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Von allen Chromosomenstörungen sind Anomalien der Chromosomenzahl sind die offensichtlichsten, die man anhand eines Karyogramms erkennen kann. Zu den Störungen der Chromosomenzahl gehören die Verdopplung oder der Verlust ganzer Chromosomen sowie Veränderungen in der Anzahl der vollständigen Chromosomensätze. Sie werden durch Nondisjunktion verursacht, die auftritt, wenn sich Paare homologer Chromosomen oder Schwesterchromatiden während der Meiose nicht trennen. Eine falsch ausgerichtete oder unvollständige Synapse oder eine Funktionsstörung des Spindelapparats, der die Wanderung der Chromosomen erleichtert, kann eine Nondisjunktion verursachen. Das Risiko für das Auftreten einer Nondisjunktion steigt mit dem Alter der Eltern.

Die Nondisjunktion kann entweder während der Meiose I oder II auftreten, wobei die Ergebnisse unterschiedlich sind (Abbildung 1). Wenn sich homologe Chromosomen während der Meiose I nicht trennen, entstehen zwei Gameten, denen das betreffende Chromosom fehlt, und zwei Gameten mit zwei Kopien des Chromosoms. Wenn die Trennung der Schwesterchromatiden während der Meiose II scheitert, ist das Ergebnis eine Gamete, der dieses Chromosom fehlt, zwei normale Gameten mit einer Kopie des Chromosoms und eine Gamete mit zwei Kopien des Chromosoms.

Praxisfrage

Abbildung 1. Nondisjunction tritt auf, wenn sich homologe Chromosomen oder Schwesterchromatiden während der Meiose nicht trennen, was zu einer abnormalen Chromosomenzahl führt. Nondisjunction kann während der Meiose I oder Meiose II auftreten.

Welche der folgenden Aussagen über Nondisjunction ist wahr?

1. Nondisjunction führt nur zu Gameten mit n+1 oder n-1 Chromosomen.
2. Nicht-Disjunktion während der Meiose II führt zu 50 Prozent normalen Gameten.
3. Nicht-Disjunktion während der Meiose I führt zu 50 Prozent normalen Gameten.
4. Nicht-Disjunktion führt immer zu vier verschiedenen Arten von Gameten.

Antwort anzeigen

Antwort b ist richtig.

Aneuploidie

Abbildung 2. Die Inzidenz, einen Fötus mit Trisomie 21 zu haben, steigt dramatisch mit dem mütterlichen Alter an.

Ein Individuum mit der für seine Spezies angemessenen Anzahl von Chromosomen wird euploid genannt; beim Menschen entspricht Euploidie 22 Paaren von Autosomen und einem Paar von Geschlechtschromosomen. Ein Individuum mit einem Fehler in der Chromosomenzahl wird als aneuploid bezeichnet, ein Begriff, der Monosomie (Verlust eines Chromosoms) oder Trisomie (Gewinn eines fremden Chromosoms) einschließt. Monosomische menschliche Zygoten, denen eine Kopie eines Autosoms fehlt, entwickeln sich nicht bis zur Geburt, da ihnen essentielle Gene fehlen. Dies unterstreicht die Bedeutung der „Gendosierung“ beim Menschen. Die meisten autosomalen Trisomien entwickeln sich ebenfalls nicht bis zur Geburt; Duplikationen einiger der kleineren Chromosomen (13, 15, 18, 21 oder 22) können jedoch zu Nachkommen führen, die mehrere Wochen bis viele Jahre überleben. Trisomische Individuen leiden unter einer anderen Art von genetischem Ungleichgewicht: einem Überschuss an Gendosis. Individuen mit einem zusätzlichen Chromosom können einen Überschuss an den Genprodukten synthetisieren, die von diesem Chromosom kodiert werden. Diese Extradosis (150 Prozent) an spezifischen Genen kann zu einer Reihe von funktionellen Herausforderungen führen und schließt oft die Entwicklung aus. Die häufigste Trisomie bei lebensfähigen Geburten ist die des Chromosoms 21, was dem Down-Syndrom entspricht. Individuen mit dieser vererbten Störung sind durch Kleinwuchs und verkümmerte Ziffern, Gesichtsbesonderheiten, die einen breiten Schädel und eine große Zunge einschließen, und erhebliche Entwicklungsverzögerungen gekennzeichnet. Die Häufigkeit des Down-Syndroms korreliert mit dem mütterlichen Alter; ältere Frauen werden eher mit Föten schwanger, die den Genotyp Trisomie 21 tragen (Abbildung 2).

Polyploidie

Abbildung 3. Wie bei vielen polyploiden Pflanzen ist diese triploide orangefarbene Taglilie (Hemerocallis fulva) besonders groß und robust und bildet Blüten mit der dreifachen Anzahl von Blütenblättern ihrer diploiden Gegenstücke aus. (credit: Steve Karg)

Ein Individuum mit mehr als der korrekten Anzahl von Chromosomensätzen (zwei bei diploiden Arten) wird polyploid genannt. Zum Beispiel würde die Befruchtung einer diploiden Eizelle mit einem normalen haploiden Spermium eine triploide Zygote ergeben. Polyploide Tiere sind extrem selten, mit nur wenigen Beispielen unter den Plattwürmern, Krustentieren, Amphibien, Fischen und Eidechsen. Polyploide Tiere sind steril, weil die Meiose nicht normal ablaufen kann und stattdessen meist aneuploide Tochterzellen produziert, die keine lebensfähigen Zygoten hervorbringen können. Selten können sich polyploide Tiere ungeschlechtlich durch Haplodiploidie fortpflanzen, bei der sich ein unbefruchtetes Ei mitotisch teilt, um Nachkommen zu produzieren. Im Gegensatz dazu ist Polyploidie im Pflanzenreich sehr häufig, und polyploide Pflanzen neigen dazu, größer und robuster zu sein als die Euploiden ihrer Art (Abbildung 3).

Sex Chromosome Nondisjunction in Humans

Humans zeigen dramatische schädliche Effekte mit autosomalen Trisomien und Monosomien. Daher mag es kontraintuitiv erscheinen, dass menschliche Frauen und Männer normal funktionieren können, obwohl sie unterschiedliche Zahlen des X-Chromosoms tragen. Anstatt eines Gewinns oder Verlusts von Autosomen sind Variationen in der Anzahl der Geschlechtschromosomen mit relativ milden Auswirkungen verbunden. Dies geschieht zum Teil aufgrund eines molekularen Prozesses, der X-Inaktivierung genannt wird. Früh in der Entwicklung, wenn weibliche Säugetierembryonen nur aus ein paar Tausend Zellen bestehen (im Vergleich zu Billionen bei Neugeborenen), wird ein X-Chromosom in jeder Zelle inaktiviert, indem es sich fest zu einer ruhenden (schlafenden) Struktur, dem so genannten Barr-Körper, zusammenzieht. Die Chance, dass ein X-Chromosom (mütterlicherseits oder väterlicherseits abgeleitet) in jeder Zelle inaktiviert wird, ist zufällig, aber sobald die Inaktivierung stattfindet, haben alle Zellen, die von dieser einen Zelle abgeleitet sind, das gleiche inaktive X-Chromosom oder den gleichen Barr-Körper. Durch diesen Prozess kompensieren die Weibchen ihre doppelte genetische Dosis an X-Chromosomen.

Abbildung 4. Bei Katzen befindet sich das Gen für die Fellfarbe auf dem X-Chromosom. In der Embryonalentwicklung von weiblichen Katzen wird eines der beiden X-Chromosomen in jeder Zelle zufällig inaktiviert, was zu einem Schildpattmuster führt, wenn die Katze zwei verschiedene Allele für die Fellfarbe hat. Männliche Katzen, die nur ein X-Chromosom haben, weisen niemals eine schildpattartige Fellfarbe auf. (credit: Michael Bodega)

Bei sogenannten „Schildpatt“-Katzen wird die embryonale X-Inaktivierung als Farbvariation beobachtet (Abbildung 4). Weibchen, die heterozygot für ein X-gebundenes Fellfarbengen sind, werden eine von zwei verschiedenen Fellfarben über verschiedene Regionen ihres Körpers exprimieren, entsprechend demjenigen X-Chromosom, das im embryonalen Zellvorläufer dieser Region inaktiviert ist.

Ein Individuum, das eine abnormale Anzahl von X-Chromosomen trägt, wird alle bis auf ein X-Chromosom in jeder seiner Zellen inaktivieren. Aber selbst inaktivierte X-Chromosomen exprimieren weiterhin einige Gene, und X-Chromosomen müssen für die richtige Reifung der weiblichen Eierstöcke reaktiviert werden. Infolgedessen sind X-Chromosomen-Anomalien typischerweise mit leichten geistigen und körperlichen Defekten sowie Sterilität verbunden. Fehlt das X-Chromosom ganz, entwickelt sich das Individuum in utero nicht.

Es sind verschiedene Fehler in der Anzahl der Geschlechtschromosomen charakterisiert worden. Individuen mit drei X-Chromosomen, Triplo-X genannt, sind phänotypisch weiblich, zeigen aber Entwicklungsverzögerungen und verminderte Fruchtbarkeit. Der XXY-Genotyp, der einem Typ des Klinefelter-Syndroms entspricht, entspricht phänotypisch männlichen Individuen mit kleinen Hoden, vergrößerten Brüsten und reduzierter Körperbehaarung. Es gibt komplexere Typen des Klinefelter-Syndroms, bei denen das Individuum bis zu fünf X-Chromosomen hat. Bei allen Typen wird jedes X-Chromosom außer einem inaktiviert, um die überschüssige genetische Dosis zu kompensieren. Dies ist als mehrere Barr-Körperchen in jedem Zellkern zu sehen. Das Turner-Syndrom, charakterisiert durch einen X0-Genotyp (d.h. nur ein einziges Geschlechtschromosom), entspricht phänotypisch einem weiblichen Individuum mit Kleinwuchs, Schwimmhäuten im Halsbereich, Hör- und Herzstörungen und Sterilität.

Duplikationen und Deletionen

Neben dem Verlust oder Gewinn eines ganzen Chromosoms kann auch ein Chromosomenabschnitt verdoppelt werden oder verloren gehen. Duplikationen und Deletionen führen oft zu Nachkommen, die zwar überleben, aber körperliche und geistige Anomalien aufweisen. Duplizierte Chromosomensegmente können mit bestehenden Chromosomen fusionieren oder frei im Zellkern liegen. Cri-du-chat (aus dem Französischen für „Schrei der Katze“) ist ein Syndrom, das mit Anomalien des Nervensystems und identifizierbaren körperlichen Merkmalen einhergeht, die aus einer Deletion des größten Teils von 5p (dem kleinen Arm von Chromosom 5) resultieren (Abbildung 5). Säuglinge mit diesem Genotyp stoßen einen charakteristischen hohen Schrei aus, auf dem der Name der Störung beruht.

Abbildung 5. Dieses Individuum mit Cri-du-Chat-Syndrom wird im Alter von zwei, vier, neun und 12 Jahren gezeigt. (credit: Paola Cerruti Mainardi)

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