Meiose, Rekombination und Vererbungsregeln

Die Meiose: Reduktionsteilung

Eine Körperzelle des Menschen ist diploid ($2n = 46$): Sie enthält 23 Chromosomenpaare. In jedem Paar stammt ein homologes Chromosom von der Mutter und eines vom Vater. Verschmelzen Eizelle und Spermium, muss jede Keimzelle deshalb nur den haploiden Satz ($n = 23$) mitbringen. Sonst hätte schon die nächste Generation $4n$ Chromosomen.

Die Meiose bildet aus einer diploiden Zelle in zwei aufeinanderfolgenden Teilungen vier haploide Zellen. Davor wird die DNA einmal verdoppelt (S-Phase der Interphase). Jedes Chromosom besteht dann aus zwei Chromatiden (Zwei-Chromatid-Chromosom).

Die beiden Teilungen haben verschiedene Aufgaben:

Wichtig: Die Halbierung der Chromosomenzahl geschieht in der Meiose I, wenn die Homologen auseinandergezogen werden. Die Meiose II ähnelt der Mitose, aber ihre Ausgangszellen sind bereits haploid.

Der Ablauf im Überblick:

• Prophase I: Die Homologen lagern sich paarweise aneinander. Dabei findet das Crossing-over statt.

• Metaphase I: Die Chromosomenpaare ordnen sich in der Äquatorialebene an, jeweils zufällig ausgerichtet.

• Anaphase I: Die Spindelfasern ziehen ganze Chromosomen zu den Polen, nicht einzelne Chromatiden.

• Meiose II: Die Chromatiden werden getrennt. Es entstehen vier haploide Zellen.

Rekombination: Warum Geschwister verschieden sind

Die vier Zellen einer Meiose sind genetisch nicht identisch. Zwei Vorgänge mischen das Erbgut neu:

• Innere (intrachromosomale) Rekombination: In der Prophase I tauschen die Chromatiden homologer Chromosomen an den Überkreuzungsstellen (Chiasmata) Abschnitte aus. Das ist das Crossing-over. Die Chromatiden tragen danach neue Kombinationen von Allelen.

• Äußere (interchromosomale) Rekombination: In der Metaphase I richten sich die Chromosomenpaare zufällig aus. Welches mütterliche oder väterliche Chromosom in welche Tochterzelle gelangt, ist Zufall.

Wie viele Möglichkeiten gibt es?

Bei $n$ Chromosomenpaaren gibt es $2^n$ verschiedene Chromosomenkombinationen in den Keimzellen, denn jedes Paar kann auf zwei Arten verteilt werden.

Mit Crossing-over steigt die Zahl noch erheblich. Deshalb haben nicht einmal Geschwister dasselbe Erbgut (eineiige Zwillinge ausgenommen, sie entstehen aus einer einzigen Zygote).

Die Mendelschen Regeln

Gregor Mendel kreuzte Erbsenpflanzen und zählte die Nachkommen. Seine Ergebnisse lassen sich heute mit der Meiose erklären: Allele eines Gens liegen auf homologen Chromosomen und werden in der Meiose I getrennt.

Die zufällige Ausrichtung der Chromosomenpaare in der Metaphase I ist der Grund für die dritte Regel.

Probiere das Punnett-Quadrat aus: Beide Eltern sind mischerbig (F$_1$).

Gekoppelte Gene und Rekombinationshäufigkeit

Die Unabhängigkeitsregel gilt nur, wenn die Gene auf verschiedenen Chromosomen liegen. Liegen zwei Gene auf demselben Chromosom, sind sie gekoppelt: Sie werden meist gemeinsam vererbt. Nur ein Crossing-over zwischen den beiden Genorten trennt die Allelkombination.

Bei einer Testkreuzung findet man dann vier Nachkommentypen, aber nicht im Verhältnis $1:1:1:1$:

• Elterntypen (Parentaltypen): sehr häufig.

• Rekombinanten: selten, sie entstehen durch Crossing-over.

Je weiter zwei Genorte auseinanderliegen, desto wahrscheinlicher ist ein Crossing-over dazwischen und desto höher die Rekombinationshäufigkeit. Der Wert hilft bei der Erstellung von Genkarten. Er liegt höchstens bei $50\,\%$. Das entspricht freier Kombination, also ungekoppelten Genen.

Fehler in der Meiose: Nichttrennung und Trisomie

Manchmal werden Chromosomen in der Meiose nicht richtig verteilt. Diese Nichttrennung (Non-Disjunction) führt zu Keimzellen mit einem Chromosom zu viel ($n+1$) oder zu wenig ($n-1$). Das ist eine Genommutation.

• Nichttrennung in Meiose I: Die homologen Chromosomen bleiben zusammen. Alle vier Keimzellen sind fehlerhaft: zwei mit $n+1$, zwei mit $n-1$.

• Nichttrennung in Meiose II: Die Chromatiden eines Chromosoms bleiben zusammen. Es entstehen zwei normale, eine $n+1$- und eine $n-1$-Keimzelle.

Verschmilzt eine $n+1$-Keimzelle mit einer normalen Keimzelle, hat die Zygote drei Kopien dieses Chromosoms (Trisomie). Bei Chromosom 21 entsteht das Down-Syndrom: $2n + 1 = 47$ Chromosomen. Das Fehlen eines Chromosoms führt meist zu nicht lebensfähigen Embryonen. Eine Ausnahme ist die Monosomie X (Turner-Syndrom, $45$ Chromosomen).

Warum steigt das Risiko mit dem Alter der Mutter?

Die Eizellen der Frau werden schon vor der Geburt angelegt und bleiben in der Prophase I angehalten, teils über Jahrzehnte. Mit der Zeit lassen die Proteine nach, die die Homologen zusammenhalten. Die Fehlverteilung wird wahrscheinlicher.

Chromosomenmutationen

Neben den Genommutationen verändern Chromosomenmutationen die Struktur eines Chromosoms, wenn Bruchstücke falsch verbunden werden:

• Deletion: Ein Abschnitt geht verloren, die dort liegenden Gene fehlen.

• Duplikation: Ein Abschnitt ist doppelt vorhanden, seine Gene liegen in doppelter Kopie vor.

• Inversion: Ein Abschnitt ist umgedreht wieder eingebaut, die Gene stehen in umgekehrter Reihenfolge.

• Translokation: Ein Abschnitt wird an ein nicht homologes Chromosom angeheftet.

Ursachen sind Brüche der DNA, etwa durch Strahlung oder Fehler beim Crossing-over. Die Auswirkungen reichen von unauffällig bis zu schweren Fehlbildungen, je nachdem, welche Gene betroffen sind.

Freie Trisomie und Translokationstrisomie

Das Karyogramm ordnet die Chromosomen nach Größe und Form. Bei der freien Trisomie 21 (etwa $95\,\%$ der Fälle) sieht man drei einzelne Chromosomen 21. Meist ist sie ein Zufallsereignis, das Wiederholungsrisiko ist niedrig. Bei der Translokationstrisomie ist ein Chromosom 21 an ein anderes Chromosom (oft Nr. 14) angeheftet: Man zählt dann nur $46$ Chromosomen, obwohl das Kind Erbgut von drei Chromosomen 21 hat. Ein Elternteil kann balancierter Träger sein (45 Chromosomen, gesund). Dann ist das Wiederholungsrisiko deutlich erhöht, weshalb eine genetische Beratung sinnvoll ist.

Mitose und Meiose im Vergleich

Bedeutung für Evolution und Züchtung: Die Rekombination erzeugt in jeder Generation neue Allelkombinationen. Auf dieser Vielfalt kann die Selektion wirken, Populationen können sich an veränderte Umweltbedingungen anpassen. Züchter nutzen die Rekombination gezielt: Sie kreuzen Linien mit gewünschten Merkmalen, etwa Ertrag und Krankheitsresistenz, und wählen unter den Nachkommen die besten Rekombinanten aus.

Zurück zum Anfang: Lena und ihre Brüder erhalten von jedem Elternteil eine zufällige Auswahl aus über acht Millionen möglichen Chromosomenkombinationen, dazu kommt das Crossing-over. Deshalb sind Geschwister verschieden, und dennoch hat jeder von ihnen wieder $2n = 46$ Chromosomen.

Auf einen Blick

• Die Meiose besteht aus zwei Teilungen: In der Meiose I werden homologe Chromosomen getrennt ($2n \to n$), in der Meiose II die Chromatiden.

• Rekombination entsteht durch Crossing-over (Prophase I) und zufällige Verteilung der Chromosomen (Metaphase I). Bei $n$ Paaren gibt es $2^n$ Kombinationen.

• Mendel: Uniformität, Spaltung ($3:1$ bzw. $1:2:1$) und Unabhängigkeit ($9:3:3:1$) gelten für Gene auf verschiedenen Chromosomen.

• Gekoppelte Gene auf demselben Chromosom werden gemeinsam vererbt. Die Rekombinationshäufigkeit liegt bei gekoppelten Genen unter $50\,\%$ (höchstens $50\,\%$) und wächst mit dem Abstand.

• Nichttrennung in Meiose I oder II führt zu Keimzellen mit $n \pm 1$ Chromosomen, beim Menschen zum Beispiel zur Trisomie 21.

• Mitose liefert identische diploide Zellen, Meiose genetisch verschiedene haploide Zellen.