Chromosom

Grundbegriff und Sichtbarkeit

Ein Chromosom ist ein Träger der Erbanlagen, also des Genoms. Es besteht aus Desoxyribonukleinsäure (DNS bzw. DNA) und Proteinen, besonders Histonen. Die DNA enthält die Informationen für Lebensvorgänge und die Vererbung von Eigenschaften.

Bei Eukaryoten wie Pflanzen, Pilzen und Tieren liegen Chromosomen im Zellkern. In der Interphase, also zwischen Kernteilungen, sind sie locker organisiert und werden zusammen Chromatin genannt. Jedes Chromosom nimmt dabei ein eigenes Chromosomenterritorium im Zellkern ein. Während Mitose oder Meiose verdichten sich die Chromosomen stark und werden dadurch im Mikroskop sichtbar.

Nach der DNA-Verdopplung besteht jedes Chromosom aus zwei gleichen Schwester-Chromatiden. In der Anaphase werden diese getrennt und den beiden Tochterkernen zugeteilt. Danach lockern sich die Chromosomen wieder, damit die DNA abgelesen und erneut verdoppelt werden kann.

Aufbau, Verpackung und Mitose

Ein Chromatid enthält normalerweise genau einen DNA-Doppelstrang. Ein Chromosom kann je nach Zellzyklus aus einem Chromatid oder nach der Replikation aus zwei Schwester-Chromatiden bestehen. Die Chromatiden sind am Zentromer verbunden; dort setzen bei der Mitose Mikrotubuli des Spindelapparats an.

Das Zentromer teilt das Chromosom in einen kurzen p-Arm und einen langen q-Arm. Liegt es in der Mitte, heißt das Chromosom metazentrisch; nahe einem Ende akrozentrisch; dazwischen submetazentrisch. Die Enden heißen Telomere. Beim Menschen enthalten sie die wiederholte Sequenz TTAGGG und werden bei jeder Verdopplung etwas kürzer.

Die DNA ist extrem stark verpackt. Sie wickelt sich zunächst um acht Histonmoleküle; diese Einheit heißt Nucleosom und enthält 146 Basenpaare DNA. Daraus entsteht die 10-nm-Faser. Höhere Verpackungsebenen, etwa die 30-nm-Faser, sind zwar bekannt, ihre genaue räumliche Organisation ist aber noch weitgehend ungeklärt. Stark kondensierte und meist wenig aktive Bereiche heißen Heterochromatin, lockerere und besser ablesbare Bereiche Euchromatin.

Die Mitose gliedert sich in:

• Prophase: Chromosomen kondensieren, die Kernmembran wird aufgelöst.
• Metaphase: Die Chromosomen ordnen sich in der Äquatorialebene an.
• Anaphase: Schwester-Chromatiden trennen sich und wandern zu entgegengesetzten Polen.
• Telophase: Neue Kernhüllen entstehen, die Chromosomen dekondensieren.

Durch G-Bänderung und R-Bänderung lassen sich Chromosomen unterscheiden. R-Banden sind genreicher, enthalten mehr G-C-Basenpaare und werden früh repliziert. G-Banden sind genärmer, enthalten mehr A-T-Basenpaare und werden eher spät repliziert. Ein Karyogramm ist die nach Größe und Bandenmuster sortierte Darstellung der Chromosomen einer Zelle.

Besondere Riesenchromosomen sind Polytänchromosomen und Lampenbürstenchromosomen. Polytänchromosomen entstehen durch wiederholte DNA-Verdopplung ohne Kernteilung, zum Beispiel bei Insekten. Lampenbürstenchromosomen kommen in Eizellen von Amphibien vor.

Chromosomenzahl, Karyotyp und Vererbung

Die Chromosomenzahl ist artspezifisch, sagt aber nicht direkt etwas über die Komplexität eines Lebewesens aus. Menschen besitzen gewöhnlich 46 Chromosomen: 22 Paare Autosomen und zwei Geschlechtschromosomen. Der Karyotyp einer Frau lautet 46,XX, der eines Mannes 46,XY.

Ein diploider Chromosomensatz wird mit 2n bezeichnet und enthält zwei homologe Chromosomen jeder Art, eines von jedem Elternteil. Bei der Meiose wird dieser Satz durch Reduktionsteilung halbiert. Dabei kann Crossing-over stattfinden: Homologe Chromosomen tauschen Abschnitte aus. So entstehen genetisch neu zusammengesetzte Chromosomen in haploiden Keimzellen wie Eizellen und Spermien. Bei der Befruchtung vereinigen sich zwei haploide Sätze zur diploiden Zygote.

Nicht alle Organismen sind diploid. Haploide Organismen besitzen einen einfachen Satz, triploide drei, tetraploide vier und hexaploide sechs Sätze. Bei Pflanzen bezeichnet x die Grundzahl; eine tetraploide Pflanze mit x = 7 besitzt beispielsweise 4x = 28 Chromosomen. Triploide Individuen sind meist steril, weil sich ihre Chromosomen während der Meiose schwer paaren lassen.

Das menschliche Genom umfasst etwa 3,2 Gbp und 23.700 bisher gefundene Gene. Die DNA einer menschlichen Zelle ist insgesamt über 2 Meter lang, aber auf 46 Chromosomen stark verdichtet. Chromosom 1 ist mit 249 Mbp das größte menschliche Chromosom, Chromosom 21 mit 47 Mbp das kürzeste. Die Gendichte ist unterschiedlich: Chromosom 19 enthält auf 59 Mbp etwa 1500 kodierende Gene, Chromosom 18 auf 80 Mbp etwa 640 und das Y-Chromosom auf 57 Mbp 72.

Geschlechtschromosomen und Geschlechtsbestimmung

Bei vielen Säugetieren besitzen Weibchen zwei X-Chromosomen, Männchen ein X- und ein Y-Chromosom. Das Geschlecht mit zwei verschiedenen Geschlechtschromosomen heißt hemizygot. Bei Vögeln tragen Männchen zwei Z-Chromosomen und Weibchen ein Z- und ein W-Chromosom. Bei vielen Hautflüglern sind Weibchen diploid, Männchen haploid.

Im hemizygoten Geschlecht liegen manche Gene nur einmal vor. Ein defektes Gen kann dann nicht durch eine intakte Kopie auf einem homologen Chromosom ausgeglichen werden. Deshalb treten beim Menschen manche Erbkrankheiten fast nur bei Männern auf, etwa eine Form der Bluterkrankheit, Duchenne’sche Muskeldystrophie und Rot-Grün-Blindheit.

Das X-Chromosom hat 155 Megabasen, das Y-Chromosom 59 Megabasen. Beide besitzen pseudoautosomale Regionen (PAR), in denen sie ähnliche DNA-Sequenzen und gemeinsame Gene tragen. Dort ist während der Meiose Rekombination möglich. Zur Dosiskompensation wird verhindert, dass bei zwei X-Chromosomen doppelt so viel Genprodukt entsteht; beim Menschen spielt dabei die X-Inaktivierung eine Rolle.

Chromosomenveränderungen, Evolution und klinische Bedeutung

Chromosomenmutationen sind dauerhafte strukturelle Veränderungen, die entstehen können, wenn DNA-Doppelstrangbrüche falsch repariert werden. Mögliche Folgen sind Deletion (Verlust eines Abschnitts), Duplikation (Verdopplung), Inversion (Umdrehung) und Translokation (Austausch oder Verlagerung zwischen Chromosomen). Davon unterscheidet man zahlenmäßige Veränderungen wie Monosomie oder Trisomie.

Beim Menschen sind freie autosomale Trisomien bei Lebendgeborenen nur für die Chromosomen 21, 18 und 13 bekannt:

• Down-Syndrom, Trisomie 21: 1 Fall auf 600–800 Neugeborene; häufig Herzfehler und Intelligenzminderung, durchschnittliche Lebenserwartung heute über 60 Jahre.
• Edwards-Syndrom, Trisomie 18: 1 Fall auf 2.500 Neugeborene; zahlreiche Organfehlbildungen und schwere Intelligenzminderung.
• Pätau-Syndrom, Trisomie 13: 1 Fall auf 6.000 Neugeborene; unter anderem Herzfehler, Lippen-Kiefer-Gaumenspalten und Polydaktylie.

Beim Down-Syndrom liegt meist eine freie Trisomie 21 vor; etwa 3 % der Fälle beruhen auf einer Translokation. Geschlechtschromosomen können ebenfalls in abweichender Zahl vorkommen, etwa beim Ullrich-Turner-Syndrom (45,X), Triplo-X-Syndrom (47,XXX), Klinefelter-Syndrom (meist 47,XXY) oder XYY-Syndrom (47,XYY).

Teilweise fehlende Autosomen können ebenfalls Syndrome verursachen. Beispiele sind das Cri-du-chat-Syndrom durch Deletion am kurzen Arm von Chromosom 5 und das Wolf-Hirschhorn-Syndrom durch Deletion am kurzen Arm von Chromosom 4. Bei Veränderungen der Region 15q11.2-q12 hängt das Krankheitsbild vom Elternteil ab, von dem die fehlende Region stammt: Eine mütterliche Deletion führt zum Angelman-Syndrom, eine väterliche zum Prader-Willi-Syndrom.

Chromosomenveränderungen spielen auch in der Evolution eine Rolle. Mensch, Schimpanse, Gorilla und Orang-Utan besitzen sehr ähnliche Chromosomen. Menschen haben 46, die anderen drei Menschenaffen jeweils 48 Chromosomen. Das menschliche Chromosom 2 entspricht zwei kleineren Chromosomen dieser Arten. Dauerhaft können sich solche Veränderungen nur etablieren, wenn beide homologen Chromosomen verändert sind; dadurch können sie zur Artbildung beitragen.

Prokaryotische und virale „Chromosomen“

Bakterien und Archaeen besitzen keinen Zellkern und keine klassischen Chromosomen. Ihre Erbinformation liegt meist in einem oder mehreren zirkulären DNA-Molekülen vor, die manchmal Bakterienchromosomen genannt werden.

Auch Mitochondrien und Chloroplasten enthalten meist ringförmige DNA. Diese wird gelegentlich als zusätzliches, nicht-nukleäres Chromosom bezeichnet und heißt Chondriom beziehungsweise Plastom. Bei Viren können einzelne DNA- oder RNA-Abschnitte ebenfalls Chromosomen genannt werden. Das RNA-Genom von Influenza-A-Viren besteht beispielsweise aus acht solchen Segmenten.