Chromosomenmutationen

Chromosomenmutationen sind Veränderungen, die entweder die Struktur einzelner Chromosomen oder die Anzahl der Chromosomen betreffen. Sie unterscheiden sich von Genmutationen (Veränderung einzelner Basen) und können weitreichende Auswirkungen auf den Organismus haben. Chromosomenmutationen sind im Lichtmikroskop an einem Karyogramm erkennbar und spielen eine wichtige Rolle in der Humangenetik und der pränatalen Diagnostik.

Mutationen werden nach ihrem Ausmaß in drei Ebenen eingeteilt:

1. Genmutationen: Veränderungen einzelner Basenpaare in der DNA (z. B. Punktmutationen, Insertionen, Deletionen). Betreffen ein einzelnes Gen.
2. Chromosomenmutationen (strukturell): Veränderungen in der Struktur eines Chromosoms. Größere DNA-Abschnitte sind betroffen.
3. Genommutationen (numerisch): Veränderungen in der Anzahl der Chromosomen. Der gesamte Chromosomensatz oder einzelne Chromosomen liegen in veränderter Zahl vor.

Bei strukturellen Chromosomenmutationen werden größere Abschnitte eines Chromosoms verändert. Die vier wichtigsten Typen sind:

1. Deletion:

Ein Chromosomenabschnitt geht verloren. Die auf diesem Abschnitt liegenden Gene fehlen. Beispiel: Das Cri-du-Chat-Syndrom (Katzenschrei-Syndrom) entsteht durch eine Deletion am kurzen Arm von Chromosom 5. Betroffene zeigen geistige Behinderung und einen charakteristischen katzenartigen Schrei im Säuglingsalter.

2. Duplikation:

Ein Chromosomenabschnitt ist doppelt vorhanden. Die Gene auf diesem Abschnitt liegen in zweifacher Kopie vor. Duplikationen können zu einer erhöhten Gendosis führen und evolutionär bedeutsam sein, da die zusätzliche Kopie ohne Selektionsdruck mutieren und neue Funktionen übernehmen kann.

3. Inversion:

Ein Chromosomenabschnitt wird herausgeschnitten und um 180° gedreht wieder eingebaut. Die Genreihenfolge ist in diesem Bereich umgekehrt. Inversionen können die Genregulation beeinflussen, wenn Gene unter den Einfluss anderer Promotoren geraten. Parazentrische Inversionen liegen innerhalb eines Chromosomenarms, perizentrische Inversionen umfassen das Zentromer.

4. Translokation:

Ein Chromosomenabschnitt wird auf ein anderes, nicht-homologes Chromosom übertragen. Man unterscheidet:

• Reziproke Translokation: Zwei Chromosomen tauschen gegenseitig Abschnitte aus.
• Robertson-Translokation: Zwei akrozentrische Chromosomen fusionieren am Zentromer. Beispiel: Eine Robertson-Translokation zwischen Chromosom 14 und 21 kann zu einer familiären Form der Trisomie 21 führen.

Bei numerischen Chromosomenmutationen ist die Anzahl der Chromosomen verändert. Man unterscheidet:

Aneuploidie:

Es liegen einzelne Chromosomen in abweichender Zahl vor. Der Chromosomensatz ist nicht gleichmäßig verändert.

• Monosomie: Ein Chromosom liegt nur einmal vor (2n − 1). Beispiel: Turner-Syndrom (45,X).
• Trisomie: Ein Chromosom liegt dreimal vor (2n + 1). Beispiel: Trisomie 21 (Down-Syndrom).

Polyploidie:

Der gesamte Chromosomensatz ist vervielfacht (z. B. 3n = triploid, 4n = tetraploid). Polyploidie kommt beim Menschen nicht lebensfähig vor, ist aber bei Pflanzen verbreitet und wird in der Züchtung genutzt (z. B. Weizen ist hexaploid mit 6n = 42 Chromosomen).

Trisomie 21 ist die häufigste Chromosomenanomalie beim Menschen. Das Chromosom 21 liegt dreimal statt zweimal vor (Karyotyp: 47,XX,+21 bzw. 47,XY,+21).

Ursache: In den meisten Fällen (ca. 95 %) entsteht Trisomie 21 durch eine Non-disjunction (Nicht-Trennung der Chromosomen) während der Meiose I oder Meiose II bei der Eizellbildung der Mutter. Die Wahrscheinlichkeit steigt mit dem Alter der Mutter deutlich an (ab ca. 35 Jahren stark erhöht).

Symptome:

• Charakteristische Gesichtszuege: flaches Gesichtsprofil, schräg gestellte Lidachsen, Epikanthus
• Muskelhypotonie (verminderte Muskelspannung)
• Geistige Entwicklungsverzögerung (unterschiedlich stark ausgeprägt)
• Erhöhtes Risiko für Herzfehler (ca. 40–50 % der Betroffenen)
• Vierfingerfurche an der Hand

Häufigkeit: Ca. 1:700 Lebendgeburten (ohne pränatale Selektion).

Turner-Syndrom (45,X):

Betroffene besitzen nur ein X-Chromosom (Monosomie X). Es handelt sich um die einzige lebensfähige Monosomie beim Menschen. Phänotyp: weiblich, Kleinwuchs, Infertilität (Gonadendysgenesie), Pterygium colli (Flügelfell am Hals). Die Intelligenz ist in der Regel normal. Häufigkeit: ca. 1:2500 weibliche Neugeborene.

Klinefelter-Syndrom (47,XXY):

Betroffene besitzen ein überzähliges X-Chromosom. Phänotyp: männlich, großer Körperwuchs, Infertilität (Hypogonadismus), ggf. Gynäkomastie (Brustentwicklung). Die Intelligenz ist meist normal, es können aber Lernschwächen auftreten. Häufigkeit: ca. 1:600 männliche Neugeborene.

Non-disjunction bezeichnet die fehlerhafte Trennung homologer Chromosomen (in der Meiose I) oder von Schwesterchromatiden (in der Meiose II). Dadurch entstehen Keimzellen mit einem Chromosom zu viel oder einem Chromosom zu wenig.

Non-disjunction in Meiose I: Die homologen Chromosomen werden nicht getrennt. Beide homologen Chromosomen gelangen in eine Tochterzelle. Ergebnis: Zwei Keimzellen mit n+1 und zwei mit n−1 Chromosomen.

Non-disjunction in Meiose II: Die Schwesterchromatiden werden nicht getrennt. Ergebnis: Eine Keimzelle mit n+1, eine mit n−1 und zwei normale Keimzellen (n).

Wenn eine Keimzelle mit n+1 Chromosomen bei der Befruchtung auf eine normale Keimzelle trifft, entsteht eine Trisomie (2n+1). Trifft eine Keimzelle mit n−1 auf eine normale, entsteht eine Monosomie (2n−1).

Ein Karyogramm ist die geordnete Darstellung aller Chromosomen einer Zelle. Zur Erstellung werden Zellen in der Metaphase der Mitose arretiert (mit Colchicin), da die Chromosomen dann maximal kondensiert und gut sichtbar sind.

Vorgehensweise:

1. Zellen werden zur Teilung angeregt (z. B. Lymphozyten mit Phytohämagglutinin).
2. In der Metaphase werden die Zellen mit Colchicin arretiert (zerstört den Spindelapparat).
3. Hypotone Lösung lässt die Zellen quellen und die Chromosomen sich verteilen.
4. Färbung (z. B. Giemsa-Färbung) erzeugt ein charakteristisches Bandenmuster.
5. Chromosomen werden nach Größe und Zentromerlage geordnet und zu Paaren zusammengefügt.

Im Karyogramm können numerische Aberrationen (z. B. drei Chromosomen 21) und größere strukturelle Aberrationen (z. B. Translokationen) erkannt werden.

Abiturtipp: Im Abitur werden häufig Karyogramme gezeigt, in denen eine numerische Aberration erkannt werden muss. Zähle die Chromosomen in jeder Gruppe sorgfältig und achte besonders auf die Gonosomen (letztes Paar) und Chromosom 21. Zeichne bei Aufgaben zur Non-disjunction immer die Meiose I und II schematisch auf und markiere, wo die Fehlverteilung stattfindet.