KARIOTYP: DO CZEGO SŁUŻY, RODZAJE, JAK TO SIĘ ROBI, ZMIANY - BIOLOGIA - 2025

Kariotyp jest fotografia komplet chromosomów metafazy że szczegóły aspektów ich liczby i struktury. Dział nauk medycznych i biologicznych zajmujący się badaniem chromosomów i chorób pokrewnych jest znany jako cytogenetyka.

Chromosomy to struktury, w których zorganizowane są geny zawarte w cząsteczkach kwasu dezoksyrybonukleinowego (DNA). U eukariotów składają się z chromatyny, kompleksu białek histonowych i DNA, które jest upakowane w jądrach wszystkich komórek.

Kariotyp człowieka uzyskany za pomocą barwników fluorescencyjnych (źródło: Plociam ~ commonswiki za pośrednictwem Wikimedia Commons

Komórki każdej żywej istoty na Ziemi mają określoną liczbę chromosomów. Na przykład bakterie mają tylko jeden krążek, podczas gdy ludzie mają 46 zorganizowanych w 23 pary; a niektóre gatunki ptaków mają do 80 chromosomów.

W przeciwieństwie do ludzi, komórki roślinne mają na ogół więcej niż dwa homologiczne (identyczne) zestawy chromosomów. Zjawisko to jest znane jako poliploidia.

Wszystkie instrukcje niezbędne do wzrostu i rozwoju istot żywych, jednokomórkowych lub wielokomórkowych, zawarte są w cząsteczkach DNA zwiniętych na chromosomach. Stąd tak ważna jest znajomość jego struktury i właściwości w gatunku lub w jakimkolwiek z jego osobników.

Termin kariotyp został po raz pierwszy użyty w latach dwudziestych XX wieku przez Delaunaya i Levitsky'ego do określenia sumy charakterystycznych właściwości fizycznych chromosomów: ich liczby, wielkości i osobliwości strukturalnych.

Od tego czasu jest używany w tym samym celu w kontekście współczesnej nauki; a jej badanie towarzyszy wielu procesom diagnostyki klinicznej różnych chorób człowieka.

Kariotyp człowieka

Zestaw 46 chromosomów (23 pary), które tworzą ludzki genom, nazywany jest ludzkim kariotypem i które są ułożone graficznie zgodnie z takimi cechami, jak rozmiar i wzór prążków, co jest widoczne dzięki zastosowaniu specjalnych technik barwienia.

Schematyczne przedstawienie ludzkiego kariotypu (źródło: Mikael Häggström za pośrednictwem Wikimedia Commons)

Z 23 par chromosomów tylko od 1 do 22 są ułożone według wielkości. W komórkach somatycznych, to znaczy w komórkach nieseksualnych, znajdują się te 22 pary i, w zależności od płci osobnika, mężczyzny lub kobiety, dodaje się parę chromosomów X (kobiety) lub parę XY (mężczyźni). .

Pary od 1 do 22 nazywane są chromosomami autosomalnymi i są takie same u obu płci (męskiej i żeńskiej), podczas gdy chromosomy płci, X i Y, różnią się od siebie.

Do czego służy kariotyp?

Główną użytecznością kariotypu jest szczegółowa wiedza o ładunku chromosomów gatunku i charakterystyce każdego z jego chromosomów.

Chociaż niektóre gatunki są polimorficzne i poliploidalne w stosunku do swoich chromosomów, to znaczy mają różne kształty i ich liczbę w całym cyklu życiowym, znajomość kariotypu pozwala zwykle na wyciągnięcie wielu ważnych informacji na ich temat.

Dzięki kariotypowi można zdiagnozować zmiany chromosomalne na „dużą skalę” obejmujące duże fragmenty DNA. U ludzi wiele chorób i stanów upośledzonych umysłowo oraz innych wad fizycznych jest związanych z poważnymi nieprawidłowościami chromosomowymi.

Rodzaje kariotypów

Kariotypy opisano zgodnie z notacją zatwierdzoną przez Międzynarodowy System Nazewnictwa Cytogenetycznego Człowieka (ISCN).

W tym systemie liczba przypisana do każdego chromosomu ma związek z jego rozmiarem i zwykle są one uporządkowane od największego do najmniejszego. Chromosomy są przedstawiane w kariotypach jako pary chromatyd siostrzanych z małym ramieniem (p) skierowanym do góry.

Rodzaje kariotypów rozróżnia się techniką ich uzyskania. Zwykle różnica polega na typach barwienia lub „znakowaniu” używanym do odróżnienia jednego chromosomu od drugiego.

Oto krótkie podsumowanie niektórych znanych dotychczas technik:

Stałe zabarwienie

W tym przypadku barwniki takie jak Giemsa i orceina są używane do równomiernego zabarwienia chromosomów. Był szeroko stosowany do wczesnych lat siedemdziesiątych, ponieważ były to jedyne znane barwniki w tamtym czasie.

G-band lub Giemsa plama

Jest to najczęściej stosowana technika w klasycznej cytogenetyce. Chromosomy są wcześniej trawione trypsyną, a następnie barwione. Wzór prążków uzyskany po wybarwieniu jest specyficzny dla każdego chromosomu i umożliwia szczegółowe badanie jego struktury.

Istnieją metody alternatywne do barwienia Giemsa, ale dają one bardzo podobne wyniki, takie jak prążki Q i wsteczne prążki R (gdzie obserwowane ciemne prążki są jasnymi prążkami uzyskanymi z prążkami G).

Konstytutywny zespół C.

W szczególności zabarwia heterochromatynę, zwłaszcza tę znajdującą się w centromerach. Zabarwia również część materiału w krótkich ramionach chromosomów akrocentrycznych i dystalnym obszarze długiego ramienia chromosomu Y.

Pasy replikacji

Służy do identyfikacji nieaktywnego chromosomu X i obejmuje dodanie analogu nukleotydu (BrdU).

Plama srebrna

W przeszłości był używany do identyfikacji regionów organizacji jąderkowej, które zawierają wiele kopii rybosomalnego RNA i znajdują się w regionach centromerowych.

Barwienie distamycyną A / DAPI

Jest to technika barwienia fluorescencyjnego, która odróżnia heterochromatynę od chromosomów 1, 9, 15, 16 oraz od chromosomu Y u ludzi. Jest używany szczególnie do rozróżnienia odwróconej duplikacji chromosomu 15.

Fluorescencyjna hybrydyzacja in situ (FISH)

Uznana za największy postęp cytogenetyczny po latach 90. XX wieku, jest to potężna technika, dzięki której można rozróżnić submikroskopowe delecje. Wykorzystuje sondy fluorescencyjne, które specyficznie wiążą się z cząsteczkami chromosomalnego DNA i istnieje wiele wariantów tej techniki.

Porównawcza hybrydyzacja genomowa (CGH)

Wykorzystuje również sondy fluorescencyjne do różnicowego znakowania DNA, ale wykorzystuje znane standardy porównawcze.

Inne techniki

Inne, bardziej nowoczesne techniki nie obejmują bezpośrednio analizy struktury chromosomów, ale raczej bezpośrednie badanie sekwencji DNA. Obejmują one mikromacierze, sekwencjonowanie i inne techniki oparte na amplifikacji PCR (reakcja łańcuchowa polimerazy).

Jak wykonywany jest kariotyp?

Istnieją różne techniki badania chromosomów lub kariotypu. Niektóre są bardziej wyrafinowane niż inne, ponieważ umożliwiają wykrycie niewielkich niedostrzegalnych zmian najczęściej stosowanymi metodami.

Analizy cytogenetyczne w celu uzyskania kariotypu są zwykle wykonywane z komórek obecnych w błonie śluzowej jamy ustnej lub we krwi (przy użyciu limfocytów). W przypadku badań noworodków próbki pobierane są z płynu owodniowego (techniki inwazyjne) lub z krwinek płodu (techniki nieinwazyjne).

Powody wykonywania kariotypu są różnorodne, ale często wykonuje się je między innymi w celu diagnozowania chorób, badań płodności, czy ustalenia przyczyn nawracających poronień lub zgonów płodów i nowotworów.

Kroki do wykonania testu kariotypu są następujące:

1-Uzyskanie próbki (niezależnie od jej źródła).

2-Separacja komórek, niezwykle ważny krok, szczególnie w przypadku próbek krwi. W wielu przypadkach konieczne jest oddzielenie dzielących się komórek od dzielących się za pomocą specjalnych odczynników chemicznych.

Wzrost 3 komórek. Czasami konieczne jest wyhodowanie komórek w odpowiedniej pożywce hodowlanej, aby uzyskać ich większą ilość. Może to zająć więcej niż kilka dni, w zależności od rodzaju próbki.

4-Synchronizacja komórek. Aby jednocześnie obserwować skondensowane chromosomy we wszystkich hodowanych komórkach, konieczne jest ich „zsynchronizowanie” za pomocą zabiegów chemicznych, które zatrzymują podział komórek, gdy chromosomy są bardziej zwarte, a przez to widoczne.

5-Uzyskanie chromosomów z komórek. Aby zobaczyć je pod mikroskopem, chromosomy muszą zostać „wyciągnięte” z komórek. Zwykle osiąga się to poprzez traktowanie ich roztworami, które powodują ich pękanie i rozpad, uwalniając chromosomy.

6-Barwienie. Jak podkreślono powyżej, chromosomy należy wybarwić jedną z wielu dostępnych technik, aby można było je obserwować pod mikroskopem i przeprowadzić odpowiednie badanie.

7-Analiza i liczenie. Chromosomy są szczegółowo obserwowane w celu określenia ich tożsamości (w przypadku wcześniejszej znajomości), ich cech morfologicznych, takich jak wielkość, położenie centromeru i wzór prążków, liczba chromosomów w próbce itp.

8-klasyfikacja. Jednym z najtrudniejszych zadań cytogenetyków jest klasyfikacja chromosomów poprzez porównanie ich cech, ponieważ konieczne jest ustalenie, który chromosom jest którym. Dzieje się tak, ponieważ ponieważ w próbce jest więcej niż jedna komórka, będzie więcej niż jedna para tego samego chromosomu.

Nieprawidłowości chromosomalne

Przed opisaniem różnych zmian chromosomowych, które mogą zaistnieć, i ich konsekwencji dla zdrowia człowieka, konieczne jest zapoznanie się z ogólną morfologią chromosomów.

Morfologia chromosomów

Chromosomy to struktury, które wydają się liniowe i mają dwa „ramiona”, małe (p) i większe (q), które są oddzielone od siebie regionem znanym jako centromer, wyspecjalizowane miejsce DNA, które uczestniczy w zakotwiczeniu wrzeciona. mitotyczny podczas mitotycznego podziału komórek.

Centromer może znajdować się w środku obu ramion p i q, daleko od środka lub blisko jednego z ich końców (metacentryczne, submetacentryczne lub akrocentryczne).

Na końcach krótkich i długich ramion chromosomy mają „czapki” zwane telomerami, które są szczególnymi sekwencjami DNA bogatymi w powtórzenia TTAGGG i które są odpowiedzialne za ochronę DNA i zapobieganie fuzji między chromosomami.

Na początku cyklu komórkowego chromosomy są postrzegane jako pojedyncze chromatydy, ale w miarę replikacji komórki tworzą się dwie siostrzane chromatydy, które mają ten sam materiał genetyczny. To właśnie te pary chromosomów są widoczne na zdjęciach kariotypu.

Chromosomy mają różne stopnie „upakowania” lub „kondensacji”: heterochromatyna jest formą najbardziej skondensowaną i jest nieaktywna transkrypcyjnie, podczas gdy euchromatyna odpowiada luźniejszym regionom i jest aktywna transkrypcyjnie.

W kariotypie każdy chromosom wyróżnia się, jak podkreślono powyżej, jego rozmiarem, położeniem jego centromeru i wzorem prążków przy barwieniu różnymi technikami.

Nieprawidłowości chromosomalne

Z patologicznego punktu widzenia można określić specyficzne zmiany chromosomalne, które są regularnie obserwowane w populacjach ludzkich, chociaż inne zwierzęta, rośliny i owady nie są z nich wyłączone.

Nieprawidłowości często mają związek z delecjami i duplikacjami regionów chromosomu lub całych chromosomów.

Defekty te są znane jako aneuploidie, czyli zmiany chromosomowe, które obejmują utratę lub zysk całego chromosomu lub jego części. Straty są znane jako monosomie, a zyski są znane jako trisomie, a wiele z nich jest śmiertelnych dla rozwijających się płodów.

Mogą również występować przypadki inwersji chromosomów, w których kolejność sekwencji genów zmienia się z powodu jednoczesnych przerw i błędnych napraw jakiegoś regionu chromosomu.

Translokacje to również zmiany chromosomalne, które obejmują zmiany w dużych częściach chromosomów, które są wymieniane między niehomologicznymi chromosomami i mogą być wzajemne lub nie.

Istnieją również zmiany, które są związane z bezpośrednim uszkodzeniem sekwencji genów zawartych w chromosomalnym DNA; a są nawet pewne związane ze skutkami „znaków” genomowych, które może przynieść ze sobą materiał odziedziczony po jednym z dwojga rodziców.

Choroby ludzkie wykrywane za pomocą kariotypów

Analiza cytogenetyczna zmian chromosomalnych przed i po urodzeniu jest niezbędna do kompleksowej opieki klinicznej nad niemowlętami, niezależnie od zastosowanej w tym celu techniki.

Zespół Downa jest jedną z najczęściej wykrywanych patologii w badaniu kariotypu i ma związek z nierozłączeniem chromosomu 21, dlatego jest również znany jako trisomia 21.

Kariotyp człowieka z trisomią na chromosomie 21 (źródło: Program genomu ludzkiego Departamentu Energii USA. Via Wikimedia Commons)

Niektóre rodzaje raka są wykrywane poprzez badanie kariotypu, ponieważ są one związane ze zmianami chromosomowymi, zwłaszcza delecją lub duplikacją genów bezpośrednio zaangażowanych w procesy onkogenne.

Pewne typy autyzmu diagnozuje się na podstawie analizy kariotypu i wykazano, że duplikacja chromosomu 15 jest zaangażowana w niektóre z tych schorzeń u ludzi.

Wśród innych patologii związanych z delecjami na chromosomie 15 jest zespół Pradera-Williego, który powoduje objawy, takie jak brak napięcia mięśniowego i niewydolność oddechowa u niemowląt.

Syndrom „płaczącego kota” (z francuskiego cri-du-chat) oznacza utratę krótkiego ramienia chromosomu 5, a jedną z najbardziej bezpośrednich metod jego rozpoznania jest badanie cytogenetyczne kariotypu.

Translokacja części między chromosomami 9 i 11 charakteryzuje pacjentów cierpiących na chorobę afektywną dwubiegunową, szczególnie związaną z przerwaniem genu na chromosomie 11. Inne wady tego chromosomu obserwowano również w różnych wadach wrodzonych.

Według badań przeprowadzonych przez Weh i wsp. W 1993 roku ponad 30% pacjentów ze szpiczakiem mnogim i białaczką plazmatyczną ma kariotypy z chromosomami, których struktury są nieprawidłowe lub nieprawidłowe, zwłaszcza na chromosomach 1, 11 i 14. .

Bibliografia

1. Alberts, B., Dennis, B., Hopkin, K., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., … Walter, P. (2004). Podstawowa biologia komórki. Abingdon: Garland Science, Taylor & Francis Group.
2. Battaglia, E. (1994). Nukleosom i nukleotyp: krytyka terminologiczna. Caryologia, 47 (3–4), 37–41.
3. Elsheikh, M., Wass, JAH, & Conway, G. (2001). Zespół autoimmunologiczny tarczycy u kobiet z zespołem Turnera - związek z kariotypem. Clinical Endocrinology, 223–226.
4. Fergus, K. (2018). Bardzo dobre zdrowie. Pobrane z www.verywellhealth.com/how-to-how-is-a-karyotype-test-done-1120402
5. Gardner, R. i Amor, D. (2018). Gardner and Sutherland's Chromosome abnormals and Genetic Counselling (5th ed.). Nowy Jork: Oxford University Press.
6. Griffiths, A., Wessler, S., Lewontin, R., Gelbart, W., Suzuki, D. i Miller, J. (2005). Wprowadzenie do analizy genetycznej (8th ed.). Freeman, WH & Company.
7. Rodden, T. (2010). Genetics For Dummies (2nd ed.). Indianapolis: Wiley Publishing, Inc.
8. Schrock, E., Manoir, S., Veldman, T., Schoell, B., Wienberg, J., Ning, Y., … Ried, T. (1996). Wielokolorowe spektralne kariotypowanie ludzkich chromosomów. Science, 273, 494–498.
9. Wang, T., Maierhofer, C., Speicher, MR, Lengauer, C., Vogelstein, B., Kinzler, KW, & Velculescu, VE (2002). Cyfrowe kariotypowanie. PNAS, 99 (25), 16156-16161.