Karyogramm

Bedeutung und Grundprinzip

Ein Karyogramm ist die geordnete Darstellung aller Chromosomen einer Zelle. Die Chromosomen werden dabei nach sichtbaren Merkmalen sortiert: Größe, Lage des Zentromers und Bandenmuster. Das Zentromer ist die Einschnürungsstelle eines Chromosoms.

Karyogramme dienen dazu, den Karyotyp zu bestimmen. Der Karyotyp beschreibt die gesamte Chromosomenausstattung eines Individuums. Damit lassen sich beispielsweise Chromosomensätze verschiedener Arten vergleichen oder in der Humangenetik Ursachen vererbbarer Krankheiten untersuchen. Außerdem können Karyogramme zur Geschlechterbestimmung, zur Beschreibung von Tier- und Pflanzenarten sowie zur Untersuchung von Zellkulturen oder Tumorzellen verwendet werden.

Erstellung in der Medizin

Für ein medizinisches Karyogramm wird zunächst Blut entnommen. Daraus werden Lymphozyten isoliert, also eine Gruppe weißer Blutkörperchen. Erythrozyten sind nicht geeignet, weil sie keinen Zellkern besitzen und deshalb keine Chromosomen enthalten.

Die Lymphozyten werden drei Tage lang in einem Nährmedium kultiviert. Dieses enthält Phytohämagglutinin, eine Substanz, die Zellteilungen anregt. Danach wird Colchicin für zwei Stunden zugegeben. Dieser Mitose-Hemmer verhindert die Ausbildung des Spindelapparats und unterbricht die Mitose in der Metaphase.

Die Metaphase ist für die Untersuchung besonders geeignet: In diesem Stadium sind die Chromosomen stark kondensiert, also dicht zusammengepackt, und unter dem Lichtmikroskop gut sichtbar. Die Zellen werden durch Zentrifugation als Pellet abgesetzt. Anschließend kommen sie in eine hypotone Lösung, entweder destilliertes Wasser oder eine 0,075 molare Kaliumchlorid-Lösung. Dadurch quellen die Zellen auf.

Danach werden die Zellen mit einem Methanol-Eisessig-Gemisch im Verhältnis 3:1 fixiert. Ein Tropfen der Zellsuspension wird auf einen Objektträger gegeben. Beim Auftreffen platzen die Zellen. Metaphasezellen besitzen keine Kernmembran; daher liegen die Metaphasechromosomen meist nebeneinander auf dem Objektträger.

Die Chromosomen werden anschließend beispielsweise mit Giemsa-Färbung oder einem FISH-Test gefärbt. Früher fotografierte man sie unter 1000-facher Vergrößerung, schnitt die Bilder aus und ordnete sie von Hand. Heute übernimmt Bildverarbeitungssoftware am Computer die Sortierung nach Größe, Zentromerregion und Bandenmuster. Die Gesamtkosten für die medizinische Erstellung eines humanen Karyogramms betrugen 2014 etwa 350 €.

Der menschliche Chromosomensatz

Der Mensch besitzt 22 Autosomenpaare und ein Gonosomenpaar. Autosomen sind Chromosomen, die nicht unmittelbar das Geschlecht bestimmen; Gonosomen sind geschlechtsbestimmende Chromosomen. Normale menschliche Körperzellen haben einen diploiden, also doppelten, Chromosomensatz mit 2n = 46 Chromosomen.

Bei einer Frau wird der Karyotyp mit 46 XX angegeben: 44 Autosomen und zwei gleiche Gonosomen. Bei einem Mann lautet er 46 XY: 44 Autosomen sowie zwei unterschiedliche Gonosomen.

Im humanen Karyogramm werden die Chromosomen nach Größe und Zentromerlage in sieben Gruppen A bis G eingeordnet. Akrozentrische Chromosomen besitzen ein Zentromer nahe am Ende, submetazentrische eines zwischen Mitte und Ende und metazentrische eines in der Mitte.

• Gruppe A: Chromosomen 1–3; groß, meta- oder submetazentrisch.
• Gruppe B: Chromosomen 4 und 5; groß, submetazentrisch.
• Gruppe C: Chromosomen 6–12 und X; mittel, meta- oder submetazentrisch.
• Gruppe D: Chromosomen 13–15; mittel, akrozentrisch.
• Gruppe E: Chromosomen 16–18; kurz, submetazentrisch.
• Gruppe F: Chromosomen 19 und 20; kurz, metazentrisch.
• Gruppe G: Chromosomen 21 und 22 sowie Y; sehr kurz, akrozentrisch.

Das X-Chromosom gehört wegen seiner morphologischen Eigenschaften zur Gruppe C, das Y-Chromosom zur Gruppe G. Zum Vergleich einer Zuordnung nutzt man Idiogramme, also schematische Darstellungen von Durchschnittschromosomen.

Innerhalb einer Art ist die Chromosomenzahl meist festgelegt und in der Regel gerade. Unterarten können ein 2- oder 3-faches dieser Grundchromosomenzahl besitzen. Nahe verwandte Lebewesen haben oft gleiche oder ähnliche Chromosomenzahlen. Dies ist aber kein eindeutiger Beweis für Verwandtschaft. Auch besteht kein direkter Zusammenhang zwischen Chromosomenzahl und Organisationsstufe: Der Mensch hat 46 Chromosomen, die Kartoffel 48. Bei verwandten Arten hängen Chromosomenzahl und -größe jedoch zusammen: Mit zunehmender Chromosomenzahl werden die einzelnen Chromosomen kleiner.

Erkennung von Chromosomenanomalien

In der Humangenetik soll ein Karyogramm mögliche genetische Risiken und familiär bedingte Erbkrankheiten frühzeitig erkennen oder ausschließen. Erbkrankheiten können durch defekte Gene und durch Chromosomenanomalien entstehen. Solche Veränderungen werden durch Mutationen verursacht.

Es gibt drei Arten von Mutationen:

• Genmutation: Veränderung einzelner Gene, zum Beispiel bei Phenylketonurie.
• Chromosomen- oder Strukturmutation: Veränderung der Chromosomenstruktur; sie wird auch Chromosomenaberration genannt. Ein Beispiel ist die Translokationstrisomie 21.
• Genommutation: Veränderung der Chromosomenzahl.

Genommutationen werden in Aneuploidie und Euploidie unterteilt. Bei einer Aneuploidie kommen ein oder mehrere Chromosomen vermehrt oder vermindert vor; ein Beispiel ist das Down-Syndrom. Bei einer Euploidie ist der gesamte Chromosomensatz vermehrt oder vermindert. Kulturweizen ist beispielsweise hexaploid.