КАРИОТИП: ДЛЯ ЧЕГО ОН НУЖЕН, ВИДЫ, КАК ДЕЛАЕТСЯ, ВИДОИЗМЕНЕНИЯ - БИОЛОГИЯ - 2025

Кариотип представляет собой фотографию полного набора метафазных хромосом , который детализирует аспекты их количества и структуры. Раздел медицинских и биологических наук, который занимается изучением хромосом и родственных заболеваний, известен как цитогенетика.

Хромосомы - это структуры, в которых организованы гены, содержащиеся в молекулах дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). У эукариот они состоят из хроматина, комплекса гистоновых белков и ДНК, который упакован в ядро ​​всех клеток.

Кариотип человека, полученный с помощью флуоресцентных красителей (Источник: Plociam ~ commonswiki через Wikimedia Commons

Клетки каждого живого существа на Земле имеют определенное количество хромосом. Бактерии, например, имеют только один круговой круг, в то время как у людей их 46 организованы в 23 пары; а некоторые виды птиц имеют до 80 хромосом.

В отличие от человека, растительные клетки обычно имеют более двух гомологичных (идентичных) наборов хромосом. Это явление известно как полиплоидия.

Все инструкции, необходимые для роста и развития живых существ, одноклеточных или многоклеточных, содержатся в молекулах ДНК, намотанных на хромосомы. Отсюда важность знания его структуры и характеристик у вида или у любого из его особей.

Термин кариотип был впервые использован в 1920-х годах Делоне и Левицким для обозначения суммы характерных физических свойств хромосом: их количества, размера и структурных особенностей.

С тех пор он используется с той же целью в контексте современной науки; и его изучение сопровождает многие процессы клинической диагностики различных заболеваний человека.

Кариотип человека

Набор из 46 хромосом (23 пары), составляющих геном человека, известен как кариотип человека и графически расположен в соответствии с такими характеристиками, как размер и рисунок полос, что очевидно благодаря использованию специальных методов окрашивания.

Схематическое изображение кариотипа человека (Источник: Микаэль Хэггстрём через Wikimedia Commons)

Из 23 пар хромосом только с 1 по 22 расположены в порядке размера. В соматических клетках, то есть в несексуальных клетках, обнаруживаются эти 22 пары, и, в зависимости от пола человека, будь то мужчина или женщина, добавляется пара X-хромосом (женщины) или пара XY (мужчины). ,

Пары с 1 по 22 называются аутосомными хромосомами и одинаковы для обоих полов (мужского и женского), в то время как половые хромосомы, X и Y, отличаются друг от друга.

Для чего нужен кариотип?

Основная полезность кариотипа - это подробное знание хромосомной нагрузки вида и характеристик каждой из его хромосом.

Хотя некоторые виды являются полиморфными и полиплоидными по отношению к своим хромосомам, то есть они имеют различные формы и их количество на протяжении всего жизненного цикла, знание кариотипа обычно позволяет нам вывести много важной информации о них.

Благодаря кариотипу можно диагностировать «крупномасштабные» хромосомные изменения с участием больших фрагментов ДНК. У людей многие психические заболевания или состояния и другие физические дефекты связаны с тяжелыми хромосомными аномалиями.

Типы кариотипов

Кариотипы описаны в соответствии с обозначениями, одобренными Международной системой цитогенетической номенклатуры человека (ISCN).

В этой системе номер, присвоенный каждой хромосоме, связан с ее размером, и они обычно упорядочены от наибольшего к наименьшему. Хромосомы представлены в кариотипах как пары сестринских хроматид с маленьким плечом (p), обращенным вверх.

Типы кариотипов различаются по методам их получения. Обычно разница заключается в типах окрашивания или «маркировки», используемых для дифференциации одной хромосомы от другой.

Вот краткое изложение некоторых известных на сегодняшний день методов:

Твердое окрашивание

При этом для равномерного окрашивания хромосом используются красители, такие как Гимза и орсеин. Он широко использовался до начала 1970-х годов, поскольку на то время это были единственные известные красители.

G-band или пятно Гимзы

Это наиболее часто используемый метод в классической цитогенетике. Хромосомы предварительно переваривают трипсином, а затем окрашивают. Образец полос, полученный после окрашивания, индивидуален для каждой хромосомы и позволяет детально изучить ее структуру.

Существуют методы, альтернативные окрашиванию по Гимзе, но они дают очень похожие результаты, такие как Q-полоса и обратная R-полоса (где наблюдаемые темные полосы - это светлые полосы, полученные с помощью G-полосы).

Учредительный диапазон C

Он специфически окрашивает гетерохроматин, особенно тот, который находится в центромерах. Он также окрашивает некоторый материал в коротких плечах акроцентрических хромосом и в дистальной области длинного плеча Y-хромосомы.

Чередование репликации

Он используется для идентификации неактивной Х-хромосомы и включает добавление аналога нуклеотида (BrdU).

Серебряное пятно

Исторически он использовался для идентификации регионов ядрышковой организации, которые содержат множество копий рибосомной РНК и находятся в центромерных регионах.

Окрашивание дистамицином A / DAPI

Это метод флуоресцентного окрашивания, который позволяет отличить гетерохроматин от хромосом 1, 9, 15, 16 и от Y-хромосомы у человека. Он используется, в частности, для распознавания перевернутой дупликации 15 хромосомы.

Флуоресцентная гибридизация in situ (FISH)

Признанный величайшим цитогенетическим достижением после 1990-х годов, это мощный метод, с помощью которого можно различать субмикроскопические делеции. В нем используются флуоресцентные зонды, которые специфически связываются с молекулами хромосомной ДНК, и существует множество вариантов этого метода.

Сравнительная геномная гибридизация (CGH)

Он также использует флуоресцентные зонды для дифференциальной маркировки ДНК, но использует известные стандарты сравнения.

Другие техники

Другие, более современные методы не включают непосредственно анализ хромосомной структуры, а скорее непосредственное изучение последовательности ДНК. К ним относятся микроматрицы, секвенирование и другие методы, основанные на амплификации ПЦР (полимеразной цепной реакции).

Как проводится кариотип?

Существуют различные методики исследования хромосом или кариотипа. Некоторые из них более сложны, чем другие, поскольку позволяют обнаруживать небольшие незаметные изменения наиболее часто используемыми методами.

Цитогенетические анализы для определения кариотипа обычно выполняются из клеток, присутствующих в слизистой оболочке полости рта или в крови (с использованием лимфоцитов). В случае исследований, проводимых на новорожденных, образцы берутся из околоплодных вод (инвазивные методы) или из клеток крови плода (неинвазивные методы).

Причины, по которым выполняется кариотип, разнообразны, но часто они выполняются с целью диагностики заболеваний, изучения фертильности или для выяснения причин повторяющихся выкидышей или внутриутробных смертей и рака среди других причин.

Шаги для выполнения теста кариотипа следующие:

1-Получение образца (независимо от его источника).

2-Разделение клеток, жизненно важный шаг, особенно в образцах крови. Во многих случаях необходимо отделить делящиеся клетки от делящихся с помощью специальных химических реагентов.

3-клеточный рост. Иногда необходимо выращивать клетки в подходящей культуральной среде, чтобы получить их большее количество. Это может занять более пары дней, в зависимости от типа образца.

4-Синхронизация ячеек. Чтобы одновременно наблюдать конденсированные хромосомы во всех культивируемых клетках, необходимо "синхронизировать" их с помощью химических обработок, которые останавливают деление клеток, когда хромосомы более компактны и, следовательно, видны.

5-Получение хромосом из клеток. Чтобы увидеть их под микроскопом, необходимо «вытащить» хромосомы из клеток. Обычно это достигается обработкой их растворами, которые вызывают их разрыв и распад, освобождая хромосомы.

6-Окрашивание. Как подчеркивалось выше, хромосомы должны быть окрашены одним из многих доступных методов, чтобы иметь возможность наблюдать их под микроскопом и проводить соответствующее исследование.

7-Анализ и подсчет. Хромосомы подробно исследуются для определения их идентичности (если это известно заранее), их морфологических характеристик, таких как размер, положение центромеры и характер полос, количество хромосом в образце и т. Д.

8-классификации. Одна из самых сложных задач цитогенетиков - это классификация хромосом путем сравнения их характеристик, поскольку необходимо определить, какая хромосома к какой принадлежит. Это связано с тем, что, поскольку в образце более одной клетки, будет более одной пары одной и той же хромосомы.

Хромосомные аномалии

Прежде чем описывать различные хромосомные изменения, которые могут существовать, и их последствия для здоровья человека, необходимо ознакомиться с общей морфологией хромосом.

Морфология хромосом

Хромосомы - это структуры, которые кажутся линейными и имеют два «плеча», маленькое (p) и большее (q), которые отделены друг от друга областью, известной как центромера, специализированный участок ДНК, который участвует в закреплении веретена. митотический во время митотического деления клеток.

Центромера может быть расположена в центре двух плеч p и q, далеко от центра или близко к одному из их концов (метацентрическому, субметацентрическому или акроцентрическому).

На концах короткого и длинного плеч хромосомы имеют «колпачки», известные как теломеры, которые представляют собой определенные последовательности ДНК, богатые повторами TTAGGG и отвечающие за защиту ДНК и предотвращение слияния хромосом.

В начале клеточного цикла хромосомы рассматриваются как отдельные хроматиды, но по мере репликации клетки образуются две сестринские хроматиды, которые имеют один и тот же генетический материал. Именно эти хромосомные пары видны на фотографиях кариотипа.

Хромосомы имеют разную степень «упаковки» или «конденсации»: гетерохроматин является наиболее конденсированной формой и транскрипционно неактивен, а эухроматин соответствует наиболее слабым участкам и транскрипционно активен.

В кариотипе каждая хромосома отличается, как указано выше, своим размером, положением центромеры и рисунком полос при окрашивании различными методами.

Хромосомные аномалии

С патологической точки зрения можно указать конкретные хромосомные изменения, которые регулярно наблюдаются в человеческих популяциях, хотя другие животные, растения и насекомые не освобождаются от них.

Аномалии часто связаны с делециями и дупликациями участков хромосомы или целых хромосом.

Эти дефекты известны как анеуплоидии, которые представляют собой хромосомные изменения, которые включают потерю или приобретение полной хромосомы или ее частей. Потери известны как моносомии, а выигрыши известны как трисомии, и многие из них смертельны для развивающихся плодов.

Также могут быть случаи хромосомных инверсий, когда порядок последовательности генов изменяется из-за одновременных разрывов и ошибочного ремонта некоторого участка хромосомы.

Транслокации также представляют собой хромосомные изменения, которые включают изменения в больших частях хромосом, которые обмениваются между негомологичными хромосомами и могут быть или не быть реципрокными.

Есть также изменения, которые связаны с прямым повреждением последовательности генов, содержащихся в хромосомной ДНК; и есть даже некоторые связанные с эффектами геномных «меток», которые материал, унаследованный от одного из двух родителей, может принести с собой.

Заболевания человека, выявленные с помощью кариотипов

Цитогенетический анализ хромосомных изменений до и после рождения необходим для комплексного клинического ухода за младенцами, независимо от метода, используемого для этой цели.

Синдром Дауна - одна из наиболее часто обнаруживаемых патологий при исследовании кариотипа, и он связан с нерасхождением хромосомы 21, поэтому он также известен как трисомия 21.

Кариотип человека с трисомией на хромосоме 21 (Источник: Программа генома человека Министерства энергетики США. Через Wikimedia Commons)

Некоторые виды рака выявляются путем изучения кариотипа, поскольку они связаны с хромосомными изменениями, особенно с делецией или дупликацией генов, непосредственно участвующих в онкогенных процессах.

Определенные типы аутизма диагностируются на основе анализа кариотипа, и было показано, что дупликация хромосомы 15 участвует в некоторых из этих состояний у людей.

Среди других патологий, связанных с делециями на хромосоме 15, есть синдром Прадера-Вилли, который вызывает такие симптомы, как отсутствие мышечного тонуса и дыхательная недостаточность у младенцев.

Синдром «плачущего кота» (от французского cri-du-chat) подразумевает потерю короткого плеча хромосомы 5, и одним из наиболее прямых методов его диагностики является цитогенетическое исследование кариотипа.

Транслокация частей между хромосомами 9 и 11 характерна для пациентов, страдающих биполярным расстройством, в частности, связанным с нарушением работы гена на хромосоме 11. Другие дефекты этой хромосомы также наблюдались при различных врожденных дефектах.

Согласно исследованию, проведенному Weh et al. В 1993 году более 30% пациентов, страдающих множественной миеломой и лейкемией плазматических клеток, имели кариотипы с хромосомами, структура которых является аберрантной или аномальной, особенно на хромосомах 1, 11 и 14. ,

Ссылки

1. Альбертс, Б., Деннис, Б., Хопкин, К., Джонсон, А., Льюис, Дж., Рафф, М., … Уолтер, П. (2004). Эссенциальная клеточная биология. Абингдон: Garland Science, Taylor & Francis Group.
2. Батталья, Э. (1994). Нуклеосома и нуклеотип: терминологическая критика. Кариология, 47 (3–4), 37–41.
3. Эльшейх М., Васс Дж.А.Х. и Конвей Г. (2001). Аутоиммунный тиреоидный синдром у женщин с синдромом Тернера - связь с кариотипом. Клиническая эндокринология, 223–226.
4. Фергус, К. (2018). VeryWell Здоровье. Получено с www.verywellhealth.com/how-to-how-is-a-karyotype-test-done-1120402.
5. Гарднер, Р., и Амор, Д. (2018). Хромосомные аномалии Гарднера и Сазерленда и генетическое консультирование (5-е изд.). Нью-Йорк: Издательство Оксфордского университета.
6. Гриффитс, А., Весслер, С., Левонтин, Р., Гелбарт, В., Сузуки, Д., и Миллер, Дж. (2005). Введение в генетический анализ (8-е изд.). Фриман, WH & Company.
7. Родден, Т. (2010). Генетика для чайников (2-е изд.). Индианаполис: Wiley Publishing, Inc.
8. Шрок, Э., Мануар, С., Велдман, Т., Шоелл, Б., Винберг, Дж., Нинг, Ю., … Рид, Т. (1996). Многоцветное спектральное кариотипирование хромосом человека. Наука, 273, 494-498.
9. Ван Т., Майерхофер К., Шпайхер М.Р., Ленгауэр К., Фогельштейн Б., Кинцлер К.В. и Велкулеску В.Е. (2002). Цифровое кариотипирование. ПНАС, 99 (25), 16156-16161.