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Zytogenetik – alte Pfade, neue Wege

Dipl. - Biol. Uwe Heinrich

Obwohl schon Ende der siebziger Jahre zum ersten Mal für tot erklärt, ist die Zyto- genetik auch im neuen Jahrtausend nicht nur ein fester Bestandteil der genetischen Diagnostik, sondern hat in den letzten Jahren durch die Kombination der klassischen Zytogenetik mit molekularbiologischen Techniken eine  unerwartete Renaissance erfahren.

Historisch gesehen beschäftigt sich die Zytogenetik mit der lichtmikroskopischen Analyse des genetischen Materials in Form von Chromosomen, die man aus sich teilenden Zellen gewinnt. Die Grundlagen der klassischen Zytogenetik wurden bereits Ende des letzten Jahrhunderts gelegt, als Walther Flemming zwischen 1879 und 1889 als Erster die Trennung von Schwesterchromatiden während der Mitose beschrieb und die Begriffe Mitose, Chromatin, Prophase, Metaphase, Anaphase und Telophase prägte. Der Begriff Chromosom wurde 1888 von W. Waldeyer eingeführt. 1912 wurde von H. Winiwarter die Zahl der menschlichen Chromosomen auf 48 festgelegt, eine Zahl, die zehn Jahre später durch Painter bestätigt wurde. Erst durch Verbesserungen auf dem Gebiet der Zellkultivierung und der Chromosomenpräparation (wie z.B. die Einführung des Colchizins zur Mitosearretierung durch Blakeslee und Avery 1938 oder die Verwendung einer hypotonen Salzlösung zur Chromosomenspreitung durch Makino und Nishimura 1952) gelang es 1956 Tjio und Levan, die korrekte Zahl der menschlichen Chromosomen mit 46 (2n = doppelter Satz, d.h. 44 Autosomen und 2 Gonosomen, XX im weiblichen oder XY im männlichen Geschlecht) zu bestimmen.

 

Methoden der klassischen Zytogenetik (links, Mitte) und der molekularen Karyotypsiserung in Form der Array-CGH (rechts)

Dass Veränderungen der Chromosomenzahl oder –struktur pathologische Folgen haben können, zeigte bereits 1879 der deutsche Pathologe Arnold mit der Beschreibung von Mitoseanomalien in Krebszellen. Im Jahre 1959 konnte gleich für drei fest umschriebene Krankheitsbilder gezeigt werden, dass ihnen numerische Chromosomenaberrationen zugrunde liegen, nämlich für das Down-Syndrom (47,+21 durch Lejeune), das Ullrich-Turner-Syndrom (45,X durch Ford) und das Klinefelter-Syndrom (47,XXY durch Jacobs und Strong). Ein Jahr später bewiesen Untersuchungen von Nowell und Hungerford, dass eine bestimmte strukturelle Anomalie (das Philadelphia-Chromosom) die Ursache für den Grossteil von Fällen chronischer myeloischer Leukämie ist. Die Einführung von Bänderungsmethoden zu Beginn der siebziger Jahre durch Caspersson et al. (Quinacrin-Färbung) und Sumner (Giemsa-Färbung) ermöglichte eine genauere Beschreibung struktureller Anomalien, auch wenn komplexe Anomalien vor allem in Tumoren noch einen großen Spielraum für individuelle Interpretationen zulassen.

 

Der große Nachteil der Zytogenetik im Vergleich zur Molekulargenetik ist ihre geringe Auflösung. Vorausgesetzt, man weiß, wonach man schauen muss, erlaubt die Molekulargenetik den Nachweis von Veränderungen auf der Ebene einzelner Basen, wohingegen das Auflösungsvermögen in der Zytogenetik bei 4-6 Millionen Basenpaaren liegt. Die Überbrückung dieser enormen Lücke gelang in der 1980er Jahren durch die Einführung der molekularen Zytogenetik in Form der Fluoreszenz- in-situ-Hybridisierung (FISH). Bei dieser Technik werden mit Hilfe Fuoreszenz-markierter DNS-Fragmente („Sonden“) die komplementären Abschnitte im Genom nachgewiesen. Je nach verwendeter Sonde können somit Ampifikationen oder Deletionen bestimmter Bereiche oder Rearrangements wie Translokationen und Insertionen detektiert werden. Ein weiterer Vorteil der FISH-Analyse liegt darin, dass sie zum Teil auch auf Zellkerne angewendet werden kann, z. B. zur Untersuchung numerischer Aberrationen im Rahmen des sog. Schnelltestes an unkultivierten Fruchtwasserzellen oder bei der Polkörperdiagnostik (s. auch Reproduktionsgenetik).

 

Ein weiterer großer Schritt zum Schließen der Lücke stellt die komparative genomische Hybridisierung (CGH) dar. Bei dieser Methode werden zwei verschiedene Genome – z. B. Patienten- und Referenz-DNS – durch Markierung mit zwei unterschiedlichen Fluorochromen und gleichzeitiger Hybridisierung auf normale DNS auf Imbalancen untersucht. In der ursprünglichen Form der chromosomalen CGH erfolgte die Hybridisierung auf Metaphasepräparaten, was dass Auflöungsvermögen nur unwesentlich verbesserte.  Eine deutliche Verbesserung wurde durch das Aufbringen mehrerer Tausend DNS-Fragmente auf einen Objektträger mit anschließender Hybridisierung des DNS-Gemisches erreicht (molekulare Karyotypisierung mittels Array-CGH). Je nach Zahl der eingesetzten Sonden variiert das Auflösungsvermögen zwischen 1Mbp (3.600 Sonden) bis 70kbp (32.000 Sonden). Auch wenn diese Methoden aufgrund der lange Zeit unterschätzten Komplexität des menschlichen Genoms noch Probleme bzgl. der Interpretation der Ergebnisse bergen, so werden sie dennoch Einzug in die Routinediagnostik halten und die klassischen Zytogenetik sinnvoll ergänzen, aber auf längere Sicht noch nicht ersetzen.

 

 
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 aktualisiert am:  10.03.09