КАРІОТИП: ДЛЯ ЧОГО ЦЕ, ТИПИ, ЯК ЦЕ РОБИТЬСЯ, ЗМІНИ - БІОЛОГІЯ - 2025

Каріотип є фотографію повного набору метафазних хромосом , який деталізує аспекти їх кількості та структури. Галузь медичних та біологічних наук, яка займається вивченням хромосом і супутніх захворювань, відома як цитогенетика.

Хромосоми - це структури, в яких організовані гени, що містяться в молекулах дезоксирибонуклеїнової кислоти (ДНК). У еукаріотів вони складаються з хроматину, комплексу гістонових білків і ДНК, який упакований в ядро ​​всіх клітин.

Каріотип людини, отриманий флуоресцентними барвниками (Джерело: Plociam ~ commonswiki через Wikimedia Commons

Клітини кожної живої істоти на Землі мають певну кількість хромосом. Наприклад, бактерії мають лише одну кругову, тоді як у людей 46 організованих у 23 пари; а деякі види птахів мають до 80 хромосом.

На відміну від людей, рослинні клітини зазвичай мають більше двох гомологічних (однакових) наборів хромосом. Це явище відоме як поліплоїдія.

Всі інструкції, необхідні для росту та розвитку живих істот, одноклітинні або багатоклітинні, містяться в молекулах ДНК, які згорнуті на хромосоми. Звідси важливо знати його будову та характеристики у виду чи у когось із його особин.

Термін каріотип був вперше використаний протягом 1920-х років Делоне і Левицьким для позначення суми характерних фізичних властивостей хромосом: їх кількості, розміру та структурних особливостей.

З того часу воно використовується з тією ж метою в контексті сучасної науки; і вивчення його супроводжує багато процесів клінічної діагностики різних захворювань у людини.

Каріотип людини

Набір із 46 хромосом (23 пари), що складають геном людини, відомий як людський каріотип, які розташовані графічно відповідно до таких характеристик, як розмір та візерунок смуги, що видно завдяки використанню спеціальних технік фарбування.

Схематичне зображення людського каріотипу (Джерело: Mikael Häggström через Wikimedia Commons)

З 23 пар хромосом лише від 1 до 22 розташовані в порядку розміру. У соматичних клітинах, тобто в несексуальних клітинах, зустрічаються ці 22 пари і, залежно від статі особи, чоловіка чи жінки, додається пара Х-хромосом (жінки) або пара XY (чоловіки). .

Пари 1 - 22 називаються аутосомними хромосомами і однакові у обох статей (чоловічої та жіночої), тоді як статеві хромосоми, X і Y, відрізняються одна від одної.

Для чого призначений каріотип?

Основна корисність каріотипу - детальне знання хромосомного навантаження виду та характеристики кожної його хромосоми.

Хоча деякі види є поліморфними та поліплоїдними щодо своїх хромосом, тобто вони мають різну форму та чисельність їх протягом усього життєвого циклу, знання каріотипу зазвичай дозволяє нам зробити багато важливої ​​інформації про них.

Завдяки каріотипу можуть бути діагностовані хромосомні зміни в "великому масштабі", що включають великі шматочки ДНК. У людини багато психічних захворювань або станів та інші фізичні вади пов'язані з важкими хромосомними порушеннями.

Типи каріотипів

Каріотипи описуються відповідно до позначень, затверджених Міжнародною системою цитогенетичної номенклатури людини (ISCN).

У цій системі число, присвоєне кожній хромосомі, має відношення до її розміру, і вони зазвичай упорядковуються від найбільшого до найменшого. Хромосоми представлені в каріотипах у вигляді пар сестринських хроматид зі маленькою рукою (р), зверненою вгору.

Види каріотипів розрізняють за методиками, які використовуються для їх отримання. Зазвичай різниця полягає у типах фарбування або "маркування", що використовуються для диференціювання однієї хромосоми від іншої.

Ось короткий підсумок деяких відомих на сьогодні методик:

Суцільне фарбування

При цьому барвники, такі як Гімса та орцеїн, використовуються для рівномірного фарбування хромосом. Він широко застосовувався до початку 1970-х років, оскільки вони були єдиними відомими на той час барвниками.

Пляма G-діапазону або Giemsa

Це найбільш застосовувана методика в класичній цитогенетиці. Хромосоми попередньо перетравлюють трипсином, а потім фарбують. Картина смуг, отриманих після фарбування, є специфічною для кожної хромосоми і дозволяє детально вивчити її структуру.

Існують альтернативні методи фарбування Giemsa, але вони дають дуже схожі результати, такі як Q-смуга і зворотна R-смуга (де спостерігаються темні смуги - світлі смуги, отримані з G-смугою).

Складова С-смуга

Він спеціально забарвлює гетерохроматин, особливо той, що знаходиться в центромерах. Він також забарвлює деякий матеріал у коротких гілках акроцентричної хромосоми та дистальній ділянці довгого плеча Y-хромосоми.

Реплікація смуги

Він використовується для ідентифікації неактивної Х-хромосоми і передбачає додавання нуклеотидного аналога (BrdU).

Срібна пляма

Історично він використовувався для ідентифікації областей нуклеолярної організації, які містять багато копій рибосомної РНК і знаходяться в центромерних областях.

Фарбування дистаміцином A / DAPI

Це флуоресцентна техніка фарбування, яка відрізняє гетерохроматин від хромосом 1, 9, 15, 16 і від Y-хромосоми у людини. Він використовується особливо для розрізнення перевернутого дублювання хромосоми 15.

Флуоресцентна гібридизація in situ (FISH)

Визнаний найбільшим цитогенетичним прогресом після 90-х років, це потужна методика, за допомогою якої можна виділити субмікроскопічні делеції. У ньому використовуються флуоресцентні зонди, які специфічно зв'язуються з молекулами хромосомної ДНК, і існує кілька варіантів методики.

Порівняльна геномна гібридизація (CGH)

Він також використовує флуоресцентні зонди для диференціальної мітки ДНК, але використовує відомі стандарти порівняння.

Інші методики

Інші більш сучасні методи не пов'язані безпосередньо з аналізом хромосомної структури, а з безпосереднім вивченням послідовності ДНК. До них відносяться мікроматриці, секвенування та інші методи, засновані на ампліфікації ПЛР (полімеразної ланцюгової реакції).

Як виконується каріотип?

Існують різні методики проведення хромосом або каріотипу. Деякі є більш досконалими, ніж інші, оскільки дозволяють виявити невеликі непомітні зміни за допомогою найбільш часто використовуваних методів.

Цитогенетичні аналізи для отримання каріотипу зазвичай проводяться з клітин, що знаходяться в слизовій порожнині рота або в крові (з використанням лімфоцитів). У разі досліджень, проведених у новонароджених, проби беруть з навколоплідних вод (інвазивні методи) або з клітин крові плода (неінвазивні методи).

Причини, через які проводять каріотип, різноманітні, але багато разів вони робляться для діагностики захворювань, досліджень фертильності або для з’ясування причин повторних викиднів, загибелі та раку плода, серед інших причин.

Крок для проведення тесту на каріотип є наступним:

1 - Отримання зразка (незалежно від його джерела).

2-Поділ клітин, життєво важливий крок, особливо у зразках крові. У багатьох випадках доводиться відокремлювати ділильні клітини від ділильних клітин за допомогою спеціальних хімічних реагентів.

3-клітинний ріст. Іноді для вирощування більшої кількості їх необхідно вирощувати клітини у відповідному культуральному середовищі. Це може зайняти більше пари днів, залежно від типу зразка.

4-Синхронізація комірок. Для того, щоб спостерігати конденсовані хромосоми у всіх культивованих клітинах одночасно, необхідно "синхронізувати" їх за допомогою хімічних методів обробки, які зупиняють поділ клітин, коли хромосоми є більш компактними і, отже, видимими.

5 - Отримання хромосом з клітин. Щоб побачити їх під мікроскопом, хромосоми необхідно «витягнути» з клітин. Зазвичай це досягається, обробляючи їх розчинами, які змушують їх лопнути і розпадатися, звільняючи хромосоми.

6-Фарбування Як було зазначено вище, хромосоми повинні бути забарвлені однією з багатьох доступних методик, щоб можна було спостерігати їх під мікроскопом і проводити відповідне дослідження.

7-Аналіз та підрахунок. Хромосоми докладно спостерігаються для визначення їх ідентичності (у випадку, якщо це знати заздалегідь), їх морфологічних характеристик, таких як розміри, положення центрометра та картини смуги, кількість хромосом у зразку тощо.

8-класифікація. Одне з найбільш важких завдань цитогенетиків - це класифікація хромосом, порівнюючи їх характеристики, оскільки необхідно визначити, яка саме хромосома. Це тому, що оскільки в зразку є більше однієї клітини, буде більше однієї пари тієї ж хромосоми.

Хромосомні відхилення

Перш ніж описати різні хромосомні зміни, які можуть існувати, та їх наслідки для здоров'я людини, необхідно ознайомитись із загальною морфологією хромосом.

Хромосомна морфологія

Хромосоми - це структури, які виглядають лінійно і мають дві «руки», невелику (p) та більшу (q), яка відокремлена одна від одної областю, відомою як центрометр, спеціалізований сайт ДНК, який бере участь у закріпленні веретена. мітотичні під час поділу мітотичних клітин.

Центрометр може бути розташований у центрі двох рук p і q, далеко від центру або близько до одного з їх кінців (метацентричного, субметацентричного або акроцентричного).

На кінцях коротких і довгих плечей хромосоми мають «ковпачки», відомі як теломери, які є певними послідовностями ДНК, багатими повторами TTAGGG, і які відповідають за захист ДНК та запобігання злиття між хромосомами.

На початку клітинного циклу хромосоми розглядаються як окремі хроматиди, але, як клітина копіюється, утворюються дві сестринські хроматиди, які мають однаковий генетичний матеріал. Саме ці хромосомні пари видно на фотографіях каріотипу.

Хромосоми мають різний ступінь «упаковки» або «конденсації»: гетерохроматин є найбільш конденсованою формою і є транскрипційно неактивним, тоді як еухроматин відповідає найбільш розслабленим областям і є транскрипційно активним.

У каріотипі кожна хромосома відрізняється, як було підкреслено вище, своїм розміром, положенням її центрометра та малюнком смуги при фарбуванні різними методиками.

Хромосомні відхилення

З патологічної точки зору можна вказати специфічні хромосомні зміни, які регулярно спостерігаються у людських популяціях, хоча інші тварини, рослини та комахи не виключаються з них.

Аномалії часто пов'язані з видаленням і дублюванням областей хромосоми або цілих хромосом.

Ці дефекти відомі як анеуплоїдії, що представляють собою хромосомні зміни, що передбачають втрату або посилення повної хромосоми або її частин. Втрати відомі як моносомії, а надбання відомі як трисомії, і багато з них є смертельними для плоду, що розвивається.

Також можуть бути випадки хромосомних інверсій, де порядок зміни послідовності генів змінюється внаслідок одночасного розриву та помилкового відновлення деякої ділянки хромосоми.

Транслокації - це також хромосомні зміни, що передбачають зміни великих порцій хромосом, які обмінюються між не гомологічними хромосомами і можуть бути, а можуть і не бути взаємними.

Існують також зміни, пов'язані з прямим пошкодженням послідовності генів, що містяться в хромосомній ДНК; і є навіть деякі пов'язані з ефектом геномних "позначок", які матеріал, успадкований від одного з двох батьків, може принести із собою.

Хвороби людини, виявлені за допомогою каріотипів

Цитогенетичний аналіз хромосомних змін до і після народження має важливе значення для всебічної клінічної допомоги немовлятам, незалежно від методики, яка використовується для цієї мети.

Синдром Дауна є однією з найчастіше виявлених патологій в дослідженні каріотипу, і він пов'язаний з недисфункцією хромосоми 21, тому він також відомий як трисомія 21.

Каріотип людини з трисомією на хромосомі 21 (Джерело: Програма Міністерства енергетики США про геном людини. Через Wikimedia Commons)

Деякі види раку виявляють шляхом вивчення каріотипу, оскільки вони пов'язані з хромосомними змінами, особливо з делецією або дублюванням генів, безпосередньо залучених до онкогенних процесів.

Окремі види аутизму діагностуються за допомогою каріотипного аналізу, і було показано, що у деяких із цих станів у людини дублювання хромосоми 15 пов'язане з деякими з цих станів.

Серед інших патологій, пов’язаних з делеціями в хромосомі 15, є синдром Прадера-Віллі, який викликає такі симптоми, як відсутність м’язового тонусу та порушення дихання у немовлят.

Синдром «плачучої кішки» (від французької кри-ду-чат) передбачає втрату короткої руки хромосоми 5, і один із найбільш прямих методів її діагностики - це цитогенетичне дослідження каріотипу.

Транслокація частин між хромосомами 9 і 11 характеризує пацієнтів, які страждають біполярним розладом, специфічно пов'язаним з порушенням гена на хромосомі 11. Інші дефекти цієї хромосоми також спостерігалися при різних вроджених вадах.

Згідно з дослідженням, проведеним Weh et al., У 1993 році більш ніж у 30% пацієнтів, які страждають на множинну мієлому та лейкемію плазматичних клітин, є каріотипи з хромосомами, структури яких аберрантні або аномальні, особливо на хромосомах 1, 11 та 14 .

Список літератури

1. Alberts, B., Dennis, B., Hopkin, K., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., … Walter, P. (2004). Основна клітинна біологія. Абінгдон: Гарленд Наук, Тейлор і Френсіс Груп.
2. Батталія, Е. (1994). Нуклеосома та нуклеотип: термінологічна критика. Каріологія, 47 (3–4), 37–41.
3. Elsheikh, M., Wass, JAH, & Conway, G. (2001). Аутоімунний синдром щитовидної залози у жінок з синдромом Тернера - асоціація з каріотипом. Клінічна ендокринологія, 223–226.
4. Фергус, К. (2018). Дуже добре здоров’я. Отримано з сайту www.verywellhealth.com/how-to-how-is-a-karyotype-test-done-1120402
5. Гарднер, Р., & Amor, D. (2018). Аномалії хромосом Гарднера та Сазерленда та генетичне консультування (5-е видання). Нью-Йорк: Оксфордський університетський прес.
6. Griffiths, A., Wessler, S., Lewontin, R., Gelbart, W., Suzuki, D., & Miller, J. (2005). Вступ до генетичного аналізу (8-е видання). Фрімен, WH & Company.
7. Родден, Т. (2010). Генетика для манекенів (2-е видання). Індіанаполіс: Wiley Publishing, Inc.
8. Schrock, E., Manoir, S., Veldman, T., Schoell, B., Wienberg, J., Ning, Y., … Ried, T. (1996). Багатобарвна спектральна каріотипізація хромосом людини. Наук, 273, 494-498.
9. Ванг, Т., Маєрхофер, К., Шпійхер, MR, Ленгауер, К., Фогельштейн, Б., Кінцлер, KW, і Велкулеску, В. Е. (2002). Цифрове каріотипізація. PNAS, 99 (25), 16156-16161.