Das ist der dritte und letzte Teil der Videoreihe zu Mutationen. Während wir uns im ersten Teil mit den Genmutationen und im zweiten Teil mit den Chromosommutationen beschäftigt haben, richten wir heute das Augenmerk auf Genommutationen. Eine Genommutation ist die Veränderung der Anzahl an Chromosomen.
Jede Art hat eine charakteristische Anzahl an Chromosomen in ihren Zellen. Und bei Bei Menschen sind es beispielsweise 46 Chromosomen. Wenn sich jetzt einer fragt, wo der Unterschied zwischen Chromosommutationen und Genommutationen liegt, beide Mutationstypen werden zu den Chromosomen-Apparationen gezählt.
Bei den Chromosomen-Mutationen handelt es sich jedoch um strukturelle Änderungen einzelner Chromosomen, wohingegen bei den Genommutationen, wie eben gesagt, die Anzahl an Chromosomen verändert ist. Deshalb heißen sie auch numerische Chromosomen-Apparationen. Ein Chromosom ist, wie anhand der Abbildung erkennbar, über Proteine, vor allem Histone, verpackt und enthält tausende von DNA-Nukleotiden.
Man kann sich also leicht vorstellen, zu welch umfangreichen Veränderungen des Erdmaterials es bei Genommutationen kommt. Bei Genmutationen sind einzelne DNA-Basen verändert. Beim Verlust eines Chromosoms allerdings, als Beispiel einer Genommutation, fehlt genetische Information in riesigem Umfang. Vor allem aber sind die vielen Gene, die sich auf so einem Chromosom befinden und wichtige Aufgaben haben, zum Beispiel zur Aufrechterhaltung unseres Stoffwechsels beitragen, nicht mehr vorhanden. Und somit verwundert es nicht, dass Genommutationen in der Regel für den Menschen letal, also tödlich, sind.
Es gibt nur ganz wenige Ausnahmen, wie gleich noch deutlich wird. Es lassen sich zwei Arten von Genommutationen unterscheiden, die Polyploidie und die Aneuploidie. Bei der Polyploidie kommt es zu einer Vervielfachung des Chromosomensatzes, wohingegen bei der Aneuploidie einzelne Chromosomen überzählig sind oder fehlen. Wenn wir uns das Kariogramm hier exemplarisch, das von einem Mann, anschauen, erkennen wir die 46 Chromosomen, die allerdings in 23 Chromosomenpaaren vorliegen. Jedes Chromosomenpaar enthält jeweils ein Chromosom der Mutter und eins vom Vater.
Deshalb spricht man auch von einem doppelten bzw. diploiden Chromosomensatz. Für den Fall, dass sowohl Mutter als auch Vater nicht nur ein Chromosom, sondern zwei Kopien der Chromosomen vererben, wäre der Chromosomensatz tetraploid.
Lege also vierfach vor. Hier habe ich das mal angedeutet und zumindest ein paar Chromosomen mit zwei Kopien des Vaters und der Mutter dargestellt. Die Veränderung der Anzahl an Chromosomen ist bei der Polyploidie also gewaltig. Bei einem tetraploiden Menschen würde die doppelte Anzahl an Chromosomen vorliegen.
Diese Art der Genommutation ist für uns Menschen so schwerwiegend, dass sie ausnahmslos letal, also tödlich ist. Bei der Aneuploidie verändert sich die Anzahl an Chromosomen nicht so gravierend, weil sie nur einzelne Chromosomen betrifft. Durch ein zusätzlich vorhandenes Chromosom 21 würde der Mensch beispielsweise 47 anstatt 46 Chromosomen besitzen.
Wie aber kommt es zu diesen Arten der Genommutation? Beide Arten sind Konsequenzen von Fehlern bei der Meiose, die das Ziel hat, Gameten bzw. Geschlechtszellen mit einem haploiden, einfachen Chromosom-Satz zu bilden.
Klar, denn bei der Verschmelzung von einer der entstehenden Geschlechtszellen, z.B. einer Eizelle, mit einer anderen haploiden Spermienzelle, kann so wieder der ursprüngliche diploide Chromosomensatz wiederhergestellt werden. Durch eine fehlerhafte Meiose zum Beispiel, weil keine Spindelfasern gebildet werden, die die zwei genetisch identischen Schwesterchromatiden voneinander trennen, können die Gameten diploid bleiben.
Sollten zwei diploide Gameten miteinander verschmelzen, bilden sie ein tetraploides Individuum. Ein tetraploider Organismus besitzt dann vier Kopien jedes Chromosoms anstatt zwei wie bei uns üblich. Das Auftreten dieser Art der Genommutation ist bei uns Menschen jedoch äußerst unwahrscheinlich, denn es setzt ja voraus, dass es sowohl beim Mann als auch bei der Frau zu einer fehlerhaften Meiose kommt, die zu diploiden Geschlechtszellen führt. Bei den höheren Pflanzen tritt Polyploidie relativ häufig auf.
Weil polyploide Pflanzen zudem in der Landwirtschaft ertragssteigernd sind, zum Beispiel weil sie große Früchte hervorbringen, werden sie häufig in der Pflanzenzucht verwendet. Aber auch bei der Artbildung kommt der Polyploidie eine besondere Rolle zu, die an dieser Stelle jedoch nicht vertiefen. werden soll.
Sowohl durch die Vervielfachung des Chromosomensatzes ändert sich die Anzahl an Chromosomen, aber auch durch Aneuploidie, bei der einzelne Chromosomen überzählig sind oder fehlen. Es gibt zahlreiche verschiedene Ursachen für eine Aneuploidie. Eine relativ häufige Ursache ist die sogenannte Non-Disjunction, die wir uns kurz genauer anschauen.
Betrachten wir uns zu Beginn der Meiose exemplarisch ein paar homologer Chromosomen, und zwar das Chromosom 21. Eigentlich gibt es in der Zelle ja noch 22 weitere Paare. Je nachdem, in welcher Phase des Zellzyklus Sie sich befinden, liegen Sie entweder als 1-Chromatid-Chromosom vor oder als 2-Chromatid-Chromosom. Die 2-Chromatid-Chromosomen bestehen aus jeweils zwei genetisch identischen Schwesterchromatiden. Sie sind genetisch identisch, weil die 1-Chromatid-Chromosomen sich bei der Replikation verdoppelt haben. Wenn in der ersten Phase der Majose in der Anna-Phase, in der homologe Chromosomen eigentlich voneinander getrennt werden, und zwar in entgegengesetzte Pole, diese zum selben Polwandern spricht man von einer Non-Disjunction.
Die erste Phase wird auch Reduktionsteilung genannt, weil der diploide Chromosomensatz zu einem einfachen reduziert wird. Hier allerdings bleibt der Chromosomensatz diploid. Die zweite Phase der Meiose dient unter anderem dazu, die genetisch identischen zwei Chromatidchromosomen voneinander zu trennen.
Dies geschieht zwar, aber ähnlich wie man in Mathe Rechenfehler einbaut und sich daraus Folgefehler ergeben, schließt sich dem Fehler in der Meiose konsekutiv eine fehlerhafte Anzahl an Chromosomen an. In der Tochterzelle befindet sich jeweils ein zusätzliches Chromosom. Nehmen wir mal an, dass es sich dabei um zwei Eizellen handelt.
Die Konsequenz ist, dass bei der Verschmelzung einer Spermienzelle und dieser hat mit allerhöchster Wahrscheinlichkeit einen haploiden Chromosomensatz, mit der Eizelle die entstehende Zygote drei Kopien des Chromosoms enthält. Es entsteht eine Trisomie. Wenn bei der Zellteilung eine Zelle beide Kopien von Chromosom 21 erhält, erhält die andere Zelle im Umkehrschluss keine Kopie.
Hier fehlt das Chromosom also. Wenn die Eizellen mit einer Spermienzelle mit haploiden Chromosomensatz zu einer Zygote verschmelzen, besitzt die Zelle also nur eine Kopie von Chromosom 21. Ein Vorgang, den man auch als Monosomie bezeichnet. Während eine Monosomie letal für den Organismus ist, sind Organismen mit einer Trisomie auf dem 21. Chromosom lebensfähig.
Sie zeigen Symptome des Down-Syndroms. Darunter eingeschränkte Intelligenz, Fehlbildung an den Händen, der Zunge und den Augenlidern, eine höhere Anfälligkeit für Herzanomalien und noch weitere Symptome. Warum habe ich euch das Beispiel der Trisomie exemplarisch mit dem 21. Chromosom dargestellt?
Erstens wird vielen von euch die Trisomie 21 geläufig sein. Zweitens handelt es sich bei der Trisomie 21 um eine lebensfähige Ausnahme einer Trisomie. Zwar treten Trisomien und die entsprechenden Monosomien mit 10-30% erstaunlich häufig auf, allerdings sterben die meisten Embryonen noch während der Schwangerschaft.
Und selbst wenn sie diese überleben, und das kann der Fall sein bei der Trisomie 13 oder 18, kommen sie mit schwersten Missbildungen zur Welt und haben meist nur eine Lebenserwartung von wenigen Monaten. Aber warum verläuft ausgerechnet eine Trisomie auf dem Chromosom 21 nicht letal und alle anderen Trisomien schon? Auf Schluss darüber gibt eine Betrachtung des Kariogramms.
Es gehört zu den kleinsten Chromosomenpaaren des Menschen. Lediglich etwas mehr als 1% der Erbinformation ist auf diesem Chromosom lokalisiert. Trisomie 21 ist wohl das bekannteste Beispiel von Genommutationen, die die Autosomen, also die Nichtgeschlechtschromosomen, betreffen.
Neben den 44 Autosomen besitzt jeder Mensch zwei Geschlechtschromosomen, die sogenannten Gonosomen. Eine Frau besitzt zwei X-Chromosomen, ein Mann hingegen ein X- und ein Y-Chromosom. Es gibt vielfältige Varianten einer Non-Disjunction zu verschiedenen Zeitpunkten der Meiose, wobei es zu ganz unterschiedlichen Auswirkungen kommt.
Darauf jetzt näher einzugehen, wäre an dieser Stelle deutlich zu viel. Ich möchte lediglich ganz kurz auf drei Formen eingehen. Beim sogenannten Turner-Syndrom verfügt die Frau über nur ein X-Chromosom. Das handelt sich also um eine Monosomie. Hier liegt übrigens die absolute Ausnahme, bei der man trotz einer Monosomie lebensfähig ist.
Betroffene Frauen sind mit Ausnahme ihres Kleinwuchses phänotypisch, also vom äußeren Erscheinungsbild, in der Regel kaum auffällig. Eine weitere Form der gonosomalen Genommutation, bei der Männer ein zusätzliches X-Chromosom besitzen, ist das Klinfelter-Syndrom. Bis auf eine Hodenunterfunktion gibt es kaum spezifische Symptome. Manchmal verläuft das Krankheitsbild auch komplett asymptomatisch. Lediglich bei jedem vierten Betroffenen wird die Genommutation diagnostiziert, was ebenfalls für die Unspezifität spricht.
Sollte bei Männern das Y-Chromosom durch eine fehlerhafte Majose doppelt vorliegen, spricht man von Diplo-Y-Männern. Auch diese Form der Genommutation hat keine klinische Relevanz. Betroffene haben eine normale Lebenserwartung und Symptome wie zum Beispiel eine erhöhte durchschnittliche Körpergröße können, müssen aber nicht aufbrechen. Im Gegensatz zu den anderen beiden Genommutationen sind Diplo-Y-Männern fertil. Sie sind fruchtbar.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass es sich bei den Genommutationen um die Veränderung der Anzahl an Chromosomen handelt. Entweder sind einzelne Chromosomen überschüssig vorhanden oder fehlen, wie bei der Aneuploidie, oder es kommt zu einer Vervielfachung des Chromosomensatzes, wie bei der Polyploidie. Beide Formen werden durch Fehler in der Meiose hervorgerufen.
Polyploidie wirkt bei Menschen immer letal, Aneuploidie nicht. dann nicht, wenn das 21. Chromosom betroffen ist oder wenn es sich um eine veränderte Anzahl an Geschlechtschromosomen handelt. Wobei eine Monosomie nur eine Frau überleben kann, weil sie neben dem verlorengegangenen X-Chromosom noch eins besitzt.
Alle anderen Monosomien, beispielsweise bei einem Mann, dem das X-Chromosom fehlt, sind letal. Zum Schluss ist noch anzumerken, dass das Video natürlich nicht alles abgeblendet ist. Man hätte bei einer Non-Dysjunction mehr ins Detail gehen können, wenn man sich die Trisomie 21 genauer unter die Lupe genommen hätte. Wären andere Aspekte wichtig geworden, wie zum Beispiel die Tatsache, dass auch Chromosom-Mutationen zu einer Form der Trisomie 21 führen können?