Zytogenetik: Mikroskopie, Translokationen und Trisomien

Okay, hier sind die detaillierten Lernhinweise basierend auf dem bereitgestellten Text, geschrieben auf Deutsch:

• Das Dokument ist ein Praktikumsleitfaden für Biologie für Humanmediziner.
• Es ist für das Wintersemester 2024/2025.

Laufzettel Informationen

• Ein Laufzettel ist für alle Praktikumsveranstaltungen mitzubringen.
• Jeder Kurstag ist von dem jeweiligen Betreuer zu testieren.
• Der Laufzettel sollte sorgfältig aufbewahrt werden.
• Der Laufzettel ist am letzten Kurstag abzugeben.
• Ohne Laufzettel erfolgt keine Zulassung zur Klausur.

Kursübersicht Wintersemester 2024/2025

• Folgende Kurse werden im Rahmen des Praktikums angeboten:
• Zytogenetik: Unter der Leitung von Prof. Dr. Kehrer-Sawatzki, im Hörsaal Chirurgie.
• Formale Genetik: Unter der Leitung von Prof. Dr. Högel und Prof. Dr. Ammerpohl in O29 3003/3004 und 3001/3002.
• Molekulargenetische Diagnostik: Unter der Leitung von Dr. Kolarova und Dr. Chteinberg in N26/218.
• Mikrobiologische Fallbeispiele: Unter der Leitung von Prof. Dr. Stenger und Dr. Nuber in H4/5.
• Virologische Fallbeispiele: Unter der Leitung von Prof. Dr. Stamminger in H4/5.
• Zytologie I & II Unter der Leitung von Prof. Dr. Tuckermann in N26 218.
• Entwicklung/Vergleichende Anatomie: Unter der Leitung von Prof. Dr. Tuckermann in N26 218.
• Parasitologie: Unter der Leitung von Prof. Dr. Tuckermann in N26 218.

Allgemeine Hinweise zum Mikroskopieren

• Mikroskope sind sorgfältig zu behandeln. Hier sind einige allgemeine Hinweise zur Verwendung und Behandlung von Mikroskopen:
• Nach dem Auflegen des Objektträgers immer mit der kleinsten Vergrößerung arbeiten.
• Das 40er Objektiv sollte für maximale Vergrößerung verwendet werden
• Das 100er Objektiv ist ein Immersionsobjektiv und darf nur mit geeignetem Immersionsmittel verwendet werden. Dieses Objektiv NICT verwenden!
• Verschmutzte Objektive sofort mit Linsenpapier säubern.
• Gebrauchte Objektträger nach Kursende abspülen und abgeben, da sie mehrfach verwendbar sind.
• Gebrauchte Rasierklingen und Deckgläser gehören in spezielle Abfallbehälter, nicht in den Hausmüll (Verletzungsgefahr!).

Zytogenetik Kursteil Humangenetik

• Ablauf: Einführung in die Themen/Lernziele, beantworten von 10 Fragen am Ende des Skripts (Lösungen im Kurs vorstellen), Karyotyp-Bestimmung einer Chromosomenstörung und Angabe der korrekten Karyotyp-Formel.

Lernziele Zytogenetik

• Grundlagen des menschlichen Karyogramms mit gebänderten Chromosomen
• Bedeutung und Konsequenzen von balancierten und unbalancierten Translokationen, insbesondere Robertsonschen Translokationen (Translokationen zwischen akrozentrischen Chromosomen)
• Kenntnis der häufigsten numerischen autosomalen Chromosomenstörungen

Generelles Zytogenetik

• Unter Zytogenetik wird die Untersuchung von Chromosomen, ihre Struktur und die zugehörigen Vererbungsmechanismen verstanden.
• Das menschliche Genom hat 22 Paare von homologen Autosomen (Chromosomen 1 bis 22) und ein Paar Geschlechtschromosomen (X- und Y-Chromosom).
• Der diploide (doppelte) Chromosomensatz entsteht durch Meiose aus haploiden (einfachen) Chromosomensätzen der Eizelle und Samenzelle.
• Die Zytogenetik ist seit vielen Jahrzehnten eine wichtige Domäne in der Humangenetik.
• 1956 wurde festgestellt, dass eine menschliche somatische Zelle 46 Chromosomen aufweist.
• Der reguläre weibliche Chromosomensatz ist 46,XX, der reguläre männliche Chromosomensatz ist 46,XY.
• 1959 entdeckte man die chromosomale Grundlage des Klinefelter-Syndroms (47,XXY).

Durchführung einer Chromosomenanalyse

• Mitotische Zellen für Chromosomenanalyse benötigt.
• Chromosomen sind nur in der Mitose-Phase des Zellzyklus sichtbar, Metaphase-Chromosomen am besten geeignet.
• Blut des Probanden wird meist zur Gewinnung mitotischer Zellen verwendet.
• Mitotische Zellen können aber auch aus der Haut (Fibroblastenkulturen) und aus dem Knochenmark gewonnen werden.
• Die DNA im mitotischen Zellzyklus liegt in verschiedenen Stadien vor:
• G1-Phase: DNA liegt entspiralisiert als Strang vor.
• S-Phase: DNA-Moleküle werden verdoppelt.
• Stadien 3-5: DNA kondensiert sich zunehmend.
• Stadium 6: Metaphase-Chromosomen sind gut analysierbar, bestehen genetisch aus zwei identischen Chromatiden, diploider Satz.
• Während der G1, G2 oder S-Phase liegen die DNA-Abschnitte nicht in einer Form vor, die eine Chromosomenanalyse ermöglichen würde.

Arbeitsschritte bei der Herstellung von Chromosomenpräparaten

• Ansatz einer Blut- bzw. Lymphozytenkultur:
• 1-4 ml Blutprobe des Probanden durch Venenpunktion entnommen.
• Etwa 5 Bluttropfen werden in 3 ml Nährmedium in Zentrifugenröhrchen überführt und bei 37°C im Brutschrank inkubiert
• Das Nährmedium ist Phytohämagglutinin (PHA) enthalten, das als Mitogen wirkt und T-Lymphozyten stimuliert. Durchführung der Lymphozytenkultur bis zur Fixierung der mitotischen Zellen:
• Kultivierung: 37°C für ca. 72 Stunden zur Vermehrung der Lymphozyten durch Zellteilungen (Optimum an Zellen im Stadium der Metaphase)
• In den letzten 30 Minuten der Kultur das Hinzufügen. eines Spindelgifts (Colcemid),
• Zentrifugation und Sedimentation der T-Lymphozyten gefolgt von und Resuspension der T-Lymphozyten in hypotonischer Lösung (0,4% KCI-Lösung) für etwa 20 Min, um mitotische Zellen quellen zu lassen
• Die Fixierung der mitotischen Zellen erfolgt durch Zugabe eines Gemisches aus Methanol und Eisessig (Fixativ), stabilisiert die Chromosomenstruktur.
• Herstellung von Chromosomenpräparaten:
• Die Zellsuspension wird auf saubere, mit Wasser benetzte Glas-Objektträger mit Hilfe einer Pipette aufgetropft.
• Kernmembran platzt und die Chromosomen einer Zelle breiten sich kreisförmig aus und werden auf dem Objektträger fixiert.
• Chromosomen einer Zelle gehören in dieser kreisförmigen Anordnung zusammen. Um die Chromosomen sichtbar zu machen, ist eine Anfärbung notwendig.
• Färbung der Chromosomen wurde mit dem GTG-Bänderungsverfahren durchgeführt, dieses wird für eine Strukturanalyse benötigt Hierfür werden die Objektträger mit Trypsin vorbehandelt und dann in Giemsa-Lösung gefärbt, um ein reproduzierbares Bandenmuster zu erzeugen.
• GTG-Bänderung ist die Standardmethode zur Erfassung nummerischer und struktureller Aberrationen
• Analyse erfolgt mit einem Lichtmikroskop.

Beschreibung des GTG-Bänderungsverfahrens

• Die GTG-Bänderung zeigt sich entlang der Chromosomen als abwechselnd gefärbte Abschnitte (dunkle G-Banden) und ungefärbte Bereiche (helle G-Banden).
• Durch das Bandenmuster ist eine eindeutige Identifizierung aller Chromosomenpaare möglich
• Dunkle G-Banden sind genarm und haben wenige GC-Basenpaare.
• Helle G-Banden enthalten viele Gene und GC-Basenpaare.
• Bereiche werden während der Replikation der DNA früh verdoppelt.

Heterochromatin und Euchromatin

• Chromosomen bestehen aus Chromatin (DNA, Histonen, Nicht-Histon-Proteine).
• Euchromatin ist lose verpackt und transkriptionell aktiv.
• Heterochromatin bleibt stark kondensiert und repliziert spät in der S-Phase.
• Viel Heterochromatin befindet sich in und nahe der Zentromere.
• Fakultatives Heterochromatin variiert im Kondensationsgrad von Zelltyp zu Zelltyp.
• Konstitutionelles Heterochromatin ist durchgehend hochkondensiert und enthält meist hochrepetitive DNA-Sequenzen.
• Menschen haben Größen-Polymorphismen in Heterochromatinregionen auf Chromosomen 1, 9, 16 und Y, die nicht pathogen sind.

Grundlagen der Chromosomenanalyse

• Die Chromosomen werden zunächst nach bestimmten Regeln geordnet (karyotypisiert), mit dem Ziel die Zahl und Strukturveränderungen zu bestimmen.
• Durch GTG-Bänderung sind alle Chromosomenpaare individuell identifizierbar und nummerisch benennbar (Nr. 1 bis Nr. 22), einschließlich der Geschlechtschromosomen X und Y.
• Homologe Chromosomenvergleiche ermöglichen die Analyse von Strukturaberrationen wie Translokationen, Deletionen, Duplikationen und Inversionen.
• Chromosomen werden nach Größe und Zentromerlage sortiert.

Zentromerlage

• Metazentrisch: Zentromer liegt in der Mitte (z.B. Chromosom 1).
• Submetazentrisch: Zentromer liegt nicht mittig (z.B. Chromosom 2).
• Akrozentrisch: Zentromer liegt fast am Ende (p-Arm ist sehr kurz).

Besondertheiten der akrozentrischen Chromosomen

• Für die akrozentrischen Chromosomen der D und G-Gruppe:
• Die p-Arme enthalten keine protein-kodierenden Gene, sondern viele Kopien repetitiver Sequenzen.
• Auf den p-Armen liegen multiple Kopien der rRNA-Gene (18S und 28S-RNA) in den Satellitenstielen, die in der Interphase den Nukleolus organisieren (NOR).
• Größen-Polymorphismen in den p-Armen und NORs sind möglich und nicht pathogen.
• Bandenbezeichnung q10 steht für das Zentromer. Die räumliche Nähe der p-Arme und der NOR ist sichtbar als Satelliten-Assoziationen in Metaphase-Chromosomen.
• Die Sequenzhomologie in diesen Regionen begünstigt Robertsonsche Translokationen zwischen akrozentrischen Chromosomen.

Robertsonsche Translokationen

• Robertsonsche Translokationen (balanciert) zwischen akrozentrischen Chromosomen sind meist klinisch unauffällig.
• Translokationschromosomen werden auch Derivate genannt.
• Balancierte Translokationsträger haben kein erhöhtes Risiko unbalancierte Gameten zu bilden.
• Wenn Chromosom 21 an einer Robertsonschen Translokation beteiligt ist, besteht erhöhtes Risiko für Trisomie 21 (Down-Syndrom).

Balanciert und unbalanciert

• Ein unbalancierter Karyotyp liegt vor, wenn zu viel oder zu wenig Chromosomenmaterial vorhanden ist.
• Dies ist durch Verlust/Zugewinn eines ganzen Chromosoms (numerische Aberration, z.B. Aneuploidie, Monosomie/Trisomie) oder eines Chromosomensegments (Strukturaberration, z.B. partielle Monosomie/Trisomie) verursacht.
• Häufige Strukturaberrationen sind Translokationen (reziproke Stückaustausche zwischen Chromosomen), die balanciert oder unbalanciert sein können.
• Unbalancierter Chromosomensatz mit zwei freien Chromosomen 21 (blaue Pfeile) und fest transloziert auf Chromosom 14 (roter Pfeil) führt zum Down-Syndrom.

Trisomie 21 (Down-Syndrom)

• Die Trisomie kann de novo entstehen oder durch ein Elternteil mit der balancierten Form vererbt werden.
• Wenn ein Elternteil Keimzellen bildet, kann die meiotische Segregation das freie Chromosom 21 und das Translokationschromosom der(14;21) in eine Keimzelle bekommen.
• Robertsonsche Translokationen sind reziprok, d.h. es entsteht auch ein Translokationschromosom das jedoch häufig verloren geht.
• Karyotyp bei balancierten Robertsonschen Translokationen meist nur 45 Chromosomen.

Genetische Ursachen von Trisomie 21

• Freie Trisomie 21 bei 95% der Betroffenen: Karyotyp 47,XX,+21 bzw. 47,XY,+21
• In über 90% stammt das überzählige Chromosom 21 von der Mutter meist durch Non-Disjunction Fehlverteilung
• Translokations-Trisomie 21 wird meist als Robertsonsche Translokation beobachtet
• Mosaik-Trisomie 21 tritt bei ca. 2% der Patienten auf

Klinische Merkmale von Trisomie 21

• Herzfehler, Wachstumsverzögerung, Mikrozephalie, White Spots, große Flüssigkeitsansammlung in Nackenbereich, kurze Nasenbeinlänge.

Trisomie 18 (Edwards-Syndrom)

• Inzidenz des Edwards-Syndrom etwa 1:5000 bei Lebendgeborenen
• Positive Korrelation zwischen der Inzidenz und dem mütterlichen Alter
• Meist freie Trisomie 18 vor, was bedeutet, dass bei der zytogenetischen Analyse Chromosom 18 dreimal vorliegt
• Die häufigste Chromosomen-störung bei Feten, die karyotypisiert werden
• Kaum Überleben bis zur Geburt

Trisomie 13 (Pätau-Syndrom)

• Inzidenz der Trisomie 13 ist 1:15.000-20.000 aller Lebendgeborenen.
• Nur jede 40. Konzeption überlebt bis zur Geburt.
• Geringe Lebenserwartung.
• Schwere psychomotorische Retardierung, häufig Epilepsie und schwerwiegende Gedeihstörungen.
• Genetische Ursachen:
  • Freie Trisomie 13 bei 90% der Betroffenen.
  • Translokations-Trisomie 13 bei 5-10%.
  • Mosaik-Trisomie 13 mit normalen/euploiden Zellen ist selten.

Elementare Rechenregeln für Wahrscheinlichkeiten

Relative Häufigkeiten sind Wahrscheinlichkeiten

Wie hoch ist z.B. die Wahrscheinlichkeit, dass eine Person nicht Blutgruppe A hat? P = 1 - 0,474 = 0,526

Bedingte Wahrscheinlichkeiten

Wie hoch ist die Wahrscheinlichkeit, dass Max Blutgruppe A hat, wenn ein Elternteil definitiv Blutgruppe 0 hat, vom anderen aber die Blutgruppe nicht bekannt ist? P = P(Blutgruppe A mit mindestens einem Allel 0) / P(mindestens ein Allel 0)

Abhängige und unabhängige Ereignisse, Hardy-Weinberg-Gesetz

"Blutgruppe A" und "mindestens ein Allel 0" sind abhängige Ereignisse. Andernfalls sind die Ereignisse unabhängig.

Bestimmung der Allelhäufigkeit nach dem Hardy-Weinberg-Gesetz!

Vererbung-

Bestimmung derWahrscheinlichkeiten für Kindliche Blutgruppen bei Kenntnis der Blutgruppen der Eltern

Mikrosateliten Anwendungsbeispiele

• Trisomien erkennen
• Geschlechtsbestimmung

allgemeine Informationen

• Bei einer Blutkultur für die Chromosomenanalyse werden mitogene Substanzen hinzugefügt um die Zellteilung anzuregen
• Spindelgifte werden hinzugefügt das Wachstum arrestiert werden
• Fixierung dient dazu die Zellen haltbar zu machen
• die chromosomen werden gefärbt um sie im Lichtmikroskop sichtbar zu machen

Zytologie I/Zellkern Und Zellteilung Kurse

• Einführung in die Mikroskopie
• Herstellung von Wurzelspitzen-Quetschpräparaten zur Darstellung verschiedener Mitosestadien
• Präparation der Riesenchromosomen aus den Speicheldrüsenzellen von Chironomus-Larven zur Darstellung der Chromosomenstruktur
• Betrachtung von Fertigpräparaten zur Oogenese, Spermatogenese und Meiose

Lernziele Zytologie

• Zellkern und Chromosomen: Aufbau, Funktion
• Zellzyklus: Definition, Stadien, Regulation
• Mitose: Definition, Stadien, regulierende Faktoren
• Zytokinese: Charakteristika
• Meiose: Definition, Funktion, Unterschiede zur Mitose"

Informationen über den Zellkern

• Jede tierische oder pflanzliche Zelle besitzt in der Regel mindestens einen Zellkern.
• Es gibt aber auch kernlose tierische Zellen, wie z.B. Erythrozyten der Säuger.
• Zellen, die einen Kern enthalten, heißen eukaryot.
• Der Zellkern enthält Hauptmenge der DNA und kontrolliert damit alle Lebensprozesse der Zelle.
• Die DNA ist mit Histonen assoziiert und wird in dieser Form als Chromatin bezeichnet.
• Grundeinheit des Chromatins sind die Nukleosomen (Histonproteine und darum gewickelte Doppelhelix der DNA).
• Die Elementarfibrillen sind ihrerseits zu Schleifendomänen verdichtet und zu den Chromosomen zusammengeknäult
• Im Interphasekern liegen die Chromosomen in dekondensierter Form vor
• Heterochromatin sind inaktive Chromosomenabschnitte und Euchromatin sind aufgelockerte, aktive DNA-Abschnitte
• Während einer Kernteilung werden Chromosomen sichtbar, wenn die aufgelockerte Form des Chromatins in „Transportform“ übergeht
• Die Chromosomen werden durch eine Einschnürung in häufig ungleich lange Schenkel geteilt.
• Die Lage der Zentromerregion und die Größe der einzelnen Chromosomen bestimmen ihre Form, des Menschen = 46 . Alle Körperzellen(ausser Keimzellensind diploid, die Keimzellen sind haploid
• Bei einer beginnenden Zellteilung besteht ein Chromosom aus Chromatiden.
• Innerhalb der Chromatiden sichtbare Stränge werden als Chromonemata bezeichnet.

Riesenchromosomen

• Riesenchromosomen: Struktur der Chromosomen in Interphasekernen sichtbar, typisch für Speicheldrüsen von Insektenlarven (z.B. Mücken und Fliegen).
• Entstehung: Endomitotisch durch vielfache Chromosomenverdopplung ohne Zellteilung (Ploidiegrade von 1000-3000).
• Querstreifung durch Chromomeren hervorgehoben(banding)
• Dunkle Banden entsprechen einzelnen looped domains
• Manche Banden vollziehen von Zeit zu Zeit einen Formwechsel (balbinaring)

Chromosomentheilung

• Zellteilungsstadien: Interphase(Wachstumsphase), Prophase,Metaphase, Anaphase, Telophase
• Chromosomenteilung ist die Mitose
• Interphase umfasstdas Wachstum.
• Chromosom besteht aus Chromatiden, die durch Centormer(kinetochor) zusammengehalten werden
• die Interphase gliedert sich in G1(Präsysthase), S(DNA-Synthese), G2Phase(Postsynthese)
• Mitose die Verteilung genetischen Materials auf Tochterzellen

Mitose einteilung

• Prophase,Zunehmende Strukturierung im Zellkern
• Chromosomen werden als Fadenstrukur sichtbar
• Nucleoli verschwinden,Kernhülle löst sich auf
• Metaphase,maximale Kondensation der Chromosomen
• Anaphase,Beginnende Verteilungder Tochterchromatidenin der Äquatorialplatte unterMitwirkungdesSpindelapparatesinRichtung auf Zellpole
• Endphase:EntspiralisierungderChromosomenvonder„Transportform“zur„Funktionsform“
• Abschliessendephase derZellteilung in der das Cyptoplasma aufgeteilt wird.
• Die Regulation der Phasen des Zellzyklus wird über verschiedene Proteine sichergestellt

Das Zytoskelett im Zellinneren

• Das Zytoskelett besteht aus - Stütz &Bewegung im Zellinneren: - Mikrotubuli, Mikrofilamente und Intermediärfilamente:
• Mikrotubuli bestehen aus Tubulin, dienen der Gestaltung der Zellem bilden Gleitschienen für intrazelluläre Bewegungsabläufe, Herstellung komplexer Aggregate wie Kernteilungsspindel.
• Mikrofilamente dienen der Formgebung der Zelle,beteiligung an dynamischen Prozessen wie amöboide Fortbewegung Zellteilung
• Intermediärfilamente,dienen imder mechanischen Festigung

Aktifilamente

• Werden auch als Mikrofilament bezeichnet
• Werden im Cytoskellet gefunden(z.B Muskelzellen)
• Dienen zur Stabilisierung und Veränderung der Zellform
• Wirken an der Protoplasmaströmung mit

Plasmaströhmung in Pflanzen 7.1.1

• Chemisch nicht einheitlicher Stoff,sondern organsisiertens das Substrate u. Cofaktoren aufnimmt
• Dient der Verteilung von Verbindungen 7.2
• Ermöglicht ein einfaches innerzelluläres System

Zellbewegungen

• Actinfilamente werden plasmaseitig abgebaut
• Intrazellulärer Transport von Cyptoplasma das zu dem Cytoskellet gehört

Zytologie 2

Übersicht: -Mikroskopie -Plasmaströmung in Pflanzen -Zellbewegung mittels Geißeln und Zilien

Bakteriengeißel(Flagellum)besteht aus extrazelluläres Gebilde

Entwicklung/Vergleichende Anatomie

Grundlegende Lernziele

• Grundlagen der Entwicklungsbiologie(Füllung, Wachstum)
• Gastrulation
• Vergleichende Anatomie: im Praktikum behandelten Beispiele

Entwicklung ablaufend

• Füllung
• Musterbildung
• Zelldifferenzierung

Besonderheiten

• 4 verschiedene Führungstypen
• totaleFüllungenbei holoblastischen Elberm-
• partiell-discoidale Furchung-> Keimscheibe entsteht
• partiellsuperfläche ->Dottermenge ist im Zentrum des Elies

Die Gastrulation

• Wandern Zellen an der Derseite des Embryos wodurch Doppelschlichniger Kern entsteht
• Es bilden sich Wichtige Signal Z.B Organisator und Niewkoop-Zentrum
• Entscheidende Rolle spielen die Hox-Gene

Nervensystem

• Das Gehirn der Wirbeltiere lässt stets eine Längstgliederung in fünfAbschnitte erkennen

Ich hoffe, das hilft Dir beim Lernen!

Dieses Lernmaterial befasst sich mit den Grundlagen der Mikroskopie in der Zytogenetik, einschließlich des korrekten Umgangs mit Mikroskopen und der Entsorgung von Materialien. Es werden verschiedene Chromosomenstörungen wie Robertson-Translokationen, balancierte Translokationen und Trisomien (z. B. Trisomie 21, Edwards-Syndrom, Pätau-Syndrom) erläutert.