Wie viele chromosomen gleichen sich in form und größe

Die Geschlechtszellen, also die Ei- und Samenzellen, bilden eine Ausnahme: Sie besitzen nur einen einfachen Chromosomensatz. Verschmelzen beide während der Befruchtung, entsteht wieder ein vollständiger Chromosomensatz, der die Erbinformationen von Vater und Mutter vereint. Damit diese Zellen mit den 23 statt 46 Chromosomen entstehen können, teilt sich die Zelle zunächst auf eine nur für die Geschlechtszellen typische Art und Weise: per Meiose.

Inhaltsverzeichnis Show

Die mitotische Spindel
Kinetochoren verbinden Chromosomen mit Mikrotubuli
Kinetochore und die Zellzyklus-Kontrollpunkte
Wie viele Chromosomen gleichen sich?
Welche Formen können Chromosomen haben?
Warum sind Chromosomen unterschiedlich groß?
Wie groß ist ein Chromosom?

In der ersten Phase lagern sich je ein von der Mutter und vom Vater geerbtes Chromosom in den Vorläufern der Keimzellen paarweise zusammen. Dann werden die gleichartigen Kopien der Chromosomenpaare voneinander getrennt und ehemals mütterliche und väterliche Erbanlagen zufällig vermischt. Dabei können die Chromosomen eines Paares gelegentlich auch untereinander DNA-Stücke austauschen. Dieser Crossover genannte Prozess führt zu zusätzlicher genetischer Vielfalt.

In der zweiten Phase werden die beiden Chromatiden, also die „Arme“ jedes Chromosoms, voneinander getrennt. Danach teilen sich die Zellen, und es entstehen vier Geschlechtszellen, die jeweils ein Chromatid jedes Typs haben, also halbe Chromosomensätze beinhalten. Beim Verschmelzen von Ei- und Samenzelle schließlich entsteht dann wieder eine Zelle mit dem kompletten Satz von 46 Chromosomen.

Chromosomen sind Träger des Erbguts eines Individuums. Das heißt, dort liegen Informationen über ein Lebewesen. Das kann zum Beispiel das Aussehen einer Person sein, die Veranlagung für bestimmte Talente oder ein Risiko für gewisse Erkrankungen.

Jede Zelle hat eine festgelegte Funktion, für die sie bestimmte Erbinformationen braucht. Diese Erbinformationen sind in der jeweiligen Zelle aktiv. Die restlichen Gene sind in dieser Zelle dann inaktiv.

Wenn die DNA im Zellkern als ein langer Strang existieren würde, wäre das chaotisch.
Damit Ordnung entsteht, wird die DNA zu Chromatinfäden verdichtet. Für die Zellteilung ist diese Form der Chromatinfäden aber zu kompliziert. Deswegen werden sie zu einem dicken Strang, einem Chromosom, zusammengefasst.

Dank dieses Prozesses wird die Zellteilung einfacher und innerhalb der Mitose und Meiose können keine Spindelfäden durcheinander geraten.

Ein gesunder Mensch hat in der Regel 46 Ein-Chromatid-Chromosomen.
23 dieser Chromosomen werden von der Mutter vererbt, die andere Hälfte vom Vater.
44 von diesen insgesamt 46 Chromosomen heißen Autosomen.
Dazu gibt es in einem menschlichen Körper noch zwei Geschlechtschromosomen. Diese Geschlechtschromosomen nennt man Gonosomen.

Wenn die Anzahl der Chromosomen oder die Struktur der Chromosomen davon abweicht, kann es zu Genommutationen oder Erkrankungen kommen.

Mitose und Meiose sind entscheidende Stadien im Zyklus eukaryotischer Zellen. In der Mitose werden die verdoppelten Chromosomen einer Mutterzelle gleichmäßig voneinander getrennt, um zwei Tochterzellen mit voller genetischer, komplementärer Ausstattung bilden zu können. Andererseits werden während der Meiose die verdoppelten Chromosomen durch Reduktion so geteilt, dass die homologen mütterlichen und väterlichen Chromosomenen zufällig auf die Keimzellen (Gameten) verteilt werden.

Abb. 1: Chromosomale Abnormalitäten in Tumoren. Der Karyotyp (Chromosomeneigenschaften) von Zelllinien des Dickdarmkrebses ist hochgradig variabel. In dieser Abbildung zeigen die Zelllinien mit unstabilen Mikrosatelliten (obere Reihe) einen fast normalen Karyotyp (mit zwei Kopien jedes Chromosoms; aber beachten Sie die häufigen Translokationen chromosomaler Segmente, dargestellt als vielfarbige Chromosomen!). Die Zelllinien mit stabilen Mikrosatelliten hingegen weisen dramatische Ungleichgewichte in der Chromosomenzahl auf. Diese Aneuploidie ist möglicherweise die häufigste genetische Abnormalität in Krebszellen.

Aus molekularer Sicht sind Mitose und Meiose ähnliche, erstaunlich komplexe Prozesse. Als Mikrotubuli bekannte polymere Strukturen spielen in Mitose und Meiose eine zentrale Rolle. Mikrotubuli sind dynamische Biomoleküle, die durch Polymerisation eines Bausteins namens Tubulin entstehen. Sie interagieren mit einer reichen Palette verschiedener Proteine, wozu auch molekulare Maschinen (Motoren) gehören, die bereitgestellte Energie für den intrazellulären Transport verschiedenster Lasten nutzen und die Mikrotubuli als „Schienen“ verwenden.

Mitose und Meiose haben weitreichende Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit. Die Aneuploidie (die Anwesenheit eines überzähligen Chromosoms) ist in Tumoren eine viel zu häufige Abnormalität (Abb. 1). Man nimmt an, dass Aneuploidie eine Folge von Irrtümern während der Mitose ist. Es ist deshalb wichtig, die Ursache solcher Fehler zu verstehen und die Mechanismen zu untersuchen, die normale Zellen vor dem Auftreten dieser Fehler schützen. Die Probleme, die während der Meiose auftreten können, führen zu anderen Arten genetischer Abnormalität, so wie beispielsweise die Existenz einer zusätzlichen Kopie des Chromosoms 21 zum Down-Syndrom führt.

Die mitotische Spindel

In der Mitose und Meiose organisieren sich Nanometer-große Tubuline und ihre Bindungspartner selbst in eine als Spindel bezeichnete Struktur, die eine Größe von mehreren Mikrometern erreicht. Die Hauptfunktion der Spindel ist das Einfangen der Chromosomen und deren akkurate Aufreihung am Äquator der Zelle in der sogenannten Metaphasenplatte. Dieses Einfangen beginnt in der Prometaphase und schreitet fort, bis alle Chromosomen in der Metaphasenplatte angeordnet sind. Nach der Metaphase wandern die Chromosomen zu entgegengesetzten Polen der Zelle, ein Ereignis, das als Anaphase bezeichnet wird.

Bei der Mitose ist es von grundlegender Bedeutung zu verstehen, dass das Ziel dieses Prozesses die Trennung der replizierten Chromosomen ist. Nach der DNA-Replikation bestehen die Chromosomen aus je zwei identischen miteinander „verleimten“ Kopien desselben Chromosoms. Diese „verleimten“ Chromosomen werden als Schwesterchromatiden bezeichnet. Ein Cohesin genannter Proteinkomplex übt die anziehenden Kräfte aus, die die Schwesterchromatiden zusammenhalten. Die Schwesterchromatiden in jedem Paar verbinden sich mit Mikrotubuli, die an entgegengesetzten Polen der mitotischen Spindel entstehen, ein Vorgang, der Biorientierung genannt wird. Beim Übergang von der Meta- zur Anaphase verlieren die Schwesterchromatiden ihre Bindung, wenn der Cohesin-Komplex durch eine molekulare Schere (eine Protease namens Separase) gespalten wird, was den getrennten Schwestern die Wanderung zu den entgegengesetzten Zellpolen erlaubt. Dieser nur vordergründig einfache Trick gestattet Zellen, Chromosomen von genau der gleichen Zahl und gleichem Typ zu vererben. Die Grundlagen dieses Prozesses wiederum sind ziemlich komplex und noch kaum verstanden.

Kinetochoren verbinden Chromosomen mit Mikrotubuli

Wie Mikrotubuli Schwesternchromatide einfangen und eine stabile Bindung mit ihnen eingehen, wird gegenwärtig intensiv untersucht. Als Kinetochoren bezeichnete Proteingerüste spielen dabei eine wichtige Rolle [1].

Kinetochoren bilden sich an spezialisierten Regionen des Chromosoms, die als Zentromere bezeichnet werden, weil sie im Allgemeinen in der Mitte des Chromosoms liegen. Wie andere Regionen des Chromosoms enthält das Zentromer genetisches Material, die DNA. In den Chromosomen ist die DNA mit Histonen in sog. Nukleosomen organisiert, als molekulare „Perlen“, um die sich die DNA aufgrund komplexer molekularer Interaktionen dicht wickelt. An Zentromeren ist eines der “Perlenproteine”, Histone 3 (H3), durch einen molekularen Bruder namens CENP-A ersetzt. CENP-A markiert das Zentromer und ist letztendlich verantwortlich für den Zusammenbau des Kinetochors.

Abb. 2: Schematische Übersicht des Kinetochors. Linker Bildteil: Kinetochore binden Mikrotubuli (hier als rote Linien dargestellt) und bilden für diese eine Brücke zu den Chromosomen. Schwesterchromatiden werden durch Kohäsion (blaue Punkte) an ihren Zentromeren zusammengehalten. Rechter Bildteil: Detaillierte Ansicht der molekularen Zusammensetzung eines Kinetochors. Das KMN-Netzwerk (Knl1-, Mis12-, Ndc80-Komplexe, mit -C bezeichnet) bildet Verknüpfungen mit den CCAN-Untereinheiten CENP-C, CENP-T und CENP-W (mit C, T und W bezeichnet). Diese wiederum interagieren mit zentromerischen Nukleosomen, die CENP-A (CA) und Histon H3 (H3) enthalten.

Mit über 100 verschiedenen Proteinen, jedes davon in vielfachen Kopien, stellen Kinetochore außerordentliche Komplexe dar. In Kinetochoren wiederum stellt das KMN-Netzwerk, ein Bauelement aus zehn Proteinen, die Kernbindestelle für die Mikrotubuli dar (KMN steht für die Anfangsbuchstaben von drei Unterkomplexen, Knl1, Mis12 und Ndc80) (Abb. 2), [2-4]. Innerhalb des KMN-Netzwerks enthält der Ndc80-Komplex eine Mikrotubulus-Bindestelle, die unabdingbar für die Trennung der Chromosomen ist. Ausführliche strukturelle und funktionelle Analysen haben zu einem fortgeschrittenen Verständnis der molekularen Mechanismen der Mikrotubulus-Bindung durch den Ndc80-Komplex sowie seiner Regulation geführt.

Kürzlich ist auch die Schnittstelle zwischen dem KMN-Netzwerk und den Chromosomen, die von einem makromolekularen Komplex namens CCAN (constitutive centromere associated network) bereitgestellt wird, in das Zentrum intensiver Untersuchungen gerückt [5].

Kinetochore und die Zellzyklus-Kontrollpunkte

Ein erstaunlicher Aspekt von Kinetochoren ist ihre Eigenschaft, die Mikrotubulus-Bindung mit der Bildung von Rückkopplungsmechanismen zu koordinieren, die einerseits das Weiterlaufen des Zellzyklus und andererseits die Genauigkeit beim Anheften des Kinetochors an den Mikrotubulus kontrollieren. Solche Rückkopplungsmechanismen sind bekannt unter der Bezeichnung “Kontrollpunkt des „Spindelzusammenbaus“ bzw. „Fehlerkorrektur“. Ihre Wichtigkeit ist einfach zu erklären: Die Ausschaltung der Fehlerkorrektur und der Kontrollpunkte führt zu Fehlern bei der Chromosomentrennung, wodurch Tochterzellen eine falsche Zahl von Chromosomen erben.

Der Spindel-Kontrollpunkt misst die Besetzung der Kinetochoren mit Mikrotubuli oder das Fehlen davon [6-9]. Es besteht Grund zur Annahme, dass die Fehlerkorrektur wiederum die Zugkräfte der Spindel an den Kinetochoren überwacht. Verbindungen des Kinetochors mit Mikrotubuli, die keine Spannung erzeugen, aktivieren einen Weg zur Korrektur, der schließlich die fehlerhaft gebundenen Mikrotubuli entfernt, damit den Fehler beseitigt und die Bildung neuer exakter Anheftungen fördert.

Santaguida, S.; Musacchio, A.

The life and miracles of kinetochores

EMBO Journal 28, 2511-2531 (2009)

Ciferri, C.; Pasqualato, S.; Screpanti, E.; Varetti, G.; Santaguida, S.; Dos Reis, G;, Maiolica, A.; Polka, J.; De Luca, J. G.; De Wulf, P.; Salek, M.; Rappsilber, J.; Moores, C. A.; Salmon, E. D.; Musacchio, A.

Implications for kinetochore-microtubule attachment from the structure of an engineered Ndc80 complex

Cell 133, 427-439 (2008)

Petrovic, A.; Pasqualato, S.; Dube, P.; Krenn, V.; Santaguida, S.;, Cittaro, D.; Monzani, S.; Massimiliano, L.; Keller, J.; Tarricone, A.; Maiolica, A.; Stark, H.; Musacchio, A.

The MIS12 complex is a protein interaction hub for outer kinetochore assembly

Journal of Cell Biology 190, 835-852 (2010)

Source

Alushin, G. M.; Ramey, V. H.; Pasqualato, S.; Ball, D. A.; Grigorieff, N.; Musacchio, A.; Nogales, E.

The Ndc80 kinetochore complex forms oligomeric arrays along microtubules

Nature 467, 805-810 (2010)

Source

Screpanti, E.; De Antoni, A.; Alushin, G. M.; Petrovic, A.; Melis, T.; Nogales, E.; Musacchio, A.

Direct binding of Cenp-C to the Mis12 complex joins the inner and outer kinetochore

Current Biology 21, 391-298 (2011)

Mapelli, M.; Massimiliano, L.; Santaguida, S.; Musacchio, A.

The Mad2 Conformational Dimer: Structure and Implications for the Spindle Assembly Checkpoint

Cell 131, 730-743 (2007)

Villa, F.; Capasso, P.; Tortorici, M.; Forneris, M.; De Marco, A.; Mattevi, A.; Musacchio, A.

Crystal structure of the catalytic domain of Haspin, an atypical kinase implicated in chromatin organization

Proceedings of the National Academy of Sciences USA 106, 20204-20209 (2009)

Santaguida, S.; Tighe, A.; D'Alise, A. M.; Taylor, S. S.; Musacchio, A.

Dissecting the role of MPS1 in chromosome biorientation and the spindle checkpoint through the small molecule inhibitor reversine

Journal of Cell Biology 190, 73-87 (2010)

Santaguida, S.; Vernieri, C.; Villa, F.; Ciliberto, A.; Musacchio, A.

Evidence that Aurora B is implicated in spindle checkpoint signalling independently of error correction

Wie viele Chromosomen gleichen sich?

Du hast im Kern jeder deiner Körperzellen 46 Chromosomen. Schaut man sich diese 46 Chromosomen genauer an, so fällt auf, dass je zwei gleich aussehen. Darum spricht man statt von 46 Chromosomen auch von 23 Chromosomen-Paaren.

Welche Formen können Chromosomen haben?

Je nach Lage des Centromers spricht man von metazentrischen Chromosomen (Centromer in der Mitte), akrozentrischen Chromosomen (Centromer am Ende, der kürzere Arm sehr klein; beim Menschen die Chromosomen 13, 14, 15, 21, 22 und das Y-Chromosom) oder submetazentrischen Chromosomen (Centromer zwischen Mitte und Ende).

Warum sind Chromosomen unterschiedlich groß?

Über Generationen hinweg kann sich im Laufe der Evolution so die Genomgröße, die Chromosomenzahl und auch die Anzahl der Gene verändern. Überraschenderweise konnte allerdings kein Zusammenhang zwischen der Größe eines Genoms, der Anzahl seiner Chromosomen und der darin enthaltenen Gene beobachtet werden.

Wie groß ist ein Chromosom?

Chromosomen während der Kernteilung haben jedoch nur eine Länge von einigen Mikrometern (Millionstel Metern). Sie sind demnach um einen Faktor von etwa 10000 verkürzt oder „kondensiert“.