Aufgaben: Mitose und Meiose

Bringen Sie die folgenden Phasen der Mitose in die richtige Reihenfolge: Anaphase, Telophase, Prophase und Metaphase, und beschreiben Sie in einem Satz das jeweils charakteristischste Ereignis.

Man beobachtet vier tierische Zellen in verschiedenen Phasen der Mitose, nummeriert von 1 bis 4:

• Zelle 1: kondensierte, verstreut liegende Chromosomen und Auflösung der Kernhülle.

• Zelle 2: in der Äquatorialebene angeordnete Chromosomen.

• Zelle 3: getrennte Schwesterchromatiden, die zu entgegengesetzten Polen wandern.

• Zelle 4: Chromosomen an den entgegengesetzten Zellpolen und Bildung einer Einschnürungsfurche.

Bestimmen Sie, welche Phase (Prophase, Metaphase, Anaphase oder Telophase) jeder nummerierten Zelle entspricht, und begründen Sie Ihre Antwort, indem Sie ein beobachtbares Merkmal jeder Zelle beschreiben.

Wie viele Tochterzellen entstehen nach einer Mitose und wie viele nach einer vollständigen Meiose? Geben Sie außerdem für beide Vorgänge den Chromosomensatz dieser Tochterzellen im Vergleich zur Mutterzelle an.

Erklären Sie die biologische Funktion der Mitose in vielzelligen Organismen und nennen Sie zwei Vorgänge, an denen sie wesentlich beteiligt ist.

Was ist die Befruchtung? Begründen Sie, warum die Meiose unerlässlich ist, damit die Chromosomenzahl bei Arten mit geschlechtlicher Fortpflanzung von Generation zu Generation konstant bleibt.

Während der Prophase I der Meiose findet das Crossing-over statt. Erklären Sie, worin dieses Phänomen besteht und welche Folge es für die genetische Variabilität der Gameten hat.

In den Keimdrüsen eines diploiden Organismus mit $2n = 14$ werden vier Zellen in verschiedenen Phasen der Zellteilung isoliert (bezeichnet als A, B, C und D) und ihre Chromosomenstrukturen quantifiziert:

• Zelle A: Zeigt 7 Bivalente (Tetraden), die in der Äquatorialplatte angeordnet sind, mit insgesamt 28 Chromatiden.

• Zelle B: Zeigt 14 einzeln in der Zelläquatorialebene angeordnete Chromosomen mit insgesamt 28 Doppelstrang-DNA-Molekülen.

• Zelle C: Zeigt 7 Chromosomen mit jeweils 2 Chromatiden, die in der Äquatorialplatte angeordnet sind.

• Zelle D: Zeigt 7 Chromosomen, die aus nur einer nicht duplizierten Chromatide bestehen.

1. a) Bestimmen Sie begründet, welcher konkreten Phase der Mitose oder der Meiose jede der Zellen A, B, C und D entspricht.
2. b) Kommt es in der Anaphase, die auf das in Zelle C beobachtete Stadium folgt, zur Nondisjunction der Schwesterchromatiden eines Chromosoms, sagen Sie den genauen Chromosomensatz der beiden direkt aus dieser Teilung hervorgehenden Tochterzellen voraus.

Mithilfe der Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung (FISH) werden in Zellen eines diploiden Individuums das Zentromer des väterlichen Chromosoms 3 mit einer grünen Sonde und das Zentromer des mütterlichen Chromosoms 3 mit einer roten Sonde markiert. Unter dem Mikroskop beobachtet man drei in der Metaphase arretierte Zellen:

• Zelle 1: Zeigt ein grünes Doppelsignal und ein rotes Doppelsignal, die eng miteinander assoziiert Paare in der Äquatorialplatte bilden.

• Zelle 2: Zeigt das grüne Doppelsignal und das rote Doppelsignal unabhängig voneinander entlang derselben Äquatorialplatte angeordnet.

• Zelle 3: Zeigt nur ein rotes Doppelsignal in der Äquatorialplatte, ohne grünes Signal in der gesamten Zelle.

1. a) Leiten Sie begründet aus Vorhandensein, Fehlen und Ausrichtung der Zentromere beider Homologe ab, welcher Metaphase (mitotisch, Meiose I oder Meiose II) jede der drei beobachteten Zellen entspricht.
2. b) Sagen Sie voraus, welche Fluoreszenzsignale und wie viele Chromatiden des Chromosoms 3 jede der Tochterzellen nach der Anaphase von Zelle 1 im Vergleich zur Anaphase von Zelle 2 erhält.

Ein Paar hat ein Kind mit Down-Syndrom (reguläre Trisomie 21). Um den Ursprung der Anomalie zu bestimmen, werden die Allele eines Mikrosatellitenmarkers untersucht, der sehr nahe am Zentromer des Chromosoms 21 liegt und an dem die Crossing-over-Rate vernachlässigbar ist:

• Vater: homozygot mit dem Allel $A_1$.

• Mutter: heterozygot mit den Allelen $A_2$ und $A_3$.

• Kind mit Down-Syndrom: Genotyp $A_1 A_2 A_3$.

1. a) Leiten Sie begründet ab, bei welchem Elternteil der Fehler in der Meiose auftrat, und weisen Sie eindeutig nach, ob die Nondisjunction in der Anaphase I oder in der Anaphase II erfolgte.
2. b) Wäre die Nondisjunction in der jeweils anderen meiotischen Teilung desselben Elternteils erfolgt, sagen Sie voraus, welche alternativen Genotypen das Kind in Bezug auf die mütterlichen Allele hätte erben können und welcher Prozentsatz der vier Produkte dieser Meiose vollständig euploid ($n = 23$) gewesen wäre.