Die nicht-zufällige Segregation von Chromosomen ist eine Abweichung von der üblichen Verteilung der Chromosomen bei der Meiose, also bei der Segregation des Erbgutes auf die Keimzellen. Während üblicherweise gemäß der 2. Mendelschen Regel (Spaltungsregel) homologe Chromosomen zufällig auf die Tochterkerne verteilt werden, gibt es verschiedene davon abweichende Modi bei zahlreichen Lebewesen, die in den betreffenden Taxa „normal“ sind. Sie können einzelne Chromosomenpaare (Bivalente) oder einzelne Chromosomen ohne Paarungspartner (Univalente) betreffen oder auch ganze Chromosomensätze, indem diese gemäß ihrer elterlichen Herkunft separiert werden und in aller Regel nur diejenigen mütterlichen Ursprungs an die Nachkommen weitergegeben werden. Außerdem kommt es vor, dass nicht-homologe Chromosomen koordiniert segregieren. Im Resultat handelt es sich um eine Form nicht-Mendelscher Vererbung.
Dieser Artikel beschreibt Fälle, bei denen eine nicht-zufällige Segregation für die jeweiligen Lebewesen der Normalfall ist oder sehr häufig auftritt. Eine verwandte Erscheinung wird als Meiotic Drive oder Segregation Distortion bezeichnet. Dabei handelt es sich um eine überdurchschnittlich häufige Weitergabe (Transmission) eines einzelnen Chromosoms gegenüber dem homologen Chromosom im Erbgang. Dies kann auf einer nicht-zufälligen Segregation bei der Meiose beruhen, aber auch auf Vorgängen nach der Meiose, welche die Transmission des homologen Chromosoms reduzieren.
Daneben gibt es pathologische Fälle, die in einer Aneuploidie resultieren und fast immer letal sind.
Hintergrund und frühe Forschungsgeschichte mini|hochkant|Theodor Boveri Gemäß der 1904 von Theodor Boveri formulierten Chromosomentheorie der Vererbung war zu erwarten, dass homologe Chromosomen bei der Meiose zufällig auf die Tochterkerne verteilt werden. Erste Untersuchungen zu dieser Frage erschienen in den Jahren 1908 und 1909. Diese Arbeiten befassten sich mit der Spermatogenese bei Blattläusen, also der Meiose im männlichen Geschlecht. Bei Blattläusen erfolgt die Geschlechtsbestimmung zumeist nach dem XX/X0-Typ: Weibchen haben zwei X-Chromosomen, Männchen nur eines. Allerdings treten Männchen nur in einer Generation gegen Ende des Jahres auf, während ansonsten nur Weibchen vorhanden sind, die sich parthenogenetisch fortpflanzen. Die Frage war nun, wie es erreicht wird, dass alle Nachkommen bei der geschlechtlichen Fortpflanzung Weibchen sind. Es stellte sich heraus, dass die Meiose I inäqual ist, also in zwei ungleich großen Zellen resultiert, und das X-Chromosom immer in die größere Tochterzelle gelangt. Nur aus dieser gehen nach der Meiose II zwei Spermien hervor, während die kleinere Zelle degeneriert. So enthält jedes Spermium – wie auch die Eizelle – ein X-Chromosom, und es entstehen nur weibliche Nachkommen (XX).Hermann Schwartz: Der Chromosomenzyklus von Tetraneura ulmi DE GEER. In: Zeitschrift für Zellforschung und Mikroskopische Anatomie 15, S. 645–687 (1932).
Ebenfalls 1909 erschien eine Arbeit über die Spermatogenese der Lederwanze. Da sind zwei verschiedene X-Chromosomen und kein Y-Chromosom vorhanden (X1X20), und bei der Meiose I werden beide X-Chromosomen demselben Tochterkern zugeteilt. Ebenso ist es offenbar generell bei Spinnen, von denen in den folgenden Jahren viele Arten untersucht wurden, sowie bei verschiedenen Fadenwürmern und bei manchen Blattläusen.Michael J. D. White: The origin and evolution of multiple sex-chromosome mechanisms. In: Journal of Genetics 40(1-2), S. 303–336 (1940), open-access-Archiv der Indian Academy of Sciences.Thomas Hunt Morgan: The predetermination of sex in phylloxerans and aphids. In: Journal of Experimental Zoology 19, S. 285–321 (1915). Etwas komplizierter sind die Verhältnisse bei der amerikanischen Maulwurfsgrille Neocurtilla hexadactyla, die Fernandus Payne 1916 beschrieb: Hier sind drei Geschlechtschromosomen vorhanden (X1X2Y), von denen zwei sich paaren, während X1 als Univalent (ungepaart) vorliegt. Obwohl, wie neuere Untersuchungen bestätigt haben, keine mechanische Verbindung besteht, gelangt das univalente X-Chromosom in denselben Tochterkern, der auch das andere X-Chromosom erhält.Donna F. Kubai, Dwayne Wise: Nonrandom chromosome segregation in Neocurtilla (Gryllotalpa) hexadactyla: an ultrastructural study. Journal of Cell Biology 88, S. 281–293 (1981).
mini|hochkant|Thomas Hunt Morgan Erst nach all diesen Gegenbeispielen erschien 1917 – in derselben Zeitschrift wie Paynes Arbeit (Journal of Morphology) – eine Untersuchung von Eleanor Carothers an Heuschrecken, die als klarer Beweis für die erwartete Zufallsverteilung angesehen wurde. Während frühere Untersuchungen sich auf Geschlechtschromosomen beschränkt hatten, weil man homologe Autosomen nicht unterscheiden konnte, hatte Carothers Versuchstiere gefunden, bei denen auch homologe Autosomen zum Teil unterschieden werden konnten. Paynes abweichende Befunde wurden in der Folge ignoriert, zumal sie bei der Europäischen Maulwurfsgrille nicht bestätigt werden konnten. Thomas Hunt Morgan, der entscheidend zur Etablierung der damals noch nicht allgemein anerkannten Chromosomentheorie der Vererbung beitrug, schrieb in seinem Buch The Physical Basis of Heredity (1919) sogar ausdrücklich, es gebe keinerlei widersprechende Indizien gegen die zufällige Segregation maternaler und paternaler Chromosomen („there is not a single cytological fact opposed to the free assortment of maternal and paternal chromosomes“), obwohl ihm die Arbeit seines früheren Mitarbeiters Payne zweifellos bekannt war. Erst 1951 entdeckte Michael J. D. White diese wieder und bestätigte sie durch eigene Untersuchungen.Arthur Forer: Do chromosomes segregate randomly during meiosis?: Key articles by Fernandus Payne were ignored, and perhaps "supressed". In: Proceedings of the American Philosophical Society 140, S. 148–163 (1996).
Die dritte grundlegende Variante der nicht-zufälligen Segregation, bei der die kompletten Chromosomensätze maternaler und paternaler Herkunft voneinander getrennt werden, wurde – neben einigen weiteren Besonderheiten – in den 1920er und 30er Jahren von Charles W. Metz und Mitarbeitern bei Trauermücken untersucht.Charles W. Metz: Chromosome behavior, inheritance and sex determination in Sciara. In: American Naturalist 72, S. 485–520 (1938). Seither sind zahlreiche weitere Gegenbeispiele zur zufälligen Segregation bei sehr verschiedenen Lebewesen beschrieben worden. Erst im Jahr 2001 erschien jedoch eine erste Übersichtsarbeit, die genau diesem Thema gewidmet war und sich nicht auf bestimmte Fälle beschränkte. Die Autoren konstatierten, dass die meisten Genetiker keine Kenntnis von nicht-zufälligen Segregationen haben oder diese für seltene Ausnahmen halten. Aufgrund der weiten taxonomischen Verbreitung der bekannten Fälle argumentieren sie, dass die Bedeutung dieser Phänomene bislang unterschätzt wurde.Fernando Pardo-Manuel de Villena, Carmen Sapienza: Nonrandom segregation during meiosis: the unfairness of females. In: Mammalian Genome 12, S. 331–339 (2001).
Einzelne Chromosomen oder Chromosomenpaare Wir betrachten zunächst Fälle, in denen nur ein einzelnes Chromosomenpaar oder ein einzelnes nicht gepaartes Chromosom (Univalent) betroffen ist, in der Reihenfolge der Erstbeschreibung im jeweiligen Taxon.
Blattläuse mini|Parthenogenetische Geburt einer Blattlaus Wie erwähnt, wurde als erstes Beispiel einer nicht-zufälligen Segregation schon 1908 das Verhalten des X-Chromosoms bei der Spermatogenese von Blattläusen beschrieben. Diese Insekten existieren die meiste Zeit des Jahres nur als Weibchen und pflanzen sich parthenogenetisch, also ohne Beteiligung von Männchen, fort. Dabei findet keine Befruchtung und keine Meiose statt, und die aufeinander folgenden Generationen sind genetisch identisch. Unter gewissen Bedingungen, meistens aufgrund der abnehmenden Tageslänge gegen Ende der Vegetationsperiode der Wirtspflanzen, tritt eine Generation auf, in der auch Männchen vorhanden sind. Dies wird dadurch erreicht, dass die beiden bei Weibchen vorhandenen X-Chromosomen sich wie bei einer Meiose paaren und ihre Zahl auf 1 reduziert wird, so dass Männchen (X0) entstehen.
Dass nach dieser einen Generation, die aus Weibchen und Männchen besteht, wieder nur Weibchen entstehen, beruht, wie oben dargestellt, darauf, dass das X-Chromosom bei der Spermatogenese immer derjenigen Tochterzelle zugeteilt wird, aus der Spermien hervorgehen. Den genaueren Ablauf der Meiose beschrieb Hans Ris 1942:Hans Ris: A cytological and experimental analysis of the meiotic behavior of the univalent X chromosome in the bearberry aphid Tamalia (=Phyllaphis) coweni (Ckll.). In: Journal of Experimental Zoology 90, S. 267–330 (1942). Demnach nimmt das X-Chromosom in der Anaphase nicht an der Bewegung zu den Polen der Kernteilungsspindel teil, sondern wird zwischen den auseinanderweichenden Polen gestreckt. Auch während der anschließenden Furchung (Zellteilung) verharrt das Chromosom in dieser Position. Erst in einem späten Stadium der Furchung verschiebt sich die Furchungsrinne nach einer Seite, und das X-Chromosom wird der gegenüberliegenden, größeren Tochterzelle zugeteilt. Da nur aus dieser zwei Spermien hervorgehen, enthalten alle Spermien wie auch die Eizellen ein X-Chromosom. Nach der Befruchtung werden Eier abgelegt, die bis zum Beginn der nächsten Vegetationsperiode überdauern und aus denen dann nur Weibchen (XX) hervorgehen, die sich wieder parthenogenetisch fortpflanzen.
Schmetterlinge
mini|Die namengebende Röhre, mit der die Raupe des Röhren-Sackträgers sich umgibt Bei Schmetterlingen wird das Geschlecht der Nachkommen nicht wie im unter Tieren häufigsten Fall,Adolf Remane, Volker Storch, Ulrich Welsch: Kurzes Lehrbuch der Zoologie. 5. Aufl., Fischer, Stuttgart 1985, S. 291. so auch beim Menschen, dadurch bestimmt, ob bzw. was für ein Geschlechtschromosom das Spermium beisteuert, sondern durch die Ausstattung der Eizelle. Bei ihnen ist somit das weibliche Geschlecht heterogametisch, das männliche homogametisch. In solchen Fällen spricht man nicht von X- und Y-Chromosomen, sondern von Z- und W-Chromosomen. Männchen haben zwei Z-Chromosomen (ZZ), Weibchen entweder ein Z- und ein W-Chromosom (ZW) oder nur ein Z-Chromosom (Z0). Ein Beispiel für den ZZ/Z0-Typ ist der Röhren-Sackträger. Bei dieser Art untersuchte J. Seiler (1920), ein Mitarbeiter Richard Goldschmidts, die Vererbung des Geschlechts und das Verhalten des univalenten Z-Chromosoms bei der Oogenese. Dabei stellte er fest, dass das Geschlechterverhältnis unter den Nachkommen von der Temperatur und vom Alter der Mutter abhängt. Bei kühlen Temperaturen („Zimmertemperatur von etwa 12–16°“) gelangte das Z-Chromosom in 57 % der untersuchten Fälle bei der Meiose I in den Polkörper und nur bei 43 % in den künftigen Eikern. Entsprechend fand Seiler bei den Nachkommen einen Überschuss an Weibchen. Umgekehrt wurde das Chromosom im Brutschrank bei 30–37° bevorzugt der Eizelle zugeteilt, und es ergab sich ein Überschuss von 62 % männlichen Nachkommen. Ebenso gingen mehr Männchen hervor, wenn die Begattung erst einige Tage nach dem Schlüpfen und damit gegen Ende des kurzen Lebens der weiblichen Imago erfolgte.J. Seiler: Geschlechtschromosomenuntersuchungen an Psychiden. I. Experimentelle Beeinflussung der geschlechtsbestimmenden Reifeteilung bei Talaeporia tubulosa Retz. In: Archiv für Zellforschung 15, S. 249–268 (1920). (Die Meiose pausiert hier, wie bei den meisten wirbellosen Tieren, in der Metaphase I und wird erst nach der Befruchtung abgeschlossen. Vgl. Stillstand der weiblichen Meiose.)