Chromosomen

Chromosomen, mikroskopisch kleine Strukturen des Zellkerns, die aus Desoxyribonucleinsäure (DNA) und Proteinen bestehen und die Erbsubstanz der höheren Organismen oder Eukaryonten (Pilze, Pflanzen und Tiere) repräsentieren.

Die DNA ist in den Chromosomen zu kompakten Strukturen zusammengefaltet und dabei mit bestimmten Proteinen (Histonen und Nichthistonen) verbunden. Ein menschliches Chromosom ist im Durchschnitt nur etwa zehn µm (Mikrometer, tausendstel Millimeter) lang. Die darin vorhandene DNA würde als lang gezogener Molekülfaden sieben Zentimeter messen. Die einzelnen DNA-Protein-Pakete werden als Nucleosomen bezeichnet. Die chromosomale DNA enthält die Gene, welche die Informationen für die Bildung eines bestimmten Proteins oder einer Proteinuntereinheit tragen. Bei jeder Organismenart liegen die Chromosomen in charakteristischer Anzahl und Gestalt vor.

Durch eine Färbemethode lassen sich bestimmte Bereiche der Chromosomen optisch hervorheben; dabei entstehen die für jedes Chromosom charakteristischen Bandenmuster (das Wort Chromosom ist von den griechischen Wörtern für Farbe und Körper abgeleitet). Innerhalb einer Art haben sämtliche Zellen denselben Satz an Chromosomen, die sich durch ihre individuelle Größe und Form unterscheiden. Chromosomen werden durch eine Einschnürung, das Centromer, in zwei Arme unterteilt. Der kürzere wird als p-Arm, der längere als q-Arm bezeichnet. Vor der Mitose (Zellteilung) verdoppeln sich die Chromosomen in parallel liegende Chromatiden, wobei die Arme als längs gespaltene Gebilde erscheinen. Bei der Teilung des Zellkerns werden die Chromatiden über den Spindelfasermechanismus zu den beiden einander gegenüberliegenden Polen gezogen und auf die beiden Tochterkerne verteilt.

Die als Telomere bezeichneten Endabschnitte der Chromosomen schützen die Chromosomen (wie Kunststoffhülsen die Enden von Schnürsenkeln) und verhindern, dass diese sich verheddern; sie bestehen beim Menschen aus Nucleinsäuren und Proteinmolekülen. Telomere verkürzen sich mit zunehmender Zahl der Zellteilungen – also mit zunehmendem Alter – immer weiter. Dies hat eine Instabilität der Chromosomen zur Folge, so dass diese schließlich zerbrechen und miteinander verschmelzen. Nach etwa 40 bis 60 Zellteilungen finden keine weiteren Teilungen statt. Möglicherweise ist die Instabilität der Chromosomen auch eine Ursache für die besondere Häufigkeit von Krebserkrankungen im Alter. Bei Zellen, die sich unbegrenzt teilen können (Stammzellen und Zellen der Keimbahn) repariert ein Enzym (Telomerase) die Telomere nach jeder Teilung.

Bei den meisten Lebewesen ist jedes Chromosom doppelt vorhanden; man spricht von diploiden Organismen. Wüstenratten (Tympanoctomys barrerae) haben jedoch im Gegensatz zu anderen Säugern einen vierfachen Chromosomensatz. Ein weiteres Wirbeltier mit nicht diploidem Chromosomensatz ist die Baturakröte (Bufo pseudoraddei baturae) aus Pakistan, die einen dreifachen Chromosomensatz aufweist. Zur Bildung von Spermien eliminieren die Männchen einen ihrer Chromosomensätze und produzieren Spermien mit nur einem (haploiden) Satz; Weibchen dagegen verdoppeln einen ihrer Chromosomensätze und erzeugen dann Eizellen mit diploidem Satz. Die Nachkommen sind deshalb näher mit der Mutter verwandt als mit dem Vater.

Menschliche Körperzellen besitzen zwei Sätze mit je 23, also insgesamt 46 Chromosomen. 22 dieser Paare werden als Autosomen bezeichnet, das 23. Paar repräsentiert die Geschlechtschromosomen. Beim weiblichen Geschlecht liegen zwei X-Chromosomen vor, beim männlichen ein X- und ein Y-Chromosom (die Buchstaben X und Y bezeichnen die äußere Gestalt dieser Chromosomen). Geschlechtschromosomen sind vermutlich während der Evolution aus Autosomen hervorgegangen, das Y-Chromosom hat sich wahrscheinlich aus einem X-Chromosom entwickelt. Auf dem 2003 entschlüsselten menschlichen Y-Chromosom liegen 78 Gene, auf dem 2005 entschlüsselten X-Chromosom dagegen 1 098. Während andere Säugetiere ebenfalls über zwei Geschlechtschromosomen verfügen, haben Schnabeltiere zehn: Das Weibchen trägt zehn X-Chromosomen, das Männchen fünf X- und fünf Y-Chromosomen (Nature, 2004).

Die Sequenzierung des menschlichen Genoms (siehe Human Genome Project) wurde mit der Entschlüsselung einzelner Chromosomen vervollständigt. Seit 1999 wurden neben den Geschlechtschromosomen mehrere Autosomen entschlüsselt, die zwischen 225 (Chromosom 21) und 3 141 (Chromosom 1) Gene aufweisen. Insgesamt umfasst das menschliche Genom etwa 20 000 bis 25 000 Gene (Nature, 2004).

Treten durch eine Mutation (siehe Genetik) Abweichungen vom normalen Chromosomensatz auf, führt das zu mehr oder weniger ausgeprägten Krankheitsbildern. Ein Beispiel für eine derartige Erbkrankheit ist das Down-Syndrom, bei dem das Chromosom 21 statt zweimal (wie in gesunden Zellen) dreimal vorhanden ist; man bezeichnet die Krankheit daher auch als Trisomie 21. Auf Chromosom 22 wurden instabile Orte identifiziert, die als so genannte hot spots besonders anfällig für den Verlust von Genen sind, wodurch u. a. Krebserkrankungen, Schizophrenie, Herzdefekte oder Lippen-Kiefer-Gaumenspalten entstehen können. Und auf dem X-Chromosom sind 10 Prozent aller Erbkrankheiten lokalisiert (u. a. Hämophilie und Rot-Grün-Blindheit), obwohl es nur 4 Prozent aller Gene repräsentiert.

Zu natürlichen Abweichungen in der Chromosomenzahl kommt es bei der Bildung der Keimzellen. Die männlichen Samenzellen und weiblichen Eizellen verfügen, im Gegensatz zu den Körperzellen, jeweils nur über einen einfachen (haploiden) Chromosomensatz, d. h., jedes Chromosom kommt nur einmal vor. Der biologische Sinn dieser Reduktion besteht in der Konstanthaltung der Chromosomenzahl in den Körperzellen. Die haploiden Chromosomensätze von Ei- und Samenzelle ergänzen sich bei der Befruchtung zum diploiden Chromosomensatz. Wären die Geschlechtszellen diploid, würde sich bei jeder neuen Generation der Chromosomensatz weiter verdoppeln. Die Reduktion des Chromosomensatzes findet bei der Entstehung der Keimzellen statt.

Siehe auch Gentherapie