine "eingebeult" erscheinende Brust und eine normale Intelligenz.

Eine Darstellung aller menschlichen Chromosomen und den mit ihnen assoziierten Krankheiten findet sich hier.