Chromosomen sind spezifische Formen von DNA, die in einer Zelle während der Mitose oder Meiose vorhanden sind. Im Zellkern ist die DNA eng um ein Protein namens Histon gewickelt und in eine lineare Struktur verpackt. Wenn sich die Zellen nicht teilen, sind die Chromosomen im Zellkern nicht sichtbar – wie es unter dem Mikroskop der Fall ist. Die DNA, aus der das Chromosom besteht, wird jedoch während der Zellteilung kompakter und ist unter dem Mikroskop sichtbar. Jedes Chromosom hat einen Kontraktionspunkt, das so genannte Zentromer (Punkt), der das Chromosom in zwei Teile, den „Arm“, teilt. Der kurze Arm ist der „p-Arm“; der lange Arm ist der „q-Arm“. Die Lage des Zentromers auf jedem Chromosom gibt dem Chromosom eine einzigartige Form, die zur Beschreibung der Lage eines bestimmten Gens verwendet werden kann. Chromosomen sind artspezifisch und variieren in Anzahl, Größe und Morphologie je nach Art, Zelltyp und Entwicklungsstadium.

Abbildung 1. Schema eines replizierten und kondensierten eukaryotischen Chromosoms in der Metaphase. (1) Chromatid – einer der beiden identischen Teile des Chromosoms nach der S-Phase. (2) Zentromer – der Punkt, an dem sich die beiden Chromatiden berühren. (3) Kurzer Arm (p). (4) Langer Arm (q).

Chromosomenstruktur

Im Jahr 1975 präsentierten Wissenschaftler den Beweis, dass die Chromatinstruktur aus einer sich wiederholenden Einheit besteht, die sie als „Perlen auf einer Schnur“ beschrieben. Diese Perlen sind heute als Nukleosomen bekannt, d.h. als kleine Proteinscheiben, um die sich die DNA (die „Schnur“) wickelt. Diese Nukleosomen sind durch 10-60 bp Linker-DNA getrennt und wickeln sich entlang der DNA zu einem Array mit einem Durchmesser von etwa 11 nm auf. Diese Anordnung wird dann zu einer 30 nm langen Faser aufgerollt, die sich zu einer mikroskopischen Einheit, dem Chromosom, aufwickelt. Das Nukleosom besteht aus 146 bp DNA, die 1,7 Mal um ein Histonoktamer gewickelt sind, das aus einem Histon H3/H4-Tetramer besteht, das von zwei H2A/H2B-Dimeren flankiert wird. Nukleosomen dienen dazu, die DNA zu verpacken und gleichzeitig den Zugang für die Gentranskription sowie die DNA-Replikation und -Reparatur zu ermöglichen. Zusätzlich zu den Elektromikrofotografien, die Perlen auf einer Schnur zeigen, wurden Nukleosomen auch durch den Verdau von Chromatin mit Nukleasen identifiziert, was zu etwa 200-bp-Leitern führte, sowie durch die zentrifugale Isolierung von 11,5S-Nukleoprotein-Komplexen. Man geht seit langem davon aus, dass das Verhalten des Chromatins eine direkte Folge der Eigenschaften dieser Nukleosomen ist. Heute weiß man, dass Chromatin aus DNA und Histonen sowie aus einer Vielzahl anderer Proteinkomplexe besteht, die an den DNA-bezogenen Zellfunktionen beteiligt sind. Histone spielen sowohl strukturelle als auch funktionelle Rollen in diesen Prozessen, zu denen Replikation, Reparatur, Rekombination, Transkription und Segregation gehören.

Abbildung 2. Schema der Chromosomenstruktur.

Chromosomen in Eukaryonten

Chromosomen in Eukaryonten sind aus Chromatinfasern aufgebaut. Chromatinfasern bestehen aus Nukleosomen (Histonoktameren, einem Teil des DNA-Strangs, der verbunden und umwickelt ist). Die Chromatinfasern werden von Proteinen zu einer konzentrierten Struktur namens Chromatin verpackt. Chromatin ist in den Mitochondrien vorhanden, der größte Teil davon ist DNA, und die Mutter erbt einen kleinen Teil davon. Chromatin ist in den meisten Zellen vorhanden, mit einigen wenigen Ausnahmen, wie z. B. in roten Blutkörperchen. Chromatin kann sehr lange DNA-Moleküle bilden, die für den Zellkern geeignet sind. Bei der Zellteilung verdichtet sich das Chromatin weiter und bildet Chromosomen, die unter dem Mikroskop sichtbar sind. Die Struktur der Chromosomen ändert sich im Laufe des Zellzyklus. Während der Zellteilung werden die Chromosomen repliziert, geteilt und erfolgreich an die Nachkommenzellen weitergegeben, um die genetische Vielfalt und das Überleben der Nachkommen zu gewährleisten. Chromosomen können wiederholt oder nicht wiederholt werden. Ein sich wiederholendes Chromosom ist ein einzelnes Duplex, und ein sich wiederholendes Chromosom enthält zwei identische Kopien (Chromatiden oder Schwesterchromatiden genannt) und ist durch Zentromere verbunden.

Abbildung 3. Organisation der DNA in einer eukaryotischen Zelle.

Chromosomen in Prokaryoten

Prokaryoten haben normalerweise eine Kopie pro Hauptchromosom, aber die meisten Zellen können problemlos mit mehreren Kopien überleben. Zum Beispiel hat der Symbiont der Heuschrecke Buchnera mehrere Kopien seines Chromosoms, wobei jede Zelle einen Replikationsbereich von 10-400 Kopien hat. In einigen großen Bakterien, wie Epulopiscium fishelsoni, können jedoch bis zu 100.000 Chromosomenkopien vorhanden sein. Wie bei Eukaryoten ist die Kopienzahl von Plasmiden und plasmidähnlichen Minichromosomen sehr variabel. Die Anzahl der Plasmide in einer Zelle hängt fast ausschließlich von der Fragmentierungsrate des Plasmids ab – eine schnelle Teilung führt zu einer hohen Kopienzahl.

Menschliches Chromosom

Die menschlichen Chromosomen lassen sich in zwei Typen unterteilen: Autosomen (somatische Chromosomen) und Geschlechtschromosomen (heterologe Chromosomen). Bestimmte genetische Merkmale hängen mit dem Geschlecht einer Person zusammen und werden durch das Geschlechtschromosom übertragen. Das Autosom enthält also den Rest der genetischen Information. Die autosomalen und die Geschlechtschromosomen sind bei der Replikation, Mitose und Meiose identisch. Menschliche Zellen haben 23 Chromosomenpaare (22 Autosomenpaare und ein Geschlechtschromosomenpaar), d. h. es gibt 46 Chromatiden pro Zelle. Darüber hinaus verfügen menschliche Zellen über Hunderte von Kopien mitochondrialer Chromosomen. Die Sequenzierung des menschlichen Genoms liefert eine Fülle von Informationen über jedes einzelne Chromosom.