Chromosom

Molekularbiologie in der
klinischen Diagnostik
1. Zytogenetik
2. Marker für Krankheiten
1
Ultraschall
• Proben werden unter Ultraschallsicht
entnommen
• Indikation zur Methode der Wahl durch US
bestätigt
• Nachsorge/Kontrolle mit Ultraschall
• ....
2
Studenten und Ausbildung
3
Simulatoren
Alternative: digitales Stethoskop
4
Separated units for easy maintainance
Transducer
Trigger?
Mini - Computer
Battery
around belt
Sonobody
Command input
Typing/voice
Live-transmission to expert consultant, worldwide
Telemedicine:
Executive and expert center
Veterinärmedizin
7
1. ZYTOGENETIK
8
Cytogenetik
Cytogenetik/Zytogenetik
untersucht die Chromosomen und ihre Rolle
während der Vererbung.
Zytogenetik beschäftigt sich mit der:
1. Diagnostik der Chromosomenstörungen.
2. Lokalisierung der chromosomalen Regionen /
DNA-Sequenzen .
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Cytogenetische Begriffsdefinitionen
Chromatin: ist die nicht kondensierte DNA, die werden mit Proteinen beigefügt
(während der Interphase des Zellzyklus)
Chromosom: ist die kondensierte DNA mit Proteinen beigefügt (während der
M-Phase des Zellzyklus)
Karyotyp: bezeichnet alle Eigenschaften der Chromosomenansatz eines Individuums/
Zellkernes und die Anzahl der Chromosomen (zB 46 XY, 47 XYY)
Karyogramm: ist die paarweise und angeordnete zu photografierende
Chromosomenansatz
Idiogramm: ist die schematische Darstellung der Chromosomen nach abnehmende
Grösse und Form
Die menschliche Zellen enthalten normalerweise 46 Chromosomen:
44 Autosomen und
2 Geschlechtschromosomen.
10
Aufbau der Chromosomenstruktur
1. Chr.
(human)
DNA Länge 50
mm
Chr. Länge 3-4
µm
10.000 x
Kondensation!
11
Die Geschichte der Identifizierung des
menschlichen Chromosoms
1879. Arnold: Erste Visualisierung der menschlichen Chromosomen.
1888. Waldeyer: Das Geburt des Wortes Chromosom (Chroma: Farbe, soma: Körper)
1882. Walther Flemming: 20-28 Chromosomen in den Zellen der Hornhaut
1921. T.S. Painter: 48 menschlichen Chromosomen, X & Y-Chromosomen (Wissenschaft)
1956. Jo Hin Tijo und Albert Levan: 46 menschlichen Chromosomen (Hereditas)
1959. Lejeune: Trisomie 21 = Down-Syndrom
12
Der Zellzyklus und
der Nachweis der
Chromosomen
Menschliche
Chromosomen werden sich
in teilenden Zellen
(Knochenmark / PlazentaZellen, Lymphozyten)
untersucht.
13
Karyotyping conferences
1960. Denver: Die menschlichen Chromosomen wurden von 1 bis 22 nummeriert, in der
Reihenfolge der Größe, mit Ausnahme der Geschlechtschromosomen. Die 22 Chromosomen
wurden in 7 Gruppen eingeteilt.
1963. London: der Schriftzug der Gruppe (AG) wurde angenommen
1966. Chicago: chromosomale Syndrome wurden markiert
1971. Paris, die 1976. Mexiko, 1978. Stockholm: Chromosom Banding
1995. ISCN: International System (für Menschen) Cytogenetische Nomenklatur
14
Karyogramm
Karyotyp
46 XX
Idiogramm
Anwendungsgebiete?
15
Kariotyp
Kariogram
16
Anwendungsgebiete
• Pränataldiagnostik
• Gynäkologie
• Pädiatrie
17
Chromosomstruktur
18
46, XX
Die Gruppen des Chromosomansatzes
19
46, XY
20
Chromosomenbänderung
Die Chromosombänderungstechniken verwenden verschiedene
Färbungen um die Chromosomen und
Chromosomenstrukturänderungen zu zeigen.
Die folgende Bänderungstechniken sind oft verwendet:
G-bänderung: Giemsa Färbung
R-Bänderung: (rückwärts) geändert Giemsa Färbung
C-Bänderung: Centromer spezifische Färbung
T-Streifen: Telomer spezifische Färbung
Q-Streifen: Quinacrin Färbung (fluoreszierend)
Der kurze und lange
Chromosomarmen
werden aufgrund der
Färbungsmuster
21
nummeriert.
Chromosomenbänderung
G-banding
R-banding
Q-banding
C-banding
T-banding
22
Chromosomale Aberrationen
Die verschiedenen Krankheitsbilder werden durch Aneuploidien, Translokationen
oder Deletionen verursacht.
23
ANEUPLOIDIE
Die Aneuploidie ist eine numerische Chromosomenaberration, einzelne Chromosomen
zusätzlich zum üblichen Chromosomensatz vorhanden sind oder fehlen
24
(am häufigstenTrisomien und Monosomien).
MITOTISCHE
NON-DISJUNCTION
MEIOTISCHE
NON-DISJUNCTION
25
MEIOTISCHE NON-DISJUNCTION—>
ANEUPLOIDIE
26
MEIOTISCHE/MITOTISCHE NON-DISJUNCTION
27
Numerische Chromosomenaberrationen
Euploid Chromosomenmutationen: Triploidie (3n), Polyploidie
Aneuploid Chromosomenmutation
Häufigkeit Geschlechtschro Häufigkeit
Autosomale
mosomale
Trisomie
Trisomie des 21. Chr.
Down-Syndrom
1/700
47, XXX TriploX-Syndrom
1/1000
Frauen
in
Trisomie des 18. Chr.
Edwards- Syndrom
1/13000
47, XXY
KlinefelterSyndrom
1/1000
Männer
in
Trisomie des 13. Chr.
Patau-Syndrom
1/15000
47, XYY
Doppel-YSyndrom
1/1000
Männer
in
45, X0 TurnerSyndrom
1/2500
Frauen
in
Selte Trisomien 3-,7-,8-,9-,12,14-,15-,19-,22-es
Monosomie
28
AUTOSOMALE ANEUPLOIDIE:
DOWN-SYNDROM
29
Down Syndrom
• 3x 21 od. Teile (freie Trisomie, Mosaik)
• 1:650 (häufigste Chr.anomalie)
• Risk ab 35. Jahr der Mutter, dennoch 70% der
Mütter jünger!
• Sonographie!
– Verdickte Nackenfalte 11.-14.SSW
– Quotient biparietaler Schädeldurchmesser
– Femurlänge >50% erhöht
30
Down Syndrom
• Labor: Triple Test (a-Fetoprotein, Estriol, HCG)
• PAPP-A (Pregnancy-associated plasma protein)
• Körperliche Befunde:
– Körperbau/Bewegungsapparat
– Extremitäten/Akren
– Kopf/Augen
• Geistig/psychisch: IQ unterschiedlich, ca.-50
vom Normalwert
31
Down Syndrom
• Fehlbildungen innerer Organe
– Herz 50% , Septum, AV-Kanal, Fallot-tetralogie,etc.
– GI Atresien/Stenosen, Pancreas anulare, Morbus
Hirschsprung, Eingeweidebrüche
– Hypogonadismus, Infertilität
– Immundefizienz  URTI
– Leukämie
– OSA
• Ca.45% werden älter als 60 Jahre (Demenz!)
32
AUTOSOMALE ANEUPLOIDIE:
DOWN-SYNDROM
Kariotyp: Trisomie des 21. Chromosoms
33
Der mütterliche Alter und die Wahrscheinlichkeit des
Down-syndroms
34
AUTOSOMALE ANEUPLOIDIE:
EDWARDS-SYNDROM
Karyotyp: Trisomie des 18. Chromosoms
35
Edwards Syndrom
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Verdreifachtes Chr. 18 od. Teile davon
1:3000-5000, häufiger Mädchen
Kurzer Stamm, kleine Mamillen
Langer, schmaler Schädel
Ohrmuscheldysplasie, Mikrognathie
Extremitätenanomalien
Herzfehler 90%
Nierenfehl. und GI Atresien
Keine Therapie (nur 10% überleben 1.Jahr)
36
Geschlechtschromosomale Aneuploidien:
37
Geschlechtschromosomale Aneuploidien: :
TURNER-SYNDROM
Kariotyp: 45X0
38
Turner Syndrom
•
•
•
•
•
45, X
1:2500 aller weiblichen Neugeboren
Bei Geburt: Lymphödeme an Hand/Fußrücken
Kleinwuchs, kurzer Hals m. Pterygium colli
Epikanthus, Hypertelorismus, tiefer
Haaransatz
• Schildthorax
• Breiter Mamillenstand
39
Turner Syndrom
• Metacarpalia Iv u. V. verkürzt
• Gonadendysgenesie, 1° Amenorrhö,
hypoplastisches inneres u. Äußeres Genitale
• Infertilität
• Nierenfehlbildungen (Hufeisen)
40
Geschlechtschromosomale Aneuploidien:
KLINEFELTER-SYNDROM
Kariotyp: 47XXY
41
Klinefelter Syndrom
•
•
•
•
•
•
•
•
47, XXY, selten 48, XXXY
1:1000 aller männlichen Neugeborenen
Erstdiagnose häufig in der Pubertät
Euchnuchoider Hochwuchs
Adipositas, Gynäkomastie
Hypergonadotroper Hypogonadismus
Hodenatrophie  Aspermie
Fehlen der sek. Männlichen Behaarung
42
Geschlechtschromosomale Aneuploidien:
TRIPLE X-SYNDROM
43
Geschlechtschromosomale Aneuploidien :
XYY-SYNDROM ???
44
Klassifizierung der strukturellen Chromosomenanomalien aufgrund der Zahl der
Chromosomenbrüche
Strukturellekromoszóma
Chromosomaberrationen
szerkezeti
aberráció
1 Bruch
1 törés
terminális deléció
Terminale
Deletion
2 törés
2 Brüche
2 verschiedenen
2An
különböző
kromoszómánChromosomen
reciprok
transzlokáció
Reziproke
Translokation
centrikus
fúzió
Zentrische
Fusion
vagy
oder
Robertson-féle
Robertsonsche
transzlokáció
3 Brüche
3 törés
különböző
An 2 2verschiedenen
kromoszómán
Chromosomen
An denselben
Chromosom
uazon a kromoszómán
An denselben
uazon
a kromoszóma
Chromosomarm
karon
inszerció
Insertion
An gegenseitigen
ellentétes
kromoszóma
Chromosomarm
karon
Translokation
Ringchromosom
paracentrikus
inverzió gyűrű
kromoszóma
Parazentrische
Inversion
Perizentrische
pericentrikus
inverzió
Inversion
45
DELETION
 Ein Stück eines Chromosoms geht verloren
 Kartierung mit Hilfe der Deletionen
 Interstiziale Deletion -
Prader-Willi; Angelman Syndromen del15 (q11-
13), Williams-Syndrom
 Terminale Deletion – ein Chromosom verliert des Telomers – schwierige
Symptomen zB.: Cri du chat Syndrom
46
TRANSLOKATION
Die Zahl der Brechungen ist mehr als 1.
Die Brechungstellen sind im Fall der reziproken
Translokation:
- an denselben (homologen) Chromosomen
- an zwei verschiedenen Chromosomen
Balancierte Translokation
Die Bruchstellen sind meistens in den nicht kodierenden Regionen
(Proportionen der kodierenden Regionen betragen nur 5-10 %)
Wenn die Bruchstelle innerhalb eines Gens ist, kann das Genprodukt:
-eine neue Funktion bekommen (selten)
- in anderen Mengen hergestellt werden
- seine Funktion verlieren
47
RING CHROMOSOM
 nach seriellen Telomerdeletionen bilden die
Chromosomen einen Ring
48
INVERSION
Parazentrische Inversion
Perizentrische Inversion
49
Kongenitale Krankheitsbilder nach Deletionen
Deletion
Symptom
Kurzer Arm des 5. Chr. (del 5p)
Katzenschreien, mentale Retardierung,
Herzstörungen
Kurzer Arm des 18. Chr.
Körperliche und geistige Retardierung
Langer Arm des X Chr. (Fragile X)
Autism, karakteristisches Gesicht
Langer Arm des 22 Chr.
Entwicklungsstörung in der Schilddrüse
Langer Arm des 13. Chromosoms
Augenkrebs
Kongenitale Krankheitsbilder nach Translokationen
TRANSLOKATION
Symptom
ein Teil des 4. Chromosoms wird auf das
20. übergeträgt
Geistige Retardierung, deformiertes
Gesicht
Ein Teil des X -> 13. Translokation
Geistige Retardierung
50
Erworbene Deletionen im Tumor
DELETION
TUMOR
APC-Gene
Kolorektalkrebs
Retinoblastom
Tumor in irgendwelcher
P53
In allen Organen
22. Chromosomdeletion
Akute myeloische Leukämie
Erworbene Translokationen im Tumor
TRANSLOKATION
TUMOR
9-22 Chromosom (PhiladelphiaChromosom)
Chronische myeloische Leukämie
8-14 Chromosom
Burkitt – Lymphom
8-21 Chromosom
Akute myeloische Leukämie
51
FRAGILES X SYNDROM
Das Fragile X-Syndrom (FXS) ist eine
der häufigsten Ursachen erblicher
kognitiver Behinderung des Menschen.
Klinische Symptomen:
-Grosser Kopf, schmales
Gesicht, grosse Ohren
-mild - schwere mentale
Retardierung
- 1/3 der behinderten Frauen
haben mentale Retardierung
 Xq27.3 ist die häufigste zerbrechliche
Region
Xq27.3
X fra(X)
fra(X)52 Y
Fragiles X Syndrom
•
•
•
•
•
•
•
Monogen vererbt, Xq27.3
1:1200-2500
Mädchen: geringer ausgeprägte Symptome
Kleinkindesalter Hochwuchs, Makrozephalie
Gesichtsdysmorphien
Große dysplastische Ohren
Jungen: große Hoden
53
Fragiles X Syndrom
•
•
•
•
•
•
•
Mentale Retardierung IQ < 60
Hyperkinesie
Hypersensibilität
Autismus?
Überstreckbarkeit der Gelenke
Dilatierter Aortenbogen
Mitralklappenprolaps
54
FRAGILES X SYNDROM
Die Mutation wirkt die CGG Trinukleotid Repeats des Gens FRAXA in der Region Xq28
Die Expansion der CGG Repeaten entsteht beim „mütterlichen Übertragung”
Es ist den 5’ Teil der nicht transkribierenden Region begleitet
die Verlängerung dieser Region folgt die Hemmung der Expression durch Methylieung
Das FMR1 Protein ist ein RNA-bindendes Protein
Für die mentale Retardation ist wahrscheinlich das mGluR5 (metabotrope glutamate receptor)
55
verantwortlich
FRAGILES X SYNDROM
5-50 Repeat
FMR-1 Gen
Gesund
CGG
50-200 repeat
‘Prämutation’
CGG
Vollständige Mutation
200 - repeat
CGG
56
FISH: FLUORESCENT IN SITU
HYBRIDISATION
57
FISH
58
FISH
Die Behandlung der Proben: nach einer kurzen Fixierung wird die markierte Probe (Sonde)
auf unseren Probe pipettiert, nach ein paar Stunden dauernden Hybridisierung wird die
zusätzliche markierte Probe (Sonde) gewaschen, und dann die Chromosomen unter UV59
Fluoreszenz Mikroskop sofort untersucht.
Verschiedene Arten der FISH Probe
Mithilfe von Chromosom-spezifischen Tests werden die numerischen
Chromosomenanomalien erfasst.
Die X (rote) und Y (grüne) Chromosomspezifische Sonden in normalen männlichen
und weiblichen Zellkernen
Die Proben hybridisieren zu einem Abschnitt
der Chromosomen.
60
Verschiedene Arten der FISH Probe
Identifizierung der Geschlechtschromosomen
Identifizierung die Gonosomen.
In einem gesunden weiblichen Zellkern sind 2 X , in einem gesunden männlichen ist nur 1 X
Chromosom.
61
Verschiedene Arten der FISH Probe
Die Locus-oder Gen-spezifische Sonde wird ein bestimmtes Zielgen identifizieren, und zeigt
die Position auf dem Chromosom. Fehlen des Gens, oder die Duplikation des Gens, als auch
die Translokation, Deletion eines Tumorsuppressorgens können ebenfalls nachgewiesen
werden.
Das RB1-Gen des13. Chromosoms ist sichtbar in zwei Kopien (rote Punkte)
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Locus spezifische FISH Probe für
verschiedene Syndromen
• Prader-Willi Syndrom
15q11-13
• Angelman Syndrom
15q11-13
• Di-George Syndrom /VCFS
22q11.2
• Williams Syndrom
7q11.23
• Wolf-Hirschhorn Syndrom
4p16.3
• Cri du Chat Syndrom
5p15.2
• Kallmann Syndrom
Xp22.3
• SRY Gen
Yp11.3
• X-verbundene Ichthyosis
Xp22.3
• Retinoblastoma (RB1-Gen)
13q14
• Smith-Magenis Syndrom
17p11.2
• Miller-Dieker Syndrom
17p13.3
63
Medizinische Verwendung der FISH Proben
Pränatale Untersuchung von Down-Syndrom – weitgehend abgelöst von US
64
Medizinische Verwendung der FISH in
Tumoren
Die Deletion der
erb-B2, EGFR und myc Gene wurden in vielen
Tumoren beobachtet (diese Onkogene sind),
als auch die RB und p53 Gene (welche
Tumorsuppressor sind).
Das p53 Tumorsuppressor-Gen wird mit einer lokusspezifischen
Probe in den Zellkernen der leukämischen Zellen sichtbar gemacht.
65
Medizinische Verwendung
der FISH
Philadelphia Chromosom
(Ph1)
abl (Abelson cluster region) kodiert
ein Tyrosine Kynase Protein
bcr (breakpoint cluster region)
Die Detektion des Philadelphia Chromosoms ist mit FISH Proben in chronischer
myeloischen Leukämie (CML) leichter, als mit den anderen Methoden.
66
Medizinische Verwendung des FISH
das Gen BCR liegt normalerweise auf dem 22. Chromosom,
das ABL Gen auf dem 9. Chromosom.
Nach der Translokation werden die zwei Gene fusioniert.
67
Verschiedene Arten der FISH
Telomerspezifischen Probe
Telomer
68
X-CHROMOSOM INAKTIVIERUNG
Das Barrkörperchen Regel: #BB = #X-1
Die Funktion der X Inaktivierung:
Dosiskompensation der Genprodukte X Chromosoms
Heterochromatinisation: Gene werden inaktiv durch:
Xist RNS
DNS-Methylierung
Histon-Methylierung
zwei Barrkörperchen:
-> XXX
69
X-CHROMOSOM INAKTIVIERUNG
- Es ist ein random Prozess
- das Prozess ist während der frühen Embryogenese schon aktiv
- Das Ergebnis ist unumkehrbar
70
X-CHROMOSOMINAKTIVIERUNG
XX
XO
?
die Pseudoautosomale Region bleibt auf den inaktiven X
Chromosomen aktiv!
Die Pseudoautosomale Region ist sogar auf den X und Y Chromosom vorhanden.
Diese Region sichert eine normale Chiasmabildung und Segregation in der Meisose.
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X-CHROMOSOM INAKTIVIERUNG
Bei Menschen: Mosaicism
Anhidrotische Ektodermale Dysplasie:
Schweissdrüsen sind nur in den Flecken aktiv
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2. Marker für Krankheiten
• Geburtshilfe
• Neurologie
• Geriatrie
73
Danke für die Aufmerksamkeit!

74