KARIOTIP: ZA KAJ GRE, VRSTE, KAKO SE IZVAJA, SPREMEMBE - BIOLOGIJA - 2026

Kariotip je fotografija sklopa metafaznih kromosomov, ki podrobnosti vidike njihovega števila in strukture. Veja medicinskih in bioloških znanosti, ki se ukvarja s preučevanjem kromosomov in sorodnih bolezni, je znana kot citogenetika.

Kromosomi so strukture, v katerih so organizirani geni, ki jih vsebujejo molekule deoksiribonukleinske kisline (DNK). V evkariotih so sestavljeni iz kromatina, kompleksa histonskih beljakovin in DNK, ki je pakiran znotraj jedra vseh celic.

Človeški kariotip, pridobljen s fluorescentnimi barvili (Vir: Plociam ~ commonswiki prek Wikimedia Commons

Celice vsakega živega bitja na Zemlji imajo določeno število kromosomov. Bakterije imajo na primer le eno krožnico, medtem ko jih ima človek 46, organiziran v 23 parov; nekatere vrste ptic imajo do 80 kromosomov.

Za razliko od ljudi imajo rastlinske celice več kot dva homološka (enaka) sklopa kromosomov. Ta pojav je znan kot poliploidija.

Vsa navodila, potrebna za rast in razvoj živih bitij, enocelična ali večcelična, so vsebovana v molekulah DNK, ki so naviti na kromosomih. Zato je pomembno, da poznamo njegovo strukturo in značilnosti pri vrsti ali pri katerem koli njenem posamezniku.

Izraz kariotip je bil prvič uporabljen v dvajsetih letih 20. stoletja pri Delaunayju in Levitskem za označevanje vsote značilnih fizikalnih lastnosti kromosomov: njihovega števila, velikosti in strukturnih posebnosti.

Od takrat se uporablja z istim namenom v kontekstu sodobne znanosti; njegovo preučevanje pa spremlja številne procese klinične diagnoze različnih bolezni pri človeku.

Človeški kariotip

Nabor 46 kromosomov (23 parov), ki sestavljajo človeški genom, je znan kot človeški kariotip in so grafično razporejeni po značilnostih, kot sta velikost in pasovni vzorec, kar je razvidno zaradi uporabe posebnih tehnik obarvanja.

Shematski prikaz človekovega kariotipa (Vir: Mikael Häggström prek Wikimedia Commons)

Od 23 parov kromosomov je le 1 do 22 razporejenih po velikosti. V somatskih celicah, torej v nespolnih celicah, najdemo teh 22 parov in glede na spol posameznika, ne glede na to, ali je moški ali ženska, dodamo par X kromosomov (ženske) ali par XY (moški). .

Pari 1 do 22 se imenujejo avtosomni kromosomi in so pri obeh spolih (moški in ženski) enaki, medtem ko se spolni kromosomi, X in Y, med seboj razlikujejo.

Za kaj je namenjen kariotip?

Glavna uporabnost kariotipa je podrobno poznavanje kromosomske obremenitve vrste in značilnosti vsakega njenega kromosoma.

Čeprav so nekatere vrste polimorfne in poliploidne glede na svoje kromosome, torej da imajo različne oblike in število le-teh skozi celoten življenjski cikel, nam poznavanje kariotipa običajno omogoča, da sklepamo na njih veliko pomembnih informacij.

Zahvaljujoč kariotipu je mogoče na "velikem obsegu" kromosomske spremembe diagnosticirati velike dele DNK. Pri ljudeh so številne duševno prizadete bolezni ali stanja in druge telesne okvare povezane s hudimi kromosomskimi nepravilnostmi.

Vrste kariotipov

Kariotipi so opisani v skladu z notacijo, ki jo je potrdil Mednarodni sistem človeške citogenetske nomenklature (ISCN).

V tem sistemu je število, dodeljeno vsakemu kromosomu, povezano z njegovo velikostjo in jih običajno naročimo od največjih do najmanjših. Kromosomi so predstavljeni v kariotipih kot pari sestrskih kromatid z majhno roko (p) obrnjeno navzgor.

Vrste kariotipov odlikujejo tehnike, ki se uporabljajo za njihovo pridobivanje. Običajno je razlika v vrstah obarvanja ali "označevanja", ki se uporabljajo za razlikovanje enega kromosoma od drugega.

Tu je kratek povzetek nekaterih doslej znanih tehnik:

Trdno obarvanje

Pri tem se uporabljajo barvila, kot sta Giemsa in orcein, za enakomerno obarvanje kromosomov. Široko uporabljali so ga do zgodnjih 70. let prejšnjega stoletja, saj so bili edina znana barvila za tisti čas.

G-trak ali Giemsa madež

Je najbolj uporabljena tehnika v klasični citogenetiki. Kromosome predhodno prebavimo s tripsinom in nato obarvamo. Vzorec pasov, ki jih dobimo po obarvanju, je specifičen za vsak kromosom in omogoča podrobne študije njegove strukture.

Obstajajo alternativne metode za obarvanje z Giemsa, vendar dajejo zelo podobne rezultate, kot sta Q pasiranje in povratno R vezanje (kjer so opaženi temni pasovi svetlobni pasovi, dobljeni z G vezanjem).

Konstitutivni C-pas

Zlasti obarva heterokromatin, zlasti tisti, ki ga najdemo v centromereh. Nekaj ​​materiala obarva tudi v kratkih krakih akrocentričnih kromosomov in distalnem predelu dolge roke Y kromosoma.

Razmnoževanje pasov

Uporablja se za identifikacijo neaktivnega kromosoma X in vključuje dodajanje nukleotidnega analoga (BrdU).

Srebrni madež

Zgodovinsko so ga uporabljali za identifikacijo regij nuklearne organizacije, ki vsebujejo veliko kopij ribosomske RNA in jih najdemo v centromernih regijah.

Obarvanje z distamicinom A / DAPI

Gre za fluorescentno tehniko barvanja, ki razlikuje heterokromatin od kromosomov 1, 9, 15, 16 in kromosoma Y pri ljudeh. Uporablja se zlasti za razlikovanje obrnjenega podvajanja kromosoma 15.

Fluorescentna hibridizacija in situ (FISH)

Priznana kot največji citogenetski napredek po devetdesetih letih prejšnjega stoletja je močna tehnika, s katero je mogoče razlikovati submikroskopske delecije. Zaposluje fluorescentne sonde, ki se specifično vežejo na molekule kromosomske DNK, zato obstaja več različic tehnike.

Primerjalna genomska hibridizacija (CGH)

Uporablja tudi fluorescentne sonde za različno označevanje DNK, vendar uporablja znane primerjalne standarde.

Druge tehnike

Druge sodobnejše tehnike ne vključujejo neposredno analize kromosomske strukture, temveč neposredno preučevanje zaporedja DNK. Sem spadajo mikroarke, sekvence in druge tehnike, ki temeljijo na pomnoževanju PCR (polimerazna verižna reakcija).

Kako se izvaja kariotip?

Za izvedbo preučevanja kromosomov ali kariotipa obstajajo različne tehnike. Nekateri so bolj izpopolnjeni kot drugi, saj omogočajo odkrivanje majhnih neopaznih sprememb z najpogosteje uporabljenimi metodami.

Citogenetske analize za pridobitev kariotipa se običajno izvajajo iz celic v ustni sluznici ali v krvi (z uporabo limfocitov). V primeru raziskav, opravljenih pri novorojenčkih, se vzorci odvzamejo iz amnijske tekočine (invazivne tehnike) ali iz krvnih celic ploda (neinvazivne tehnike).

Vzroki, zaradi katerih se izvaja kariotip, so različni, vendar jih velikokrat storimo za diagnosticiranje bolezni, študij plodnosti ali med drugimi razlogi, da bi ugotovili vzroke ponavljajočih se splavov ali smrti ploda in raka.

Naslednji koraki za izvajanje karitipskega testa so:

1 - Pridobitev vzorca (ne glede na vir).

2-Ločevanje celic, življenjsko pomemben korak, zlasti v vzorcih krvi. V mnogih primerih je treba ločevalne celice ločiti od delilnih celic s pomočjo posebnih kemičnih reagentov.

3-celična rast. Včasih je treba celice gojiti v ustreznem gojitvenem mediju, da dobimo večjo količino le-teh. To lahko traja več kot nekaj dni, odvisno od vrste vzorca.

4-Sinhronizacija celic. Za opazovanje kondenziranih kromosomov v vseh gojenih celicah jih je treba hkrati "sinhronizirati" s pomočjo kemičnih postopkov, ki ustavijo delitev celic, kadar so kromosomi bolj kompaktni in zato vidni.

5-Pridobitev kromosomov iz celic. Da jih vidimo pod mikroskopom, moramo kromosome "potegniti" iz celic. To običajno dosežemo tako, da jih zdravimo z raztopinami, ki povzročijo, da se razpočijo in razkrojijo, sprostijo kromosome.

6-Obarvanje Kot je poudarjeno zgoraj, je treba kromosome obarvati z eno od številnih razpoložljivih tehnik, da jih lahko opazujemo pod mikroskopom in opravimo ustrezno študijo.

7-analiza in štetje. Podrobno opazujemo kromosome, da ugotovimo njihovo identiteto (če to vemo vnaprej), njihove morfološke značilnosti, kot so velikost, lega centromerja in pasovni vzorec, število kromosomov v vzorcu itd.

8-razvrstitev. Ena izmed najbolj napornih nalog citogenetike je razvrstitev kromosomov s primerjavo njihovih lastnosti, saj je treba določiti, kateri kromosom je. To je zato, ker je v vzorcu več celic, bo več krompirja istega para.

Kromosomske nepravilnosti

Preden opišemo različne kromosomske spremembe, ki lahko obstajajo, in njihove posledice za zdravje ljudi, se je treba seznaniti s splošno morfologijo kromosomov.

Morfologija kromosomov

Kromosomi so strukture, ki so linearne in imajo dve "roki", majhno (p) in večjo (q), ki sta med seboj ločeni z območjem, znanim kot centromere, specializirano mesto DNK, ki sodeluje pri sidranju vretena. mitotična med delitvijo mitotičnih celic.

Centromere se lahko nahajajo v središču obeh krakov p in q, daleč od središča ali blizu enega od njihovih koncev (metacentrični, submetacentrični ali akrocentrični).

Na koncih kratke in dolge roke imajo kromosomi "pokrovčke", znane kot telomeri, ki so posebne sekvence DNA, bogate s ponovitvami TTAGGG in ki so odgovorne za zaščito DNK in preprečevanje zlitja med kromosomi.

Na začetku celičnega cikla se kromosomi vidijo kot posamezni kromatidi, toda ko se celica razmnožuje, tvorita dva sestrska kromatida, ki imata isti genetski material. Prav te kromosomske pare vidimo na fotografijah iz kariotipa.

Kromosomi imajo različne stopnje "pakiranja" ali "kondenzacije": heterokromatin je najbolj kondenzirana oblika in je transkripcijsko neaktiven, evkromatin pa ustreza najbolj ohlapnim regijam in je transkripcijsko aktiven.

V kariotipu se vsak kromosom razlikuje, kot je poudarjeno zgoraj, po svoji velikosti, položaju njegovega centromera in pasovnem vzorcu, če ga obarvamo z različnimi tehnikami.

Kromosomske nepravilnosti

S patološkega vidika je mogoče določiti specifične kromosomske spremembe, ki jih redno opažamo pri človeški populaciji, čeprav druge živali, rastline in žuželke od teh niso izvzete.

Nenormalnosti so pogosto povezane s črtanjem in podvajanjem regij kromosoma ali celotnih kromosomov.

Te okvare so znane kot aneuploidije, ki so kromosomske spremembe, ki vključujejo izgubo ali pridobitev celotnega kromosoma ali njegovih delov. Izgube so znane kot monomomije, dobički pa so znani kot trisomije in mnoge od njih so smrtonosne za razvoj plodov.

Lahko so tudi primeri kromosomskih inverzij, kjer se vrstni red genskega zaporedja spremeni zaradi hkratnih prekinitev in napačnih popravil nekaterih regij kromosoma.

Translokacije so tudi kromosomske spremembe, ki vključujejo spremembe v velikih delih kromosomov, ki se izmenjujejo med nehomolognimi kromosomi in so lahko vzajemne ali ne.

Obstajajo tudi spremembe, ki so povezane z neposredno poškodbo zaporedja genov, ki jih vsebuje kromosomska DNK; in obstaja celo nekaj povezanih z učinki genskih "znamk", ki jih material, ki ga je podedoval eden od obeh staršev, lahko prinese s seboj.

Bolezni ljudi, odkrite s kariotipi

Citogenetska analiza kromosomskih sprememb pred in po rojstvu je nujna za celovito klinično oskrbo dojenčkov, ne glede na uporabljeno tehniko.

Downov sindrom je ena najpogosteje odkritih patologij iz študije kariotipa, povezan pa je tudi z neskladjem kromosoma 21, zato je znan tudi kot trisomija 21.

Kariotip človeka s trisomijo na kromosomu 21 (Vir: Program za človeški genom ZDA Ministrstva za energijo. Via Wikimedia Commons)

Nekatere vrste raka odkrijemo s preučevanjem kariotipa, saj so povezani s kromosomskimi spremembami, zlasti z delecijo ali podvajanjem genov, ki so neposredno vpleteni v onkogene procese.

Nekatere vrste avtizma so diagnosticirane z analizo kariotipa, za nekatere od teh stanj pri ljudeh pa je bilo dokazano, da je podvajanje kromosoma 15 povezano.

Med drugimi patologijami, povezanimi z brisanjem na kromosomu 15, je sindrom Prader-Willi, ki povzroča simptome, kot so pomanjkanje mišičnega tonusa in pomanjkanje dihal pri dojenčkih.

Sindrom "jokajoče mačke" (iz francoskega cri-du-chat) pomeni izgubo kratkega kraka kromosoma 5, ena najbolj neposrednih metod za njegovo diagnozo pa je s pomočjo citogenetske študije kariotipa.

Premestitev delov med kromosomi 9 in 11 označuje bolnike, ki trpijo zaradi bipolarne motnje, ki je posebej povezana z motnjo gena na kromosomu 11. Tudi druge napake na tem kromosomu so bile opažene pri različnih napak pri rojstvu.

Glede na raziskavo, ki so jo izvedli Weh in sod., Je leta 1993 več kot 30% bolnikov z multiplim mielomom in levkemijo plazemskih celic imelo kariotipe s kromosomi, katerih strukture so aberantne ali nenormalne, zlasti na kromosomih 1, 11 in 14 .

Reference

1. Alberts, B., Dennis, B., Hopkin, K., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., … Walter, P. (2004). Bistvena celična biologija. Abingdon: Garland Science, Taylor & Francis Group.
2. Battaglia, E. (1994). Nukleozom in nukleotip: terminološka kritika. Caryologia, 47 (3–4), 37–41.
3. Elsheikh, M., Wass, JAH, & Conway, G. (2001). Avtoimunski sindrom ščitnice pri ženskah s Turnerjevim sindromom - povezava s kariotipom. Klinična endokrinologija, 223–226.
4. Fergus, K. (2018). Zelo dobro zdravje. Pridobljeno s spletnega mesta www.verywellhealth.com/how-to-how-is-a-karyotype-test-done-1120402
5. Gardner, R., & Amor, D. (2018). Gardnerjeve in Sutherlandove kromosomske nepravilnosti in genetsko svetovanje (5. izd.). New York: Oxford University Press.
6. Griffiths, A., Wessler, S., Lewontin, R., Gelbart, W., Suzuki, D., & Miller, J. (2005). Uvod v genetsko analizo (8. izdaja). Freeman, WH & Company.
7. Rodden, T. (2010). Genetika za lutke (2. izd.). Indianapolis: Wiley Publishing, Inc.
8. Schrock, E., Manoir, S., Veldman, T., Schoell, B., Wienberg, J., Ning, Y., … Ried, T. (1996). Večbarvna spektralna kariotipizacija človeških kromosomov. Znanost, 273, 494–498.
9. Wang, T., Maierhofer, C., Speicher, MR, Lengauer, C., Vogelstein, B., Kinzler, KW, & Velculescu, VE (2002). Digitalni kariotipizacija. PNAS, 99 (25), 16156-16161.