Bau und Struktur von Chromosomen

Prof. Dr. Ulrike Spörhase-EichmannPädagogische Hochschule Freiburg

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Lehrziele

Sie sollen …• eine Vorstellung von dem Bau, der Struktur von

Chromosomen während der Interphase und Metaphase gewinnen.

• Riesenchromosomen kennen lernen.• Cytogenetische Methoden kennen lernen.• Abänderungen der Chromosomenzahl und

Chromosomenstruktur kennen lernen

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Bau und Struktur von menschlichen Chromosomen

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Chromosomen des Menschen

• 1956 → richtige Anzahl der Chromomsenbestimmt

• 2n → 46; 44 Autosomen, 2 Gonosomen: XX, XY

• Interphasekern: Euchromatin und Heterochomatin

• Herterochromatische Abschnitte: Y-Chromosom inaktivierte X-Chromosom

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Euchromatin und Heterochromatin

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Heterochromatische X-Chromosomen (Barr-Körperchen)

Heterochromatische X-Chromosomen (Barr-Körperchen). Klinfelter-Patient mit einem Klinfelter-Patient mit einem Y und drei X-Chromosomen. Die beiden überzähligen X-Chromosomen sind als dichte heterochomatische Strukturen im Interphase-Kern sichtbar.

• Jede diploide Zelle hat immer nur ein aktiviertes X-Chromosom

• Inaktivierte X-Chromosomen sind als dunkle Körper im Nucleolus sichtbar.

• Barr-Körperchen kann zur Geschlechtsdiagnose herangezogen werden (Abstrich der Mundschleimhaut)

• Inaktivierung ist ein aktiver Vorgang, der unter Kontrolle von X-Chromosomalen Genen steht.

• Inaktivierung erfolgt reinzufällig und verläuft in jeder embryonalen Zelle unabhängig.

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Inaktivierung des X-Chromosoms und die Schildplatt-Katze

• Schildplatt-Gen → X-chromosom• Schildpatt-Phänotyp → 2 verschiedene Allele (orangefarbenes Fell, nicht-orangefarbenes (schwarzes) Fell.• Normaler Weise besitzen nur Weibchen beide Allele• ♀ heterozygot für Schilpatt-Gen → phänotypisch „schildpattfarben“• X-Chromsom mit aktivem orangefarbenen Fell → orange Flecken• X-Chromsom mit nicht-orangefarbenen Fell aktiv → schwarze Flecken

Campbell & Reece 2004

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Bau und Struktur von Metaphase-

Chromosomen

Chromatiden (2)

sekundäre Einschnürung

Satellit

Zentromer primäre Einschnürung

Mikrotubuli der Spindel

Histone (Proteine)

Nukleosomen (DNA + Histon- komplex) 100 Å dick

genetisches Material (DNA) 20-30 Å dick

Chromatinfibrille

Elementarfibrille des Chromosoms300 Å dick

Chromatin

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Chromatin-Strukturen

(Passarge 2004)

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Nucleosomen unter dem Elektronemikroskop

A Interphasekern, isoliertes Chromatin ca. 30nm dick.

B. Stück Chromatin, das experimentiell nach der Isolierung gestreckt oder „dekondensiert“ wurde, um die Nucleosomen zu zeigen.

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Histon-freies Chromosom im Elektronenmikroskop

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Chromatin-Abschnitt

(Passarge 2004)

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DNA und Histon Nukleosom

(Passarge 2004)

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Die DNA-Doppelhelix

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Komplementäre Basenpaare in der DNA-Doppelhelix

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Komplementäre Basenpaare in der DNA-Doppelhelix

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Exkurs Replikation

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Semikonversative DNA-Replikation

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Meselson-Stahl-Experiment

• Durchgeführt 1958• Untersuchungen an

Bakterien• Bakterien auf

Nährboden mit schweren Stickstoff-Isotop 15N kultiviert, dann auf Nährboden mit 14N überführt.

• Dichte-Gradienten-Zentrifugation erlaubt zwischen 15N und 14N zu unterscheiden

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DNA-Entwindung

Wirkungsweise von DNA-Helikasen

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Repikationsgabel: Einfache Version

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Replikation eukaryotischer Genome

Origin

Viele Origins im Eukaryoten-Genom.a Schema: O = Origin; gestrichelte

Linien = neusyntheisierte DANN.b Autoradiographie von DNA-Fasern:

Nachweis der bidirektionalen Replikation. Zellkulturzellen werden für einige Minuten mit [3H]-Thymidin markiert und zur elektronen-mikroskopischen Darstellung von DNA aufbereitet. Dichte Folgen von Autoradiographie-Körnern an den Replikationsgabeln, wenige Körner in der Nähe der Origins.

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Polytäne (vielsträngige) Riesenchromosomen

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Riesenchromosomen im Kern einer Speicheldrüse von Dipteren

Nucleolus a b c d

a Chironomus-Larve, Trennlinie zwischen homologen Chromosomen nicht sichtbar. b, c Drosophila. b das kleinste Chromosomenpaar (15µm lang). c Chromosomensatz. d Aufbau eines Riesenchomosoms.

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Bau von Riesenchromosomen

Riesenchromosomen …• bestehen aus sehr vielen nebeneinander

liegenden Chromosomen.• Entstehen durch immer neue Replikation ohne

Kern- und Zellteilung.• Zeigen eine charakteristische Bänderung.

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Schematische Darstellung eines Riesenchromosoms

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Drosophila Riesenchromosomen

EM

LM

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Puffbildung bei Dipteren

a b

DNA

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Genetische Information kann auf Riesenchromosomen lichtmikroskopisch lokalisiert werden

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Cytogenetische Arbeitsmethoden

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Cytogenetische Untersuchungsmethoden

• Es kann sich als notwendig erweisen, chromosomale Abweichungen festzustellen.

• Karyogramm• Amniocentese, Analyse von Chorionzotten

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Erstellung eines Karyogramms I

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Erstellung eines Karyogramms II

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Bei der Erstellung eines Karyogramms werden die Chromosomen nach der Form und der Bänderung geordnet.

A A’a) metazentrisch b) submetazentrisch c) akrozentrisch

p

q

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Karyogramm eines Menschen

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Aberrationen (Abänderungen) der Chromosomenzahl oder der

Chromosomenstruktur

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Aberrationen der Chromosomenzahl (Genommutationen)

Meiotisches Nondisjunction

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Trisomie 21

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Vorkommen und Häufigkeiten von

Genommutationen

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Aberrationen der Chromosomenstruktur

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Aberrationen der Chromosomenstruktur

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Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

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Formen der Chromosomen

A A’a) metazentrisch b) submetazentrisch c) akrozentrisch

p

q