ЦИТОГЕНЕТИКА: ІСТОРІЯ, ТЕ, ЩО ВОНА ВИВЧАЄ, МЕТОДИ, ЗАСТОСУВАННЯ - БІОЛОГІЯ - 2025

Цитогенетичного є вивчення морфології, структури і функції хромосом, в тому числі їх зміни під час соматичного клітинного ділення, або мітозу, а також під час розподілу репродуктивної клітини або мейозу.

Цитологія також вивчає фактори, що викликають хромосомні зміни, включаючи патологічні, що з’являються від покоління до іншого, і еволюційні, які діють протягом багатьох поколінь.

Джерело: pixabay.com

Історія

Пам’ятні роки та події в історії цитогенетики такі:

- У 1842 р. Карл Вільгельм фон Нагелі спостерігав "перехідні стовбурові клітини", згодом названі хромосомами.

- У 1875 році Едуард Страсбургер ідентифікував хромосоми у рослин. У 1979 році Уолтер Флеммінг робив це на тваринах. Флеммінг придумав терміни хроматин, профаза, метафаза, анафаза та телофаза.

- У 1888 р. У. Уолдейер ввів термін хромосома.

- У 1893 році Оскар Гертвіг опублікував перший текст з цитогенетики.

- У 1902 році Теодор Бовери та Уолтер Саттон виявили гомологічні хромосоми.

- У 1905 році Нетті Стівенс ідентифікувала Y-хромосому.

- У 1937 році Альберт Блекслі та А.Г. Ейвери припинили метафазу колхіцином, значно полегшивши спостереження за хромосомами.

- У 1968 р. Torbjörn Caspersson та ін. Описували діапазони Q. У 1971 році Бернард Датрійо та Джером Лежон описали групи R.

- У 1971 році групи С обговорювались на конференції з номенклатури хромосом людини.

- У 1975 р. C. Goodpasture і SE Bloom описали фарбування Ag-NOR.

- У 1979 році Хорхе Юніс описав методи високої роздільної здатності для гуртів G.

- У 1986–1988 роках Даніель Пінкель та Джо Грей розробили техніку FISH (флуоресцентна гібридизація in situ).

- У 1989 році мікророзсечені хромосоми Германа - Йозефа Людека.

- У 1996 році Евелін Шрек та Томас Рід описали багатохроматичну спектральну каріотипну типізацію.

Відкриття у людини

У 1914 році Теодор Бовери припустив, що рак може бути наслідком хромосомних змін. У 1958 році Чарльз Е. Форд спостерігав хромосомні порушення під час лейкозу.

У 1922 р. Теофіл Художник опублікував, що у людини 48 хромосом. До 1956 року Джо Хін Тхіо та Альберт Леван знадобилися, щоб вони мали 46 хромосом.

У 1932 р. П. Дж. Ваарденбург припускав, не доводячи цього, що синдром Дауна може бути наслідком хромосомної аберації. У 1959 році Джером Лежон продемонстрував наявність додаткової соматичної хромосоми у пацієнтів із синдромом Дауна.

Також у 1959 році Чарльз Е. Форд повідомив, що жінкам із синдромом Тернера не вистачає однієї з двох Х-хромосом, тоді як Патрісія Джейкобс та Джон Стронг виявили наявність додаткової Х-хромосоми у чоловіків із синдромом Клайнфельтера.

У 1960 році Дж. А. Бьок і Берта Сантессон описали триплоїдію, Клаус Патау описав трисомію 13, а Джон Едвардс - трисомію 18.

У 1969 році Герберт Лабс вперше виявив синдром Fragile X. Того ж року амніоцентез почали використовувати для цитогенетичної діагностики.

Поле дослідження

Цитогенетики вивчають хромосомну еволюцію живих істот, використовуючи каріотипи для філогенетичного аналізу та вирішення таксономічних задач.

Крім того, вони досліджують епідеміологічні аспекти хромосомних аберацій людини та фактори навколишнього середовища, які їх виробляють, діагностують та лікують пацієнтів, уражених хромосомними порушеннями, та розробляють молекулярні підходи до розшифровки структури, функції та еволюції хромосом.

Хромосомна морфологія

Кожна хромосома складається з двох хроматид, утримуваних разом перетяжкою, що називається центромером. Відрізки хромосоми, що починаються від центромера, називають зброєю.

Хромосоми називають метацентричними, коли у центрі є центромір; субметацентричні, якщо вони мають трохи від середини, щоб протилежні руки були не однакової довжини; акроцентричний, якщо центрометр близький до однієї з крайнощів; і телоцентричні, якщо центрометр знаходиться лише на одному кінці хромосоми.

Методи: обробка зразка

Етапи, які потрібно вжити для обробки зразків, наступні.

Отримання вибірки

Придбання необхідної тканини, зберігання її в середовищі та у відповідних флаконах.

Культура

За винятком зразків для аналізу на РИБ, перед збиранням врожаю потрібен період культивування від одного дня до декількох тижнів.

Урожай

Це отримання клітин у метафазі.

Припинення мітозу

Стандартний цитогенетичний аналіз вимагає зупинки мітозу, щоб клітини залишалися в метафазі, використовуючи колхіцин або Колкемід®.

Гіпотонічне лікування

Це збільшує об’єм клітин, що дозволяє хромосомам розширюватися.

Фіксація

3: 1 метанол - оцтова кислота використовується для видалення води з клітин, затвердіння мембран і хроматину для фарбування.

Підготовка листів

Зафіксовані клітини розкладають на предметних слайдах мікроскопа, після чого їх сушать.

Фарбування хромосомою

Існує кілька методів фарбування для розпізнавання відмінностей між хромосомами. Найпоширенішим є G.

Мікроскопічний аналіз

Дозволяє вибрати відповідні клітини для спостереження та фотографування хромосом.

Приготування каріограм

На основі фотографій клітин у метафазі, зображення набору хромосом репрезентативної клітини складаються для подальшого вивчення.

Хромосомні смуги

Існує чотири типи хромосомних смуг: гетерохроматичні смуги; еухроматичні смуги, регіони, що організовують ядерця (НОР); кінетохори.

Гетерохроматичні смуги виступають як дискретні блоки. Вони відповідають гетерохроматину, який містить високо повторювані послідовності ДНК, які представляють звичайні гени і не деконденсуються на межі інтерфейсу.

Евхроматичні смуги складаються з серії чергуються сегментів, на які фарбування не впливає або не впливає. Ці смуги відрізняються розмірами, утворюючи характерні структури, характерні для кожної пари хромосом виду, що робить їх дуже корисними для ідентифікації хромосомних транслокацій та перебудови.

НОР - це ті сегменти хромосом, які містять сотні чи тисячі генів рибосомних РНК. Вони зазвичай візуалізуються як перетяжки.

Кінетохори - це місця зв’язування веретена мікротрубочки з хромосомами.

Забарвлення хромосомної смуги

Хромосомна смуга складається з технік фарбування, які виявляють закономірності поздовжньої диференціації (світлі та темні області), які не можна було побачити інакше. Ці закономірності дозволяють порівнювати різні види та вивчати еволюційні та патологічні зміни на рівні хромосом.

Методи пов’язування з хромосомою поділяються на ті, що використовують фарбування за допомогою абсорбції, як правило, пігменти Giemsa, і такі, що використовують флуоресценцію. Способи фарбування абсорбції вимагають попередньої фізико-хімічної обробки, як описано в «Обробці зразків».

Деякі типи смуг дозволяють довести закономірності обмежених областей хромосом, пов'язані з функціональними властивостями. Інші дозволяють візуалізувати відмінності між гомологічними хромосомами, що дають можливість ідентифікувати сегменти.

C діапазони

С-смуга забарвлює більшість гетерохроматичних смуг, що робить його універсальною технікою показувати наявність гетерохроматину в хромосомах. Інші методи забарвлюють лише частину загального гетерохроматину, роблячи їх більш корисними, ніж С-пов'язка для диференціації між типами гетерохроматину.

Діапазони Q

Q-обв'язка - найдавніша техніка фарбування Свою назву він завдячує використанню хінакрину. Він ефективний незалежно від способу приготування хромосом. Це альтернативний спосіб обв'язування G. Він використовується рідко, але його надійність робить його корисним, коли матеріал дефіцитний або важкий для обв'язки.

G смуги

G-діапазон, заснований на використанні Giemsa і трипсину, є найбільш використовуваним сьогодні. Це дозволяє виявити транслокації, інверсії, видалення та дублювання. Це найбільш використовуваний метод для характеристики каріотипів у хребетних, що показує відмінності між хромосомами, які не можна розрізнити, виходячи лише з їх морфології.

R смуги

Діапазон R створює зворотний малюнок фарбування по відношенню до G-смуги (світлі R-смуги рівні темні G-смуги і навпаки). Діапазон R особливо корисний для виділення кінців хромосом, які злегка забарвлюються при використанні смуги G.

Т-групи

Діапазон Т - це варіант R-смуги, в якому немає фарбування більшості інтерстиціальних смуг хромосом, так що кінцеві ділянки хромосом сильно фарбуються.

Аг-НОР-групи

Ag-NOR обв'язка використовується для пошуку NOR шляхом фарбування сріблом. При зв'язуванні Ag-NOR неактивні гени NOR можуть не фарбуватися. Тому це обв'язування використовується для вивчення змін у активності рибосомних генів під час гаметогенезу та ембріонального розвитку.

Флуоресцентна гібридизація in situ (FISH)

Пов'язка FISH дозволяє візуалізувати хромосоми за допомогою флуоресцентно мічених зондів. Технологія FISH дозволяє каріотипний аналіз клітин, які не діляться.

Пов'язка FISH дозволяє виявити специфічні послідовності ДНК у хромосомах, клітинах і тканинах. Тому його можна використовувати для виявлення хромосомних порушень, які включають невеликі сегменти ДНК.

Пов'язка FISH проклала шлях для двох більш складних споріднених методик, відомих як спектральний каріотипізація (SKY) та багатобарвна FISH (M-FISH).

У SKY та M-FISH використовуються флуоресцентні барвники, які разом утворюють комбінації кольорів, по одному для кожної хромосоми. Ці методи були дуже корисними при виявленні складних хромосомних аберацій, таких як ті, що спостерігаються при певних пухлинах та при гострому лімфобластному лейкозі.

Медичне застосування

- Цитогенетика раку. У пухлинах поширені хромосомні аберації та анеуплоїдія. Хромосомні транслокації можуть мати канцерогенну дію завдяки виробленню злитих білків. Цитогенетика використовується для контролю за перебігом лікування раку.

- Тендітні місця та руйнування хромосоми. Неміцні ділянки хромосоми можуть призвести до таких патологій, як синдром Fragile X. Вплив цитотоксичних агентів може спричинити перелом хромосом. Носії певних аутосомних мутацій не мають можливості відновити пошкоджені ДНК під час перелому хромосоми.

- Числові відхилення хромосом. Підрахунок хромосом може діагностувати трисомії, наприклад, ті, що викликають синдроми Дауна, Едвардса та Патау. Це також дозволяє діагностувати синдроми Тернера та Клайнфельтера.

- При хронічному мієлолейкозі лейкози мають "філадельфійську хромосому". Ця аномальна хромосома є результатом транслокації хромосом 9 і 22.

Список літератури

1. Абботт, Дж. К., Норден, А. К., Хансон, Б. 2017. Еволюція статевої хромосоми: історичні уявлення та перспективи на майбутнє. Праці Королівського товариства B, 284, 20162806.
2. Креган, ERC 2008. Все про мітоз та мейоз. Викладач створених матеріалів видавничої справи, Хантінгтон-Біч, Каліфорнія.
3. Герсен, SL, Keagle, MB, ред. 2013. Принципи клінічної цитогенетики. Спрінгер, Нью-Йорк.
4. Госден, JR, ред. 1994. Методи молекулярної біології, т. 29. Протоколи аналізу хромосомних хромосом. Humana Press, Totowa, NJ
5. Х'юз, Дж. Ф., Сторінка, округ Колумбія, 2015. Біологія та еволюція Y хромосом ссавців. Щорічний огляд генетики, 49, 22.1–22.21.
6. Kannan, TP, Alwi, ZB 2009. Цитогенетика: минуле, сучасне та майбутнє. Малайзійський журнал медичних наук, 16, 4–9.
7. Lawce, HJ, Brown, MG 2017. Цитогенетика: огляд. В: Керівництво з лабораторії цитогенетики AGT, четверте видання. Аршам, MS, Barch, MJ, Lawce, HJ, ред. Вілі, Нью-Йорк.
8. Sacerdot, C., Louis, A., Bon, C., Berthelot, C., Crollius, HR 2018. Еволюція хромосом у походження геному предкових хребетних. Геологія біології, 19, 166.
9. Шуберт, І. 2007. Еволюція хромосом. Поточна думка з біології рослин, 10, 109-115.
10. Schulz-Schaeffer, J. 1980. Цитогенетика - рослини, тварини, людина. Спрингер-Верлаг, Нью-Йорк.