Das Crossing Over ist ein Austausch von genetischem Material während der Reifeteilung der Keimzellen. Stücke von Erbmaterial tauschen hierbei untereinander ihre Position. Das Crossing Over führt somit zur Kombination von Merkmalen. Diese Rekombinationen des Erbguts sind die Grundlage für die Vielfalt der Erbanlagen.
Crossing Over – Meiose
Das Crossing Over ist ein Prozess, der ausschließlich in der Prophase 1 der Meiose stattfindet. Die Meiose als Art der Zellteilung ist nur bei Keimzellen zu beobachten. Sie besteht aus zwei Teilungsvorgängen.
Chromosomen sind Stränge, die aus Erbmaterial bestehen. Das Erbgut ist in dieser Form stark aufgewickelt (kondensiert). Die Chromosomen setzen sich jeweils aus zwei Chromatiden (Schwesterchromatiden) zusammen. Zwei Chromatiden ergeben ein Chromosom, wie in Abbildung 1 gezeigt.
Abbildung 1: Aufbau eines Chromosoms
Die Meiose wird auch als Reifeteilung bezeichnet. Sie findet nur in Keimzellen statt. Zu den Keimzellen (Gameten) zählen beim Mann die Spermien und bei der Frau die Eizellen. Diese verschmelzen bei der Befruchtung und mit dem Erbgut von beiden Keimzellen entsteht die Zygote.
Die Meiose besitzt die Funktion, einen diploiden Chromosomensatz zu einem haploiden Chromosomensatz aufzutrennen.
Die erste Reifeteilung der Meiose
In der ersten Reifeteilung der Meiose werden aus einer diploiden Zelle zwei haploide Zellen. Der Chromosomensatz wird dabei also halbiert.
Die erste Reifeteilung wird auch als Reduktionsteilung bezeichnet. Dies ist der Fall, da sich die Anzahl der Chromosomen verringert (reduziert).
Dies bedeutet konkret, dass aus einer Zelle mit 46 Chromosomen (= diploid) zwei Zellen mit jeweils 23 Chromosomen (= haploid) hervorgehen. Die 23 Chromosomen kommen in der diploiden Zelle jeweils doppelt vor.
Die doppelt vorkommenden Chromosomen, also sozusagen das Chromosomenpärchen, werden als homologe Chromosomen bezeichnet. Die homologen Chromosomen sind nicht identisch. Eines dieser Chromosomen kommt von der Mutter, das andere ist das väterliche Chromosom.
Die homologen Chromosomen werden bei der ersten Reifeteilung getrennt. Hierzu lagern sich die homologen Chromosomenpaare in einer Ebene nebeneinander an und werden später voneinander getrennt. Die zwei entstehenden haploiden Zellen besitzen nun einen sogenannten einfachen Chromosomensatz.
Abbildung 2: Reifeteilungen der Meiose
Bei der ersten Reifeteilung der Meiose werden lediglich die homologen Chromosomen voneinander getrennt. In den zwei neu entstandenen Zellen befindet sich demnach noch ein Chromosom des homologen Chromosomenpaars. Dieses eine Chromosom wird aus zwei Chromatiden gebildet. Man nennt es Zwei-Chromatid-Chromosom. Durch die zweite Reifeteilung trennen sich die Zwei-Chromatid-Chromosomen. Es entstehen die Zellen mit Ein-Chromatid-Chromosomen, wie in Abbildung 2 dargestellt.
Während der Prophase 1 der Meiose kommt es zum Crossing Over. Diese Phase der Meiose wird auch als Pachytän bezeichnet.
Die zweite Reifeteilung der Meiose
Bei der zweiten Reifeteilung der Meiose werden aus einer Zelle mit 23 Chromosomen zwei Zellen mit 23 Chromatiden. Nach der zweiten Reifeteilung sind die entstandenen Zellen die Keimzellen des Spermiums oder der Eizelle.
Die zweite Reifeteilung wird oftmals als Äquationsteilung bezeichnet. Bei der zweiten Reifeteilung findet kein Crossing Over statt, sie ähnelt der normalen Zellteilung. Diese Zellteilung von normalen Körperzellen wird als Mitose bezeichnet. Bei Keimzellen aber als die zweite Reifeteilung der Meiose.
Crossing Over – Ablauf
Du weißt nun, dass ein Crossing Over während der ersten Reifeteilung der Meiose stattfindet. Genauer gesagt, kommt es beim Zusammenlegen der homologen Chromosomen zum Crossing Over. Dies bedeutet, dass ein Austausch von Stücken zwischen diesen Chromosomen stattfindet.
Crossing Over bedeutet so viel wie Überkreuzung.
Beim Crossing Over überlagern sich zwei Chromatiden der jeweiligen homologen Chromosomen und Genabschnitte dieser Chromosomen werden miteinander vertauscht. Dies wird als Rekombination bezeichnet und ist in Abbildung 2 dargestellt.
Abbildung 3: Der Vorgang des Crossing Overs und der Rekombination des Erbguts.
Um unter dem Mikroskop zu erkennen, welche Chromosomen ein Crossing Over eingegangen sind, kann nach Chiasmata geschaut werden. Dabei handelt es sich um Kreuzungsstellen, die nach dem Pachytän der Meiose am Ende der Prophase 1 auftreten. Dies können eine oder mehrere Chiasmata sein. An diesen Stellen bleiben die homologen Chromosomen nach dem Crossing Over zunächst verbunden. Im nächsten Schritt der Meiose werden sie voneinander getrennt.
Der Synaptonemale Komplex
Die homologen Chromosomen lagern sich in der ersten Reifeteilung aneinander an. Dabei stammt ein Chromosom von der Mutter und eins vom Vater. Diese Anlagerung wird durch eine Proteinstruktur vermittelt, die man den synaptonemalen Komplex nennt.
Die paarige Anlagerung der homologen Chromosomen, vermittelt durch den synaptonemalen Komplex, bezeichnet man als Synapsis.
Der synaptonemale Komplex beinhaltet zwei homologe Chromosomen, die aus jeweils zwei Chromatiden bestehen. Der ganze Komplex besteht also aus vier Chromatiden. Dabei sorgen strickleiterartige Strukturen zwischen den Chromosomen für die Bildung des Komplexes.
Dadurch, dass im synaptonemalen Komplex zwei homologe Chromosomen vorkommen, kann man diese als bivalent (bi = zwei) bezeichnen. Durch das Vorkommen der vier Chromatiden wird auch von einer Tetrade (tetra = vier) gesprochen. Der Komplex ist wichtig, damit eine Rekombination erfolgen kann.
Die Chromatiden des Komplexes tauschen im Rahmen der Rekombination gegenseitig Stücke aus. Dadurch erhalten die mütterlichen Chromosomen Teile der väterlichen Chromosomen und umgekehrt. Die dabei entstehenden Chromosomen bezeichnet man als Mosaikchromatiden, weil sie väterliches und mütterliches Erbmaterial aufweisen.
Es entstehen zwischen Chromosomen und deren Chromatiden im Komplex sogenannte Rekombinationsknoten. Diese Knoten haben meist die gleiche Anzahl wie die Crossing Overs. Es lässt sich mutmaßen, dass diese Knoten höchstwahrscheinlich etwas mit den Crossing Over-Vorgängen zu tun haben. Inwiefern sie genau mit der Rekombination zusammenhängen, ist noch nicht abschließend geklärt.
Die Genkopplung
Wenn Gene auf dem Chromosom weit auseinander liegen, kann das Crossing Over diese mit einer höheren Wahrscheinlichkeit trennen. Liegen Gene im Chromosom nah beieinander, ist die Wahrscheinlichkeit hoch, dass sie trotz Crossing Over zusammen bleiben. Diese Gene werden anschließend zusammen vererbt. Dabei spricht man von einer sogenannten Genkopplung.
Wenn die Gene durch das Crossing Over getrennt werden, bezeichnet man dies als Kopplungsbruch. Dadurch kann eine Rekombination erfolgen.
Crossing Over – Funktion
Alle Allele eines Gens liegen jeweils auf demselben Chromosom des Mutterorganismus und des Vaterorganismus. Auf Chromosom drei liegt also beispielsweise das Gen für die Haarfarbe. Dies ist bei dem Chromosom väterlichen und mütterlichen Ursprungs der Fall. Die Ausprägung kann sich aber unterscheiden.
Allele sind einzelne Ausprägungen von Genen. Diese liegen auf den Chromosomen. Betrachtet man zum Beispiel das Gen, welches für Haarfarben codiert, so kann ein Allel für die Haarfarbe Blond und eines für die Haarfarbe Schwarz vorliegen. Es handelt sich also bei Allelen um Genvariationen.
Beim Crossing Over werden die Allele zwischen den gleichen Chromosomen teilweise vertauscht. Dabei kann das väterliche Chromosom 3 mit dem mütterlichen Chromosom 3 ein Crossing Over eingehen. Dadurch wäre beispielsweise die mütterliche Haarfarbe nun im väterlichen Chromosom vorhanden und umgekehrt. Es gehen neue Kombinationen von Allelen auf den Chromosomen hervor. Man spricht von einer Rekombination.
Genetische Vielfalt durch das Crossing Over
Dadurch, dass durch das Crossing Over die Allele auf den Chromosomen neu kombiniert werden, führt dies zur genetischen Vielfalt. Dies bedeutet, dass kein Mensch – abgesehen von eineiigen Zwillingen – die gleiche Erbinformation in seinem Erbgut trägt und väterliche und mütterliche Ausprägungen mehr oder weniger stark kombiniert sein können.
Der Vorteil der genetischen Vielfalt
Die genetische Vielfalt sorgt dafür, dass verschiedene Merkmale kombiniert werden können. Aber wofür ist das notwendig? In der Evolution ist es oft entscheidend, wie gut ein Individuum an sein Umfeld angepasst ist.
Ein Beispiel für die Anpassung eines Lebewesens an seine Umwelt ist der Eisbär. Da dieser in schneebedeckten Gebieten heimisch ist, hat er eine weiße Fellfarbe. Damit ist er an seine Umwelt angepasst und kann sich tarnen. Währenddessen würde ein Braunbär im Schnee sofort auffallen und leicht von Feinden erkannt werden.
Durch die genetische Vielfalt können Merkmalskombinationen, die hilfreich für das Überleben der Art sind, entstehen. Wenn eine günstige Kombination auftritt, kann das Individuum lange überleben und sich fortpflanzen. Die vielen Nachkommen tragen die günstige Kombination weiter und die Merkmalskombination kann sich in der Art über einen langen Zeitraum häufen.
Es wird beispielsweise angenommen, dass es in einer Rasse unsportliche Hunde mit langen Beinen und sportliche mit kurzen Beinen gibt. Nun würde durch Crossing Over eine Rekombination entstehen, die sowohl lange Beine besitzt als auch sportlich ist. Dies ist eine vorteilhafte Kombination der Merkmale, da diese Hunde schnell und ausdauernd mit ihren langen Beinen rennen können. Diese Art der Rekombination könnte sich in der Natur auf lange Sicht gegen die anderen zwei durchsetzen.
Fehler beim Crossing Over
Wie bei fast allen Prozessen im Körper, kann es auch beim Crossing Over zu Fehlern kommen. In diesem Fall spricht man von Mutationen.
Allgemein ist eine Mutation eine Veränderung des Erbguts. Dabei kann eine Mutation zu einer Erkrankung oder Beeinträchtigung führen, sie muss es aber nicht. Es gibt auch eine Vielzahl an Mutationen, die gänzlich unbemerkt bleiben. Dabei kommt es meist darauf an, wie stark die Veränderung des Erbguts ist.
Illegitimes Crossing Over
Beim illegitimen Crossing Over handelt es sich um einen Austausch von nicht homologen Stücken der Chromatiden. Meist lagern sich die homologen Chromosomen wie gewohnt in der Meiose aneinander. Dann wird, anders als beim normalen Crossing Over, ein Kontakt zwischen zwei nicht homologen Stellen der Chromosomen hergestellt. Dabei fügt sich das Stück des einen Chomatids in das des anderen ein. Durch diesen ungleichen Austausch entstehen zwei ungleich lange Chromatiden.
Die Gewinnung von Genmaterial am Chromosom bezeichnet man als Duplikation. Der Verlust des Genmaterials wird als Deletion bezeichnet.
Beim illegitimen Crossing Over kommt es an einem Chromosom zur Deletion, beim anderen zur Duplikation. Die Veränderungen sind aber nicht ausschließlich krankhaft, sondern können teilweise auch zu einem Vorteil für das Lebewesen führen.
Die Erkrankung C21-Hydroxylase-Mangel (auch AGS Typ 3 genannt) ist ein Beispiel für die Auswirkung, die eine illegitime Crossing Over Duplikation haben kann. Dabei wird durch die Duplikation das wichtige Gen eines Enzyms (der Hydroxlase) nicht mehr abgelesen. Dadurch kommt es im Körper zu Veränderungen, die einen Salzverlust zu Folge haben.
Crossing Over - Das Wichtigste
- Das Crossing Over findet in der ersten Reifeteilung der Meiose statt.
- Beim Vorgang des Crossing Overs werden Chromatid Stücke von homologen Chromosomen ausgetauscht.
- Durch das Crossing Over kommt es zur Rekombination von Merkmalen.
- Crossing Over ist bedeutend für die genetische Vielfalt.
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