Humangenetik

G1-Phase - Wachstumsphase. Die Chromosomen liegen als entspiralisierte DNA-Moleküle vor (Ein-Chromatid-Chromosomen)

S-Phase - Verdopplung der DNA. Ein-Chromatid-Chromosomen werden zu Zwei-Chromatid-Chromosomen.

G2-Phase - Weiteres Wachstum der Zelle. Vorbereitungen für die Mitose und Zellteilung kommen zum Abschluss.

Zellen, die ihre Teilungsfähigkeit verloren haben oder sich längere Zeit nicht teilen, befinden sich in der G0-Phase

Prophase - Spiralisierung und Verkürzung der Chromosomen (Kondensation). Chromosomen bestehen aus Zwei-Chromatiden-Chromosomen, die durch das Cetromer miteinander verbunden sind. Der Spindelapparat bildet die Spindelfasern.

Metaphase - Maximale Verkürzung der Chromosomen. Anordnung in der Zellmitte zwischen den Zellpolen zur Äquatorialebene. Spindelfasern verbinden das Centromer eines jeden Cromatids mit den Zellpolen.

Anaphase - Verkürzung der Spindelfasern. Trennung der Zwei-Chromatiden-Chromosomen am Centromer und Wanderung der Ein-Chromatid-Chromosomen zu den Zellpolen.

Telophase - Entspiralisierung der Chromosomen, Bildung der Kernmembran

• Die Zelle wird in der Äquatorialebene durchschnürt, nachdem die Tochterzellen je einen Zellkern erhalten haben. Jede Zelle besitzt damit einen vollständigen Diplomen Satz aus Ein-Chromatid-Chromosomen

• Während des gesamten Vorgangs der Mitose bleibt der diploide Chromosomensatz erhalten. Beide Tochterzellen erhalten das vollständige identische Erbmaterial

Reduktionsteilung: Die Anzahl der Chromosomen ist artspezifisch. Um diese Chromosomenanzahl auch in nachfolgenden Generationen dauerhaft zu erhalten, muss ihre Zahl bei der Bildung der Keimzellen halbiert werden. Es findet eine Reduktion des haploiden Chromosomensatzes zum haploiden Satz statt (2n -> 1n)

Rekombination: Die Meiose führt zur Durchmischung des ursprünglich väterlichen und mütterlichen Erbmaterials. Die Rekombination stellt damit die Grundlage für die genetische Verschiedenheit der Individuen dar

Prophase 1: Homologe Chromosomen lagern sich parallel nebeneinander an (Paarung) Beim Menschen bilden sich so aus 46 Chromosomen 23 Chromosomenpaare. Nach weiteren Spialisierungen werden nun vier Chromatiden eines jeden homologen Chromosomenpaares sichtbar (Tetrade)

Metaphase 1: Anordnung der Chromosomenpaare in der Äquatorialebene

Anaphase 1: Trennung der homologen Chromosomenpaare

Telophase 1: Teilung der Zellen. Beim Mann entstehen zwei gleich große Zellen. Bei der Frau entstehen durch die ungleiche Verteilung des Plasmas eine große und eine kleine Zelle.

Aus der größeren Zelle entsteht später die Eizelle. Die kleinere, plasmaärmere Zelle wird Polkörperchen oder auch Richtungskörper genannt.

• gleicht in ihrem Verlauf einer Mitose

• Dabei werden die Chronatiden eines Zwei-Chromatid-Chromosoms geteilt

• Das Ergebnis sind bei Mann vier gleichgroße haploide Spermien

• Bei der Freu entsteht eine haploide Eizelle und drei kleine Polkörperchen

  -> Polkörperchen sterben ab

Um zu verhindern, dass sich bei jeder Befruchtung die Chromosomenanzahl wieder verdoppelt, muss der Chromosomensatz bei der Bildung der Geschlechtszellen (Gameten) reduziert werden.

A: Ein Spermium (haploider Chromosomensatz, drei Ein-Chromatid-Chromosomen) bewegt sich auf eine Eizelle (haploider Chromosomensatz, drei Ein-Chromatid-Chromosomen) zu. Dringt es bis zur Eizelle vor, so verschmelzen die beiden Zellmembranen. Der Kern des Spermiums dringt dann in die Eizelle ein. Nach Auflösung der Kernmembranen liegen in der diploiden Zygote sechs Chromosomen vor; die Befruchtung ist abgeschlossen.

B: Durch fortgesetzte Mitose entwickelt sich aus der Zygote ein vollständiges Lebewesen. Die Abbildung zeigt eine Zelle dieses Lebewesens in der Telophase. Es könnte sich um eine Körperzelle handeln oder auch um eine Urgeschlechtszelle. Die sechs Chromosomen sind kondensierte Ein-Chromatid-Chromosomen. Drei Stammen von der Mutter, drei vom Vater.

C: Zwischen den Abbildungen B und C hat eine männliche Meiose stattgefunden. Aus einer diploiden Spermien-Mutterzelle mit sechs Chromosomen sind vier haploide Spermien mit je drei Chromosomen entstanden. Abbildung C verdeutlicht, dass dabei mütterliche und väterliche Chromosomen neu kombiniert wurden: Die Kerne der Spermien enthalten Chromosomen beider Eltern.

diploid: Zelle mit doppeltem Chromosomensatz, je zwei Chromosomen sind homolog (B)

haploid: Zelle mit einfachem Chromosomensatz (A und C)

Definition: die Durchmischung des Erbmaterials durch die zufallsbedingte Verteilung mütterlicher und väterlicher Chromosomen im Verlauf der Reifeteilung 1

• die Anordnung homologer Chromosomen während der Metaphase 1 geschieht so, dass in unregelmäßiger Abfolge mal ein Chromosom väterlicher, mal eines mütterlicher Herkunft oberhalb der Äquatorialebene liegt

  -> Bei zwei homologen Chromosomenpaaren können so vier verschiedenene Kombinationen entstehen

• Abhängig von der Anzahl der homologen Chromosomenpaare in einem diploiden Chromosomensatz gibt es 2n mögliche Kombinationen

• Bei 23 Chromosomenpaaren des Menschen führt die Rekombination in der Meiose demnach zu 2/23= 8 Millionen verschiedener Keimzellen

• Bildet Grundlage für die genetische Verschiedenheit der Keimzellen und die genetische Variabilität von Organismen

• Durch Stückaustausch zwischen homologen Chromosomen kommt es zu einer Durchmischung des Erbmaterials

• Während der Prophase 1 kann es zwischen den Chromatiden eines homologen Chromosomenpaares zum Bruch von Chromatidenstücken und anschließendem Verheilen über Kreuz kommen

  -> Dieser Austausch wird Crossing-over genannt

• Dabei wird genetisches Material zwischen den Chromatiden homologer Chromosomen ausgetauscht

• Die Überkreuzungspunkte sind lichtmikroskopisch als Chiasmata sichtbar

3 Phasen: Vermehrungsphase, Reifungsphase und die Spermiogenese

1. In der Vermehrungsphase bilden sich aus den Stammzellen jeweils eine Zelle, die nicht reift (A-Spermatogonien) und eine Zelle, die sich weiterhin teilt und reift (B-Spermatogonien)

   -> aus den B-Spermatogonien entstehen die primären Spermatozyten

2. In der Reifungsphase entstehen aus jeweils einem primären Spermatozyt zwei sekundäre Spermatozyten

   -> aus den zwei sekundären Spermatozyten gehen daraufhin vier Spermatiden hervor

3. Darauf folgt die Spermiogenese, in der die Spermatiden zu Spermien werden

   -> Schwanz der Zelle wächst (Akrosom entsteht), der Kopf des Spermas wird dadurch schmaler und spitzer

3 Phasen: Vermehrungsphase, Wchstumsphase und die Reifungsphase

1. In der Vermehrungsphase teilen sich Urkeimzellen in den Eierstöcken durch Mitose

   -> diese Ureizellen werden dann Oogonien genannt

   -> durch die Zellteilung (Mitose) vermehren sich die Oogonien - Diese Urkeimzellen wandern schon im frühen Embryonalstadium in die Eierstöcke

2. In der Wachstumsphase bilden sich weitere Schichten um die Eizelle

   -> eine Dottersubstanz bildet sich um die Zelle herum

   -> weiterhin sammeln sich Follikelzellen um die Eizelle

   -> die Oogonien werden durch die meiotische Chromosomenpaarung zu primären Oozygoten (Eimutterzelle)

3. Die Reifungsphase ist die Phase in der die primären Oocyten durch Meiose zur sekundären Oocyten werden

   ↳ durch eine zweite Meiose, also die zweite Reifeteilung, wird die sekundäre Oocyte zur vollendeten Eizelle (ovum)

·in der Anaphase I wird ein Chromosomenpaar nicht getrennt

↳ kommt zusammen in eine Tochterzelle

-Chromosom fehlt dann in der anderen Tochterzelle

- Es liegen dann in den Keimzellen eine Dopplung vor und 2 Monosomien

↳nondisjunction nichttrennung der Chromosomen

- nach dem sie verschmolzen sind kommt es bei den blauen zu einer trisomie

• In Anaphase II werden die zwei chromatiden nicht getrennt und kommen gemeinsam in eine Tochterzelle

• Blauen sind doppelt vorhanden eine Monosomie und zwei normale diploide Zellen

• kommt zur nondisjunction der Chromosomenpaare erst während der ersten Zellteilung nach der Befruchtung

• kann nicht passieren wenn die Zygote die Trisomie nicht schon vorher hatte

Veränderungen der Chromosomenanzahl sind zumeist Folge von Mutationen. Sie können dann auf zwei Wegen entstehen:

• Nondisjunction während der 1. Reifeteilung der Meiose:

  In diesem Fall liegt diefehlende Trennung homologer Chromosomen während der 1. Reifeteilung vor

• Nondisjunction während der 2. Reifeteilung der Meiose:

  Bei dieser Form von Nondisjunction unterbleibt in der 2. Reifeteilung bei einem Chromosom die Trennung der Chromatiden

Nach der Art der Veränderungen unterscheidet man verschiedene Typen struktureller Anomalien

• Deletion: Verlust eines Chromosomenstückes

• Dublikation: Verdopplung eines Chromosomenabschnittes. Bei dieser Anomalie wird die Genbalance gestört, da sich die Menge des genetischen Materials ändert. In der Meiose können dadurch Keimzellen entstehen, die zu einer partiellen Trisomie führen

• Inversion: Drehung eines Chromosomenabschnittes um 180 Grad. Normalerweise zeigt diese Anomalie keine Auswirkung, da sich nur die Reihenfolge, nicht aber die Menge genetischen Materials geändert hat. Es liegt folglich eine balancierte Anomalien vor.

• Translokation: Austausch von Chromosomenabschnitten zwischen nicht homologen Chromosomen.

• Katzenschreisyndrom: Deletion am 5. Chromosom; geistige und körperliche Unterentwicklung, katzenähnlicher Schrei des Säuglings

• PRADER-WILLI-Syndrom: Deletion am 15. Chromosom väterlicher Herkunft; Symptome: Muskelschwäche, Minderwuchs und Fettsucht

• ANGELMANN-Syndrom: Deletion wie beim PRADER-WILLI-Syndrom, jedoch ist hier das Allel mütterlicher Herkunft betroffen; Symptome: schwere geistige Behinderung, Minderwuchs. Die unterschiedliche Ausprägung von Allelen in Abhängigkeit von väterlicher und mütterlicher Herkunft nennt man genomic imprinting (genomische Prägung)

Pätau-Syndrom (Trisomie 13): Missbildung von Schädel, Herz und Nieren; mittlere Lebenserwartung 1 Monat

EDWARDS-Syndrom (Trisomie 18): Missbildung des Schädels, Herzfehler; mittlere Lebenserwartung 2 Monate

Down-Syndrom (Trisomie 21): Minderwuchs, Kopfdeformation, oft Herzfehler; häufigste Trisomie

TURNER-Syndrom (45, X0): Kleinwuchs, Unfruchtbarkeit; phänotypisch weiblich

KLINEFELTER-Syndrom (47,XXY): überdurchschnittliche Größe, Unfruchtbarkeit; phänotypisch männlich

Poly-X-Syndrom (47, XXX): meist unauffällig; phänotypisch weiblich

45, Y0: nicht lebensfähig

Diplo-Y-Syndrom (47, XYY): Hochwuchs, klinisch unauffällig; phänotypisch männlich

Karyotyp: 47, XY+13

Phänotyp: Pätau-Syndrom -> unbalancierte Chromosomenanomalie

Freie Trisomie 13:

• Es handelt es sich um eine sogenannte freie Trisomie. Das bedeutet, dass es ein ungebundenes zusätzliches Chromosom 13 in allen Körperzellen gibt. Mosaik Trisomie 13: Bei dieser Form der Trisomie 13 kommt das zusätzliche Chromosom nur in einem bestimmten Anteil der Zellen vor.

Karyotyp: 47, XY,+13,t (13;14) -> Translokation

Phänotyp: Pätau-Syndrom -> balancierte Chromosomenanomalie

• beides strukturelle und numerische Chromosomenanomalie

Karyotyp: 46, XY,t(13;14)

Phänotyp: unauffällig -> balancierte Chromosomenanomalie

Gen: Information für die Ausbildung eines Merkmals/physikalische und funktionelle Einheit der Vererbung, die von einer Generation zur nächsten übertragen wird

Allel: Zustandsform/tatsächlicher Inhalt eines Gens, Information auf zueinander homologen Genorten

Genom: Gesamtheit aller Erbanlagen eines Organismus

Phänotyp: Gesamtheit der sich ausprägenden Merkmale eines Organismus

Genotyp: Gesamtheit aller Gene einer Zelle, meistens bezogen auf haploiden Chromosomensatz

Haploid: die Information für ein Merkmal ist einmal vorhanden

Diploid: die Information für ein Merkmal liegt doppelt vor

Homozygot: die beiden Allele eines diploiden Organismus sind identisch

Heterozygot: die beiden Allele eines diploiden Organismus sind unterschiedlich

Dominant: die Information des Allels setzt sich gegenüber dem anderen Allel durch, wird also im Phänotyp ausgeprägt

Rezessiv: die Information des Allels setzt sich gegenüber dem anderen Allel nicht durch, sie wird also im Phänotyp nicht ausgeprägt (nur wenn der Genotyp homozygot rezessiv ist, wird dies im Phänotyp ausgeprägt)

Betrachtet man nur die Vererbung eines Merkmals (Beispiel: Samenfarbe), so lässt dieser Erbgang folgende Regelmäßigkeiten erkennen:

• 1. MENDEL’sche Regel - Kreuzt man zwei Individuen einer Art, die sich in einem Merkmal reinerbig unterscheiden, so sind die Nachkommen in der Tochtergeneration (1.Filialgeneration, F1) untereinander gleich (Uniformitätsregel). Dabei ist es gleichgültig, welcher der beiden Rassen Vater oder Mutter angehören. Dieses Phänomen beschreibt die Reziprozitätsregel.

• 2. MENDEL’sche Regel - Kreuzt man die F1-Individuen untereinander, so spaltet sich die F2-Generation im Zahlenverhältnis 3:1 auf (Spaltungsregel)

MENDEL schloss aus seinen Kreuzungen, dass der Erbfaktor für eine Samenfarbe in der F1-Generation nicht verschwunden, sondern nur überdeckt war. Den Faktor, der sich durchgesetzt hatte, nannte er dominant, den zurückgetretenen Faktor rezessiv.

Betrachtet man die Vererbung zweier Merkmale, wie etwa Samenfarbe und Samenform bei der Gartenerbse, so gelangt man zu einer weiteren Regel. MENDEL beobachtete, dass die Nachkommen in der F1 ausschließlich gelb-runde Samen bildeten. Die Uniformitätsregel wurde dadurch bestätigt. Nach der Selbstbestäubung erhielt MENDEL in der F2 zwei neue Phänotypen: gelb-kantige und grün-runde Samen. Betrachtet man alle Phänotypen, so stehen diese in einem Zahlenverhältnis von etwa 9 : 3 : 3 : 1

• 3. MENDEL’sche Regel - Kreuzt man Individuen einer Art, die sich in mehreren Merkmalen unterscheiden, werden die Anlagen getrennt und unabhängig voneinander vererbt (Unabhängigkeitsregel, Regel von der Neukombination)