Mitose und Meiose: die Phasen, Crossing-over und Nondisjunction

Zwei Arten der Teilung

Die Mitose teilt eine Zelle in zwei, die genetisch mit ihr identisch sind, jede mit dem vollen Chromosomensatz. So wird aus einer befruchteten Eizelle ein Körper, und so werden Haut, Darmschleimhaut und Blut erneuert. Die Meiose teilt eine Zelle in vier, jede mit der halben Chromosomenzahl, um Eizellen und Spermien zu bilden (oder Sporen bei Pflanzen und Pilzen). Verschmelzen zwei solche Zellen bei der Befruchtung, ist die volle Zahl wiederhergestellt.

Körperzellen sind diploid (2n): Sie tragen zwei Chromosomensätze, einen von jedem Elternteil. Menschen haben 2n = 46, also 23 Paare. Jedes Paar sind homologe Chromosomen: dieselben Gene in derselben Reihenfolge, womöglich in verschiedenen Versionen (Allelen). Keimzellen sind haploid (n = 23).

Vor jeder Teilung: die Replikation

In der S-Phase der Interphase wird jedes Chromosom kopiert. Die beiden Kopien, Schwesterchromatiden, bleiben am Zentromer verbunden, deshalb sieht ein Chromosom in der Mitose wie ein X aus. Die Zahl der Chromosomen bleibt gleich (46), der DNA-Gehalt verdoppelt sich aber von 2C auf 4C, wobei C die DNA eines Satzes ist.

Die Mitose Phase für Phase

1. Prophase: Das lange, dünne Chromatin windet sich zu kompakten Chromosomen; zwischen den Zentrosomen bildet sich die Spindel.
2. Prometaphase: Die Kernhülle zerfällt, und Spindelfasern setzen an den Kinetochoren jedes Zentromers an, eine Schwester an jedem Pol.
3. Metaphase: Die Chromosomen ordnen sich am Äquator an, der Metaphaseplatte. Ein Kontrollpunkt wartet, bis jedes von beiden Seiten gefasst ist.
4. Anaphase: Die Schwestern trennen sich und werden zu entgegengesetzten Polen gezogen. Jede ist nun ein eigenes Chromosom.
5. Telophase und Zytokinese: Um jede Gruppe bilden sich Kernhüllen, die Chromosomen entwinden sich, und die Zelle schnürt sich durch.

Ergebnis: zwei diploide Zellen mit je 46 Chromosomen, ein Chromatid pro Chromosom, 2C DNA.

Die Meiose Phase für Phase

Meiose I trennt die Homologen:

1. Prophase I: Homologe Chromosomen legen sich der Länge nach aneinander (Synapse) zu Bündeln aus vier Chromatiden. Nicht-Schwesterchromatiden tauschen passende Abschnitte aus: Crossing-over, sichtbar als Chiasmata. Das ist die längste Phase; in menschlichen Eizellen ruht sie jahrzehntelang.
2. Metaphase I: Die Paare ordnen sich am Äquator an, jedes Paar zufällig zu den Polen ausgerichtet: unabhängige Verteilung.
3. Anaphase I: Die Homologen wandern zu entgegengesetzten Polen; die Schwestern bleiben zusammen.
4. Telophase I: zwei Zellen mit je 23 Chromosomen aus je zwei Chromatiden (2C).

Die Meiose II ist wie eine Mitose ohne neues Kopieren: Die Chromosomen ordnen sich in jeder Zelle an, die Schwestern trennen sich, und es entstehen vier haploide Zellen mit je 23 Ein-Chromatid-Chromosomen (1C).

Zählen durch eine Teilung (n = 23)

• Nach der S-Phase: 46 Chromosomen, 92 Chromatiden, 4C.
• Mitose, jede Tochterzelle: 46 Chromosomen, 46 Chromatiden, 2C.
• Nach der Meiose I, jede Zelle: 23 Chromosomen, 46 Chromatiden, 2C.
• Nach der Meiose II, jede Zelle: 23 Chromosomen, 23 Chromatiden, 1C.

Chromosomen zählt man an den Zentromeren, nicht an den Chromatiden: Ein X-förmiges repliziertes Chromosom ist immer noch ein Chromosom.

Warum jede Keimzelle anders ist

Die unabhängige Verteilung allein ergibt 2ⁿ Kombinationen ganzer Chromosomen: 2²³ = 8.388.608 beim Menschen. Das Crossing-over, ein bis drei Austausche pro Chromosomenpaar, mischt die Allele auch innerhalb der Chromosomen, die Zahl möglicher Keimzellen ist also praktisch unbegrenzt. Dazu kommt die zufällige Befruchtung, und keine zwei Kinder derselben Eltern (außer eineiigen Zwillingen) teilen ein Genom.

Nondisjunction

Trennen sich zwei Homologe (in der Meiose I) oder zwei Schwestern (in der Meiose II oder Mitose) nicht, bekommt eine Tochterzelle beide und die andere keines. Eine Keimzelle mit einem zusätzlichen Chromosom ergibt bei der Befruchtung eine Trisomie, eine, der eines fehlt, eine Monosomie. Trisomie 21 (Down-Syndrom) ist die häufigste lebensfähige; ihr Risiko steigt mit dem Alter der Mutter steil an, weil Eizellen jahrzehntelang in der Meiose I ruhen. Nondisjunction in der Mitose erzeugt ein Mosaik und ist in Krebszellen häufig.

Die Simulation benutzen

Der Mitose- und Meiose-Simulator spielt eine Teilung mit roten Chromosomen von einem Elternteil und blauen vom anderen ab. Zum Ausprobieren:

• Lass die Mitose mit zwei Paaren laufen, dann die Meiose mit denselben, und vergleiche das Ende: zwei Zellen mit vier Chromosomen gegenüber vier Zellen mit zwei.
• Achte in der Meiose auf die Prophase I: Die Enden eines roten und eines blauen Chromatids tauschen am Crossing-over-Punkt die Farbe. Verschieb den Regler, und das getauschte Stück ändert seine Größe.
• Setz mehrmals zurück und merk dir in der Metaphase I, zu welcher Seite jedes rote Chromosom zeigt: Es ändert sich zufällig.
• Kreuz Nondisjunction an und lies die Chromosomenzahlen der Endzellen ab.

Was das Modell annimmt

• Bis zu vier Chromosomenpaare abnehmender Länge, stellvertretend für die echte Zahl.
• Ein Crossing-over pro Paar, an derselben Stelle jedes Chromosoms, zwischen den beiden inneren Chromatiden. Echte Austausche variieren in Zahl und Lage und können jedes Paar von Nicht-Schwesterchromatiden betreffen.
• Feste Phasendauern. Eine echte Mitose dauert etwa eine Stunde eines etwa eintägigen Zellzyklus, von dem die Interphase fast alles einnimmt; die Prophase I der Meiose kann bei Spermien Tage und bei Eizellen Jahrzehnte dauern.
• Nondisjunction nur des ersten Paares, in der ersten Teilung.
• Schematische Zellen: Zentrosomen, Spindeln und Kerne sind vereinfacht; andere Organellen fehlen, und die vier Produkte der Meiose sind gleich groß gezeichnet.

Grenzfälle

• Ein Paar (2n = 2): nur zwei Verteilungsmöglichkeiten; die Produkte der Meiose unterscheiden sich nur durch das Crossing-over.
• Crossing-over ganz am Ende eines Chromosoms tauscht fast nichts; nahe dem Zentromer tauscht es fast einen ganzen Arm.
• Nondisjunction in der Mitose ergibt Zellen mit 2n + 1 und 2n − 1; in der Meiose I zwei mit n + 1 und zwei mit n − 1.
• Der DNA-Gehalt bleibt die ganze Mitose über bis zur Zytokinese bei 4C, auch nachdem sich die Schwestern in der Anaphase getrennt haben.

Wo das Modell nicht mehr stimmt

• Ungleiche Teilung bei Eizellen. In der weiblichen Meiose sind die Teilungen ungleich: eine große Eizelle und zwei oder drei winzige Polkörperchen, die zugrunde gehen. Nur die männliche Meiose liefert vier gleiche Spermien.
• Geschlechtschromosomen. X und Y paaren sich nur in kleinen Bereichen an ihren Enden, und die Homologen der Simulation sind alle Autosomen.
• Pflanzenzellen bauen eine neue Wand von der Mitte nach außen (eine Zellplatte), statt sich durchzuschnüren, und viele Pflanzen sind polyploid, mit mehr als zwei Sätzen.
• Fehler und Kontrollpunkte. Echte Zellen haben Spindelkontrollpunkte, Cohesin-Proteine, die die Schwestern zusammenhalten und in der Anaphase zerschnitten werden, und Reparaturwege; versagen diese, können Zellen ganze zusätzliche Sätze oder gebrochene Chromosomen bekommen, was dieses Modell nicht zeigt.
• Bakterien machen beides nicht; sie kopieren ein einzelnes ringförmiges Chromosom und teilen sich durch Zweiteilung, wie im Bakterienwachstums-Simulator.

Passende Tools

Verfolge Allele von den Eltern zu den Nachkommen mit dem Punnett-Quadrat-Rechner und seiner Anleitung Ein Punnett-Quadrat verwenden; sieh im Simulator für natürliche Selektion und Populationsgenetik, wie sich Allelhäufigkeiten über Generationen ändern; und betrachte das Molekül, das kopiert wird, im DNA- und RNA-Faltungsbetrachter.