Inhalt I. Einleitung

Versuchsprotokoll V 5:
Erstellung von Karyogrammen
Inhalt
I.
Einleitung
II. Material und Methoden
III. Ergebnisse
IV. Diskussion
V.
Anhang, Literatur
I. Einleitung
Versuch 5 behandelte das Thema Karyogramme. Ein Karyogramm ist eine systematische
Einteilung bildlich festgehaltener Chromosomen nach bestimmten Kriterien. Es dient dazu,
mögliche Mutationen einzelner Chromosmen oder des Genoms zu erkennen und findet zum
Beispiel Anwendung in der prä- und postnatalen Diagnostik, sowie in der Tumorzytogenetik.
[Belge,2010] Um eine Einteilung zu erleichtern, kann auf verschiedene Färbemethoden
zurückgegriffen werden.
Krankheiten oder Fehlbildungen in Geweben können auf Veränderungen im Genom zurückzuführen
sein. Um die Ursache für Symptome festzustellen wird in der Cytogenetik auf die Erstellung von
Karyogrammen zurückgegriffen. Dazu werden aus Blut- oder Fruchtwasserproben entnommene,
vorzugsweise in der Metaphase der Mitose befindliche, Chromosomen nach Länge, Lage des
Centromers und Bänderung in Gruppen eingeteilt. Beim Menschen werden die 23
Chromosmenpaare in die Gruppen A bis G eingeteilt. Die zwei als Gonosomen bezeichneten
Geschlechtschromosomen nehmen dabei gegenüber den 44 Autosomen eine Sonderstellung ein.
Das X-Chromosom gehört formal zur Gruppe C, das Y-Chromosom zur Gruppe G. Hier kann also
je nach Geschlecht eine Aufteilung des Pärchens stattfinden.Die Länge der Chromosomen ist mit
zunehmender Gruppe abnehmend.
Hinsichtlich der Lage der Centromere kann zwischen vier verschiedenen Typen unterschieden
werden: Metazentrisch, submetazentrisch und akrozentrisch. Als Grundlage für diese
Klassifizierungen fungiert der Centromer-Index. Dieser stellt das Längenverhältnis des kürzeren pArms zum längeren q-Arm dar und errechnet sich aus folgender Formel: (p/(p+q))9 • 100 Als letztes
Kriterium für die Einteilung dient die charakteristische Bänderung der Chromosomen. Zu beachten
ist hierbei, dass stärker kondensierte Chromosomen weniger Banden zeigen, als weniger stark
kondensierte. Üblich ist es, die p-Arme in einem Karyogramm nach oben zeigen zu lassen.
Als Färbemethode wird meistens auf das sogenannte G-Banding zurückgegriffen. In Folge der
Behandlung mit Trypsin und der anschließenden Giemsa-Färbung erhält man das typische
Bandenmuster. Trypsin ist eine Protease, die die Proteine aus der DNA entfernt. Da einige Bereiche
früher repliziert werden als andere, liegen sie in weniger dicht gepackter Form vor und erleichtern
es dem Enzym, die Proteine zu entfernen. Die Giemsa-Färbelösung bindet an DNA und Proteine.
Eine Behandlung mit Trypsin (Verdauungsenzym) löst und zerstört Proteinstrukturen, die sich an
der DNA befinden.Aufgrund der unterschiedlichen Konzentrationen von Proteinen in den
verschiedenen DNA Bereichen,entstehen neben der verschiedenen Packungsdichte, durch die
„Lücken“ der entfernten Proteine durch Trypsin die sichtbaren Bandenmuster. [Munk, 2010]
helle G-Banden
dunkle G-Banden
früh replizierend
spät replizierend
reich an transkribierten Genen
arm an transkribierten Genen
reich an konstitutiv exprimierten Genen und
vielen gewebsspezifischen Genen
meist gewebsspezifische Gene
GC-reich
AT-reich
entsprechen den Interchromomeren
entsprechen den Chromomeren
Tabelle 1: Klassifizierung der Bandenformen [übernommen aus Munk, 2010]
Nachdem nun also die Chromosomen in das Karyogramm eingeteilt wurden, lässt sich eine
Karyotypformel erstellen. Diese sieht für gewöhnlich beim Menschen so aus: 46,XX oder 46,XY.
Die Zahl vor dem Komma gibt Auskunft über die Gesamtzahl der Chromosomen. Hinter dem
Komma ist die Kombination der Gonosomen angegeben. Die männliche Karyotypformel hat hier
ein XY, die weibliche ein XX.
Aber auch hier gibt es Variationen mit diversen Konsequenzen. Nachfolgend eine Tabelle mit
einigen Variationen in der Gonosomen Anzahl und/ oder Kombination. Eine verminderte
Chromosomenanzahl wird als Hypoploidie, eine erhöhte als Hyperploidie bezeichnet. Liegen zwei
oder mehrere identische Gonosomen vor, so spricht man von Homomorphie. Ist dies nicht der Fall,
so von Heteromorphie. [Munk, 2010]
Gonosomenanzahl X
Konsequenz
XX
XXX- XXXXX
Turner-Syndrom Normaler weiblicher Chromosomensatz unauffällig
Tabelle 2: Abweichungen in der Anzahl der Geschlechtschromosomen bei einer Frau [nach Belge, 2010]
Gonosomenanzahl
Y/YY XY
XYY
XXYXXXXY
Konsequenz
Letal Normaler
Männlich Klinefeltermännlicher
Syndrom
Chromosomensatz
XXYY/XXXYY/XXXXY
Y
Klinefelter-Syndrom
Tabelle 3: Abweichung in der Anzahl der Geschlechtschromosomen bei einem Mann und deren Konsequenzen [nach
Belge, 2010]
Das Turner-Syndrom zeichnet sich durch ein fehlendes X-Chromosom aus. Phänotypisch äußert
sich dies in Form von Minderwuchs, sowie der Ausbildung funktionsloser Ovarien. Die
Karyotypformel ist 45,X0. [Munk, 2010]
Im Gegensatz zum weiblichen Karyotyp ist ein fehlendes X-Chromosom bzw. ein überzähliges YChromosom im männlichen Karyotyp tödlich. [Belge, 2010]
Das Klinefelter-Syndrom äußert sich in auffälligem Hochwuchs und der reduzierten Ausbildung
sekundärer Geschlechtsmerkmale.
Das Vorhandensein von zu vielen Y-Chromosomen bei Männern, sowie zu vielen X-Chromosomen
bei Frauen hat normalerweise keine Auswirkungen. [Munk, 2010]
Neben den Mutationen in der Gonosomenzusammensetzung kann es auch zu Veränderungen in der
Anzahl der Autosomen kommen. Das bekannteste Beispiel hierfür ist Trisomie 21, bzw. das DownSyndrom. Bei dieser Anomalie liegt das 21. Chromosom in dreifacher Ausführung vor. Folglich ist
die Karyotypformel: 47,XX +21. Ursache hierfür kann beispielsweise eine non-disjunction während
der ersten Reifeteilung der Meiose sein, oder eine Nichttrennung der Chromatiden während der
zweiten Teilung. Phänotypische Auswirkungen sind neben den äußerlich sichtbaren Anzeichen, wie
zum Beispiel der Form der Augen oder der Vierfingerfurche, eine ungewöhnliche Ausprägung
kognitiver Eigenschaften.Durch das dreifache Auftreten des Chromosoms ist nur eine
symptomatische Behandlung möglich, das Beseitigen der Folgen dieses Defekts ist bis heute nicht
möglich. [www.wikipedia.org]
Neben Mutationen die ganze Chromosomen betreffen kann es auch zu Veränderungen innerhalb
einzelner Chromosomen kommen. Mögliche Formen sind Deletionen einzelner Basen, Insertionen,
Duplikationen, Inversionen oder Translokationen. Hier soll jetzt nur auf die letztgenannte weiter
eingegangen werden, da diese für den Versuch am wichtigsten ist. Translokation beschreibt eine
Versetzung eines Abschnittes von einem Chromosom auf ein anderes. Dies kann sowohl innerhalb
eines homologen Chromosomen Paares, als auch außerhalb dessen passieren. Von einer reziproken
Translokation spricht man, wenn ein gegenseitiger Austausch zwischen zwei Chromosomen
stattfindet. Um eine genaue Angabe der Mutationen machen zu können, wird eine andere Art der
Karyotypformel angewandt. Diese sieht wie folgt aus: „ChromosomArmRegionBand“ Ein Beispiel
für eine solche Ortsangabe könnte sein: 7q33= Chromosom7, langer q-Arm, Region 3, Band 3
[Munk, 2010]. Allerdings bezieht sich diese nur auf eine Mutation innerhalb eines einzelnen
Chromosoms. Um eine Translokationsangabe zu machen, wird die Formel etwas erweitert. Ein
Beispiel für ein Lipom: 46,XX,t(3;12)(q28;q14). Es liegt also ein normaler Chromosomensatz vor,
mit der Besonderheit, dass Bande q28 des Chromosoms 3 den Platz mit Bande q14 von Nummer 12
getauscht hat. Im Falle eines Lipoms, also eines gutartigen Fetttumors, ist das nicht weiter tragisch,
da diese höchstens ein kosmetisches Problem darstellen. Allerdings könnte eine solche
Translokation zwischen anderen Chromosomen auch Leukämien oder andere Krebsarten
verursachen. Im Karyogramm ist eine solche Mutation anhand der veränderten Längen von
Chromatiden zu erkennen wenn ein großes Stück gegen ein kleines ausgetauscht wurde.
An diesem Kurstag sollten Karyogramme mit folgenden Eigenschaften erstellt werden:
- weiblicher Karyotyp
- Down-Syndrom (Trisomie 21)
- Klinefelter-Syndrom
- Translokation aus einer Lipom-Zelllinie
II. Material und Methoden:
Materialien:
Klebefolie
Kopien der jeweiligen Chromosomen-Aufnahme
Schere
Es wurden drei Kopien der jeweiligen Chromosomenaufnahme bereitgestellt. Zunächst wurden die
Chromosomen auf Kopie 1 gezählt und zur Verdeutlichung der Centromer Lage mit Punkten
versehen. Anschließend wurden diese aus Kopie 2 ausgeschnitten, die überlagerten aus Kopie 3.Die
ausgeschnittenen Chromosomen sollten anhand der Größe und mithilfe eines Musters zurechtgelegt
werden. Danach wurde Klebefolie zur Befestigung angebracht. Die Aufgabe war, ein komplettes
Karyogramm zu erstellen und dieses auf Abweichungen und Mutationen zu untersuchen.
III. Ergebnisse:
Die fertigen Karyogramme sahen wie folgt aus:
Abbildung 1: Karyotyp mit 44 Autosomen und 2 regulären, weiblichen Gonosomen (XX)
Abbildung2: Karyotyp mit 47 Chromosomen, davon 45 Autosomen und zwei Gonosomen (XX). Das 21.
Chromosom liegt dreifach vor.
Abbildung 3: Karyotyp mit 46 Chromosomen (44 Autosomen, 2 Gonosomen), mit Unregelmäßigkeiten
an den Chromosomen 3 und 12. Chromosom ist deutlich verlängert, 12 verkürzt.
Sehr gut erkennbar sind die unterschiedlichen Erscheinungsformen der Chromosomen, die bei allen
Karyogrammen ähnlich oder gleich sind. Die Gruppeneinteilung der Chromosomen erfolgt nach
Größe. Außerdem ist die Bänderung, sowie die Lage des Contromers beim jeweiligen Chromosom
gleich. Zum Beispiel sind die Chromosomen Eins und Zwei die Größten, während 21 und 22 die
Kleinsten sind. Neben der Größe sind auch Unterschiede in der Strukur erkennbar. Die ersten drei
Chromosmen sind metazentrisch, während die kleinen Chromosomen der letzten beiden Gruppen
akozentrisch sind. Durch die individuelle Struktur jedes Chromosoms sind direkte Vergleiche
zwischen den Karyogrammen gut möglich, da jedes Chromosom klar zu identifizieren ist.
IV. Diskussion:
Abbildung 1 zeigte eine normale Anzahl Chromosomen. Zwei der 46 Chromosomen sind
Gonosomen des Typs X. Folglich handelt es sich um ein normales Karyogramm einer weiblichen
Person.
Abbildung 2 zeigt das Karyogramm einer weiblichen Person mit Trisomie 21. Zu erkennen ist dies
an der dreifachen Ausführung des 21. Chromosoms. Eine Trisomie kann, wie in der Einleitung
beschrieben, unter anderem durch ein Ausbleiben der Chromatiden Trennung während der zweiten
meiotischen Teilung entstehen. Die Folgen der Trisomie 21, bzw. des „Down-Syndroms“, sind
phänotypisch sichtbar. Das Krankheitsbild äußert sich durch Kleinwüchsigkeit, einer veränderten
Form der Augen und einer ungewöhnlichen Ausprägung kognitiver Funktionen.
Das dritte Karyogramm weißt Translokationen an den Chromosomen 3 und 12 auf. Hierbei ist die
Bande q28 des dritten Chromosoms mit der Bande q14 des zwölften Chromsoms vertauscht. Diese
Translokation der Banden ist typisch für ein Lipom, einen gutartigen Fetttumor. Wie in der
Einleitung dargestellt, verursachen Lipome in der Regel nur kosmetische Probleme, eine
gesundheitliche Einschränkung ist daher auszuschließen.[Munk, 2010] Da Tumor-Gewebe sehr
teilungsaktiv ist, sind Mutationen in solchem Gewebe relativ häufig, beeinflussen das Genom des
Organismus aber nicht.
Das letzte Karyogramm wies einen Chromosomensatz mit 47 Chromosomen auf. Die Formel betrug
„47, XXY“. Demnach ist der Proband männlich, besitzt aber ein weiteres X-Chromosom. Diese
Anomalie ist als „Klinefelter-Syndrom“ bekannt. Das Syndrom äußert sich in Form von hohem
Wuchs, langen Gliedmaßen und einer reduzierten Ausprägung der Geschlechtsmerkmale .
V.Literatur
BELGE et al. (2010): Praktikum Genetik WS 2010/2011, Universität Bremen
MUNK (Hrsg) (2010): Genetik, 1. Auflage, Thieme, Stuttgart
http://de.wikipedia.org/wiki/Down-Syndrom; Stand: 29.11.2010, 0:30