Zytogenetik

- Können nur in Metaphase sichtbar gemacht werden

- Chromosom besteht aus 4 Chomatiden

- Menschliches Genom

o   Dekondensiert ca. 1m lang

o   Kondensiert ca. 115 mm

Nukleosomen

- 8 Histonproteine + 146bp Doppelstrang DNA

- Sind durch Spacer (Linker-DNA) verbunden

Was macht ein Chromosom aus?

- Zentromer => damit Chromosomen bei Zellteilung nicht verloren gehen

- Replikationsorigins

- Telomere

Chromosom interagierende Proteine

- Strukturen aus Protein und DNA => schließen Chromosomenenden ab

o   Aufrechterhaltung der Chromosomenstruktur

- Verlust => Abbau o. Verschmelzung mit anderen Chromosomenarmen

o   Sicherung vollständiger DNA-Replikation

o   Chromosomenposition im Zellkern => Liegen dekondensiert an best. Bereichen im Kern vor

- Tandemartige Wiederholung einer TG-reichen Sequenz (TTAGGGn)

o   Ca. 1700 – 2500 Kopien

+100 -300kb Telomer assoziierte Repeats

Euchromatin

- In Interphase nicht oder nur gering kondensiertes Chromatin

o   In hellen G-Banden, etwas dichter in dunklen G-Banden

Heterochromatin

- Während gesamten Zellzyklus (=auch Interphase) in hoch kondensiertem Zustand

- Gene innerhalb d. Heterochromatins meist inaktiv

- Konstitutives Heterochromatin

o   Immer inaktiv und kondensiert => meist rep. DNA (C-Bänderung)

- Fakultatives Heterochromatin

o   Entweder aktiv (dekondensiert) o. inaktiv (kondensiert) (Bsp. X-Chromosomeninaktivierung)

- Lyon-Hypothese

- Inaktiviertes X = Barr – Körperchen

- Ursache: Dosiskompensation

- X-Inaktivierungszentrum (XIC): kontrolliert Initiation und Aufrechterhaltung der X-Inaktivierung

o   Funktion hängt von XIST Gen ab

- XIST-Gen: wird nur von einem Allel exprimiert

o   mRNA (17kb) ist Signal für Inaktivierung des Chromosoms

- TSIX-Gen: Antisene-RNA zu XIST => reguliert XIST-Expression

Im Pseudoautosomalen Bereich sind beide X-Chromosomen aktiv

- Aus gemeinsamem Autosomenpaar entwickelt

- Psyeudoautosomaler Bereich wichtig, da dort beide Geschlechtschromosomen paaren => Aufteilung während Mitose

- Konstitutionelle Anomalien => in Keimbahn aufgetreten

o  Betrifft alle Körperzellen

- Somatische (oder erworbene) Anomalien

o  Mosaik => sekundär für Humangenetik

- Numerische

o  Polyploide

o  Aneuploidie

- Strukturelle

- Triploidie (3n=69, 69XXX o. 69XXY)

o   1-3% der erkennbaren Schwangerschaften

o   Vielfältige schwerste Fehlbildungen

o   Überleben nur selten bis Geburt

o   Mosaiktriploidie möglich => nur diese überleben

- Tetraploidie (4n = 92)

o   Kommt seltener vor

o   Nicht mit Entwicklung eines Embryos vereinbar

o   Früh letal

o   Mosaikphänotypen möglich

- Ursachen (siehe Bild)

- Mind. 1 Chromosom eines euploiden Satzes fehlt o. kommt in zusätzlicher Kopie vor

o   Trisomie (47,XX +21)

o   Monosomie (45,X0) => meist letal

- Ca. 5% aller klinisch erkennbaren Schwangerschaften

- Mechanismus

o   Nichttrennung der Chromatiden in Meiose

o   Bei Mosaik-Phänotyp: Nichttrennung der Chromatiden in Mitose

- Je früher in Entwicklung desto mehr fehlverteilte Zellen

- Bei Trisomie 21 ist Alter der Mutter entscheidend (ab 38 Jahren 1%)

- Bei anderen Chromosomen ist alter des Vaters entscheidend

Autosomale Monosomien

- Sehr selten sowohl in Feten als auch Neugeborenen => immer als Mosaik

Gonosomale Monosomie

- Ulrich-Turner-Syndrom [45,X]

o   1:10.000

o   Nur noch 1 X

o   Kann auch als Mosaik auftreten ist aber ca. 4x seltener als Volltyp

- Trisomie 21 [47,XX +21 ; 47,XY +21]

o   Down-Syndrom => häufigste Ursache für geistige Behinderung

o   Ursache:

-  95% reguläre (freie) Trisomie => ganzes Chromosom ist 3 mal da (Risiko für Kind 1-2%)

-  3% Mosaik für freie Trisomie

-  2% Translokationen

- Trisomie 18 (Edwards-Syndrom)

o   1:5000

o   Ursache: meist freie Trisomie

o   Abhängig von Alter der Mutter

- Trisomie 13 (Pätau-Syndrom)

o   1:5000

o   Ursache: 70-80% freie Trisomie

-  20% Translokation

o   Abhängig von Alter der Mutter

Gonosomale Trisomien

- Klinefelter-Syndrom [meist 47,XXY]

o   1:1000 männlichen Neugeborenen

o   Ursache:

- centromere oder centromernahe Verschmelzung 2 acrozentrischer Chromosomen

- Kurze Arme dieser Chromosomen => RNA Gene, diese gehen verloren (Liegen aber in mehreren Kopien vor)

=> Risiko bei Vererbung deutlich höher

- Transversale statt longitudinale Teilung

=> Chromosom aus 2 langen bz. 2 kurzen Armen

- Z.B. Trisomie 21q

o   Wenn Elternteil träger einer 21q;21q Translokation => Risiko für Kinder mit Trisomie 21 => 100%

- Klinefelter-Syndrom [meist 47,XXY]

o   1:1000 männlichen Neugeborenen

o   Ursache:

- Ursache:

• Falsche Reparatur von DNA-Schädigungen

  - Chromosomenbrüche in G2 oder G1 Phase

• Folge einer Rekombination

o   Deletion

-  Terminale Deletion

-  Interstitial Deletion (Bereiche im Chromosom)  

o   Inversion

-  In der Regel keine klinische Auffälligkeit wenn kein Gen an Bruchpunkt

-  Probleme bei Maiose (bei Perizentrischen)

-  Perizentrische Inversion (2 Brücke in 2 verschiedenen Armen)

· Wirre und komplexe Anlagerung => problematische Rekombinationsereignisse

· Chromosomen mit Duplikationen oder Deletionen

-  Parazentrische Inversion (2 Brüche im selben Arm)

· Wirre und komplexe Anlagerung => problematische Rekombinationsereignisse

· Dizentrische (2 Zentromere) Chromatide + azentische (kein Zentromer) Fragmente => Instabil

o   Ringchromosom

-  Bei zwei Brüchen auf unterschiedlichen Armen, kann sich Chromosom mit sich selbst reparieren => Ring => wird deletiert

o   Duplikation

o   Isochromosom

= unter 1mb kann man im Karyogramm keine Veränderungen mehr erkennen => deshalb notwendig

- Basiert auf Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung = FISH

- Dioxigenin-Marker

- Probe = Sonden

- Target = zu untersuchende DNA

- Target wird auf Probe pipettiert und über Nacht hybridisieren lassen

=> Durch Fluoreszenz Lokalisationsnachweis

Verwendung

- Diagnose kongenitaler Syndrome

- Krebsforschung (Tumorsuppressorgene und Onkogene)

- Zellbiologie und Genetik

Unterschiede in:

- Art und Zustand der Zielchromosomen

- Sondenart

Hybridisierung von Metaphase-Chromosomen (~5Mb)

- Saubere Art, dauert länger

- Nach Denaturierung keine Gimsafärbung mehr möglich

- Genomprojekt

- Chromosom Painting

o   Sonden mit unterschiedlichen Flurophoren und magnetisch

o   So können alle Proben die an bestimmten Bereich binden heraussortiert werden

o   Suche nach bestimmten Chromosomen möglich

- Höhere Anzahl unterschiedlich markierter Proben

o  mFISH => Multicolor Banding

Genomprojekt

- Large-instert-clones

-  Klone mit großen mehreren 100kb Insertionen

 - Sind chromosomal exakt kartiert

 - Hybridisieren nur an einer Stelle

- Klone

 - PACs (P1-derived artificial Chromosom)

· Ca. 100 Kb

 - BACs (Bacterial arfificial Chromosom)

· Bis >300 Kb

  - YACs (yeast artificial Chromosom)

· Bis zu 2Mb

Hybridisierung von Interphasechromosomen (50kb – 2Mb)

- Natürlicher Kontext

- Dreidimensionale Genomorganisation

- Interphase-Chromosomen nur 1/10 so kondensiert wie Metaphasechromosomen

- Anordnung von Proben im Abstand von 50kb -20Mb möglich

- Strukturelle Variationen im Genom

o   Balancierte strukturelle Variation

o   Kopiezahlvariationen

- Zumeist gar kein oder nur geringer Effekt auf Phänotyp

- Manchmal Ursache von genomischer Erkrankung

- Genomische Erkrankungen oft sporadisch

- Wahrscheinlichkeit für Rearrangements höher als für Punktmutationen

- Auch Populationsspezifische Veränderungen

- Machen 13 % des Genoms aus

- Manche CNVs sind häufig >1% = CNPs (copy number polymerphisms)

- Deletionen auf 1 der beiden Chromosomen

- Deletion von <1Mb => nicht mikroskopisch sichtbar => kann trotzdem zahlreiche Gene umfassen

- Detektion mittels FISH und SNP-Arrays

- Einzelgensyndrome

- Contigouous-Gene-Syndrome

o   Phänotypische Auswirkung auf Deletion o. Duplikation auf 1 Gen zurückzuführen

o   Häufig auch Patienten mit Punktmutationen in diesem Gen => loss of function

o   Genübergreifende Syndrome

-  Häufig bei männlichen Patienten mit Deletion auf X-Chromosom => kompletter Genverlust

-  Auch auf Autosomen => Verlust je ein Allel

-  Verlust benachbarter Gene tragen zu Phänotyp bei => Addition mehrerer einzelner Erkrankungen

· 3 Gene für 3 Erkrankungen liegen nebeneinander => wenn alle am Stück fehlen hat Patient alle 3 Phänotypen

· sind aber eigentlich unabhängig voneinander => sieht aus wie Mischphänotyp

o   Syndrome aufgrund abschnittsweiser Aneuploidie

-  Autosomale Mikrodeletionen

-  Hemizygotie mehrerer dosisempfindlicher Gene

-  Häufig immer wieder auftretende Deletionen eines Bereichs

· Krankheit tritt nur auf wenn alle dieser Gene fehlen => liegen vermutlich in einem Pathway

22q11.2 deletion syndrome

- DiGeorge-Syndrom

- Velokardiofaziales-Syndrom

- CATCH-22 Syndrom

- Autosomal dominant

- 1:4.000!

- Ursache:

o   Deletion der Region 22q11

- TBX1 => wichtige Rolle

o   TBX1-KO-Maus mit DGS-typischen Herzfehlbildungen

o   Haploinsuffizienz

- Aber: Neuronaler Aspekt es Phänotyps durch Hemizygotie einer Kombination weiterer Gene

o=> nur wenn alle 4 Gene fehlen