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Gendiagnose - wichtige Grundlagen

Methoden der Gentechnik
Voraussetzungen und Methoden der Gentechnik

Was ist Cyogenetik?

Die Cytogenetik beschäftigt sich mit dem Aufbau und der Weitergabe von Chromosomen bei der Zellteilung.

Defintion Chromosomen:

Chromosomen sind bestimmte Strukturen im Zellkern, die die gesamte Erbinformation eines Individuums beinhalten.

Mensch bzw. das humane Genom ist auf

  • 46 Chromosomen verteilt, wobei
  • 44 Autosomen und 2 Gonosomen vorliegen
    • (Geschlechts-chromosomen; XX für weiblich, XY für männlich).

Merke

XX -> weiblich                                      XY -> männlich

Was ist eine Chromosomenanalyse?

Die Chromosomenanalyse stellt eine Untersuchung der Chromosomen dar, wobei Zellen unterschiedlichsten Ursprungs  (Fruchtwasserzellen, Blut, Abortmaterial, Fibroblasten) verwendet werden können. Zur Analyse wird das Zellmaterial (in der Regel sich teilende Zellen in der Metaphase) werden die Zellen präpariert und gefärbt um dann unter dem Mikroskop betrachtet zu werden. Die Metaphasenchromosome können in ihrer Anzahl und Struktur analysiert werden, da jedes der 46 menschlichen Chromosomen eine charakteristische Form bzw. Struktur besitzt. Im Karyogramm geordet können Abweichungen in Struktur und Anzahl schnell sichtbar gemacht werden.

Merke

Karyogramm: geordnete Metaphase-Chromosome, hier erfolgt der Abgleich von Anzahl und Struktur

Einschub Vorwissen: Meiose und Mitose

Wie teilen sich Zellen?

Trotz ihrer hohen Komplexität teilen sich Zellen (unabhängig ob eukaryotischen oder prokaryotischen Ursprungs) durch Zweiteilung. Der Zellteilungszyklus läuft in wenigen Schritten von einer Zelle zu zwei aus dieser Ursprungszelle entstehenden Tochterzelle. Betrachten wir zunächst die Teilung der Körperzellen (= Mitose).

Zellteilungszyklus

Da der Prozess der Zellteilung immer und immer wieder ablaufen kann, spricht man von einem Zellteilungszyklus.

Die Interphase bezeichnet den Zeitraum zwischen zwei Zellteilungen. Dieser zeitlich intensivste Teil des Zellteilungszyklus besteht aus G1-, S-, und G2-Phase. So können im Extremfall Jahre vergehen, bis sich eine Zelle wieder teilt. Kontrollmechanismen, Wachstum und Verdopplung der DNA liegen in dieser Interphase. Der eigentliche Zellteilungsvorgang ist auf einen wesentlich kürzeren Zeitraum beschränkt.
Die Interphase bezeichnet den Zeitraum zwischen zwei Zellteilungen. Dieser zeitlich intensivste Teil des Zellteilungszyklus besteht aus G1-, S-, und G2-Phase. So können im Extremfall Jahre vergehen, bis sich eine Zelle wieder teilt. Kontrollmechanismen, Wachstum und Verdopplung der DNA liegen in dieser Interphase. Der eigentliche Zellteilungsvorgang ist auf einen wesentlich kürzeren Zeitraum beschränkt.
Metaphasenchromosom:
Metaphasenchromosom: Schema eines Metaphasechromosoms: Gezeigt sind die beiden Chromatiden, die über das Centromer miteinander verbunden sind. Es gibt einen kurzen und einen langen Arm des Chromatids. Das im Lichtmikroskop sichtbare Chromosom ist zwischen 0,2 und 20 µm lang.

Wie ist ein Chromosom organisiert?

Ganz wichtig ist sich von Anfang an klar zu machen, dass es 1-Chromatid-Chromosome (1CC) und 2-Chromatid-Chromosome (2CC) gibt. Der INFORMATIONSGEHALT DER 1CC UND 2CC IST VÖLLIG IDENTISCH! Stellen Sie sich vor, sie kaufen zwei identische Ausgaben der “Erfolg im Biologie-Abitur” Bücher, dann haben Sie doppelt so viele Seiten, aber die Information, die Sie erhalten ist ein und die selbe. Sie haben identische Kopien dieses Buchs vorliegen. In Zeiten von Computern und Software würde Sie das Programm fragen ” do you want to replace?!”. Die Natur ersetzt aber nicht, sondern repliziert, also verdoppelt. Im Anschluss wird das Erbmaterial auf zwei Zellen verteilt!

Sinnvollerweise beginnt man den Zellzyklus in der S-Phase. S steht für Synthese. In diesem Teil des Zellzyklus wird das Erbgut verdoppelt. Vorgelegen haben 1CC, die nun am Ende der S-Phase als 2CC vorliegen werden. Die DNA wurde repliziert, die Informationsmenge bleibt aber dabei gleich!

In der G2-Phase wird nochmals geprüft, ob all das neue DNA-Material auch korrekt verdoppelt wurde. Ist dies der Fall, so kann die Zelle in den eigentlichen Teilungsprozess eintreten.

§   Prophase: das DNA-Material wird kondensiert/verdichtet

§   Metaphase: Die DNA ist im Lichtmikroskop sichtbar. Aufnahmen, die von Chromosomen zu sehen sind, stammen meist aus der Zwiebel (Metaphase). In der Zelle lagern sich die Chromosomenpaare in der Äquatorialebene an, also an der Mittellinie der Zelle. Sie sehen in einer menschlichen Zell 23 Paare in Form eines 2CC!

§   Anaphase: Jeweils ein Chromatid des 2CC wird  zum jeweiligen Pol der Zelle gezogen.

Telophase: Zelle wird abgeschnürt, es liegen zwei Zellen mit 23 Chromosomenpaaren, aber diesmal in 1CC Form vor.

Mitose: Vorgänge während der Mitose zur Bildung neuer Körperzellen. Details siehe Text oben. Bitte beachten Sie: der Chromosomensatz bleibt immer 2n, die Menge der DNA wechselt!

Damit wird nichts von der DNA-Information verloren. Jede der Zellen ist voll funktionsfähig und wächst in ihrer G1-Phase weiter heran (Produziert Proteine, Membran…).

Der Erbgutsatz einer Körperzelle ist 2n, diploid – Vor und nach der Teilung durch Mitose.

Video: Gendiagnose - wichtige Grundlagen

Wie kann die menschliche Erbinformation weitergegeben werden? Welche Probleme können dabei auftauchen. Wofür stehen Meiose und Mitose?
In der Abbildung ist der Ablauf der Mitoseschritte gezeigt. Am Ende der Zellteilung werden zwei Tochterzellen erhalten. Körperzellen teilen sich nach diesem Mechanismus.
In der Abbildung ist der Ablauf der Mitoseschritte gezeigt. Am Ende der Zellteilung werden zwei Tochterzellen erhalten. Körperzellen teilen sich nach diesem Mechanismus.

Merke

Nocheinmal rekapitulieren:
- mitotische Teilung erfolgt immer dann wenn sich Körperzellen teilen.
- DNA-Information bleibt immer diploid!
- was sich ändert ist die Menge an DNA, die wechselt zwischen 1-Chromatid-Chromosomen und 2-Chromatid-Chromosomen (S-Phase) wieder zu 1-Chromatid-Chromosomen (in den jeweiligen Tochterzellen)

Meiose

Die Meiose wird benötigt um die Keimbahnzellen zu erzeugen. Also die Zellen, die zur Fortpflanzung benötigt werden: Eizellen oder Spermien. Hält man sich vor Augen dass das neue Lebewesen zur Hälfte aus der DNA seiner Mutter (Eizelle) und zur anderen Hälfte aus der DNA des Vaters (Spermium) zusammengesetzt wird, würde es wenig Sinn machen, die Keimbahnzellen hätten den diploiden Informationssatz, damit hätte der Nachkomme nämlich den vierfachen!

Damit eine Vervielfachung der DNA-Information nach Verschmelzung von Eizelle und Spermium unterbleibt, wird zuvor reduziert! Meiose steht für die Reduktion der DNA-Information von 2n zu n, damit nach der Verschmelzung  das Lebewesen wieder 2n DNA-Information vorliegen hat.

An welcher Stelle wird nun reduziert?

Wir besitzen 23 homologe Chromosomenpaare. Soll heissen, sie haben jedes Chromosom einmal von der Mutter und einmal vom Vater bekommen, macht 23 homologe Paare.

Wir beginnen also in der Prophase (die nun Prophase 1 heisst :-)) mit 23 mal 2-Chromatid-Chromosomen von der Mutter und 23 mal 2-Chromatid-Chromosomen (2CC) vom Vater. Das Material wird verdichtet, und langsam sichtbar.

In der Metaphase 1 lagern sich nun die homologen 2CC in der Äquatorialebene an. Das ist ein Unterschied zur Meiose!!

In der Anaphase 1 werden die homologen 2CC zu den Polen der Zelle gezogen. Jede Seite hat nun 23 mal 2CC. Dabei ist es rein zufällig welche der 2CC (ob von Mutter oder Vater) in welchem Teil der Zelle landen, wichtig ist dass beide Seiten die Chromosome (alle 2CC) 1 - 23 erhalten.

Telophase 1 ist eine Art Abschnüren der Tochterzellen. Hier findet übrigens die Informationsreduktion statt!! Aus 2n ist nun n geworden. Aus einer Zelle wurden in diesem Moment zwei.

Was nun folgt ist im Prinzip nichts anderes als die Mitose. In der Anaphase 2 werden nun die 2CC auseinandergezogen und 1CC auf die Tochterzellen verteilt.  Also nochmal zwei Zellen werden gebildet! Die Information bleibt gleich, nämlich n!

Aus einer Zelle (2n) werden also 4 Zellen (n) gewonnen! Bei Spermine werden alle 4 gleichwertig behandelt. Die Eizelle teilt etwas ungerecht, indem eine Zelle das gesamte Plasma/die Nährstoffe bekommt, die anderen 3 (Polkörperchen) nur die DNA. Nur die Zelle mit Plasma wird die Eizelle.

Video: Gendiagnose - wichtige Grundlagen

Wie kann die menschliche Erbinformation weitergegeben werden? Welche Probleme können dabei auftauchen. Wofür stehen Meiose und Mitose?
Lückentext
Bitte die Lücken im Text sinnvoll ausfüllen.

Was ist eine Chromosomenanalyse?

Die Chromosomenanalyse stellt eine Untersuchung der Chromosomen dar, wobei Zellen unterschiedlichsten Ursprungs  (Fruchtwasserzellen, Blut, Abortmaterial, Fibroblasten) verwendet werden können. Zur Analyse wird das Zellmaterial (in der Regel sich teilende Zellen in der ) werden die Zellen präpariert und gefärbt um dann unter dem Mikroskop betrachtet zu werden. Die Metaphasenchromosome können in ihrer Anzahl und Struktur analysiert werden, da jedes der 46 menschlichen Chromosomen eine charakteristische Form bzw. Struktur besitzt. Im geordet können Abweichungen in Struktur und Anzahl schnell sichtbar gemacht werden.

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Hinweis:

Bitte füllen Sie alle Lücken im Text aus. Möglicherweise sind mehrere Lösungen für eine Lücke möglich. In diesem Fall tragen Sie bitte nur eine Lösung ein.

Bild von Autor Dr. Martina Henn-Sax

Autor: Dr. Martina Henn-Sax

Dieses Dokument Gendiagnose - wichtige Grundlagen ist Teil eines interaktiven Online-Kurses zum Thema Molekularbiologie Rheinland-Pfalz.

Dr. Martina Henn-Sax verfügt über langjährige Erfahrung auf diesem Themengebiet.

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