KARYOTYPE: K ČEMU SLOUŽÍ, TYPY, JAK SE TO DĚLÁ, ZMĚNY - BIOLOGIE - 2025

Karyotype je fotografie z kompletní sady metafáze chromozomů, který obsahuje podrobné informace o jejich počtu a struktuře. Obor lékařských a biologických věd, který se zabývá studiem chromozomů a souvisejících nemocí, se nazývá cytogenetika.

Chromozomy jsou struktury, ve kterých jsou organizovány geny obsažené v molekulách deoxyribonukleové kyseliny (DNA). V eukaryotech se skládají z chromatinu, komplexu histonových proteinů a DNA, která je zabalena do jádra všech buněk.

Lidský karyotyp získaný s fluorescenčními barvivy (Zdroj: Plociam ~ commonswiki přes Wikimedia Commons

Buňky každé živé bytosti na Zemi mají určitý počet chromozomů. Bakterie mají například pouze jeden kruh, zatímco lidé mají 46 organizovaných do 23 párů; a některé druhy ptáků mají až 80 chromozomů.

Na rozdíl od lidí mají rostlinné buňky obecně více než dvě homologní (identické) sady chromozomů. Tento jev je znám jako polyploidie.

Všechny pokyny nezbytné pro růst a vývoj živých bytostí, jednobuněčných nebo mnohobuněčných, jsou obsaženy v molekulách DNA, které jsou navinuté na chromozomech. Proto je důležité znát jeho strukturu a vlastnosti u druhu nebo u některého z jeho jedinců.

Termín karyotyp byl poprvé používán během dvacátých let 20. století Delaunayem a Levitským k označení součtu charakteristických fyzikálních vlastností chromozomů: jejich počtu, velikosti a strukturálních zvláštností.

Od té doby se používá pro stejný účel v kontextu moderní vědy; a jeho studium doprovází mnoho procesů klinické diagnostiky různých nemocí u člověka.

Lidský karyotyp

Soubor 46 chromozomů (23 párů), které tvoří lidský genom, je známý jako lidský karyotyp a který je graficky uspořádán podle charakteristik, jako je velikost a vzor pruhování, což je zřejmé díky použití speciálních technik barvení.

Schematické znázornění lidského karyotypu (Zdroj: Mikael Häggström prostřednictvím Wikimedia Commons)

Z 23 párů chromozomů je pouze 1 až 22 uspořádáno v pořadí podle velikosti. V somatických buňkách, tj. V non-sexuálních buňkách, se těchto 22 párů nachází a v závislosti na pohlaví jednotlivce, ať už mužského nebo ženského, se přidá pár chromozomů X (ženy) nebo XY pár (muži)..

Páry 1 až 22 se nazývají autozomální chromozomy a jsou stejné u obou pohlaví (mužské i ženské), zatímco pohlavní chromozomy, X a Y, se od sebe liší.

K čemu je karyotyp?

Hlavní užitečnost karyotypu je podrobná znalost chromozomální zátěže druhu a charakteristik každého z jeho chromozomů.

Ačkoli některé druhy jsou polymorfní a polyploidní ve vztahu k jejich chromozomům, to znamená, že mají proměnlivé tvary a počet z nich po celou dobu jejich životního cyklu, znalost karyotypu nám obvykle umožňuje odvodit spoustu důležitých informací o nich.

Díky karyotypu lze diagnostikovat chromozomální změny ve „velkém měřítku“ zahrnující velké kousky DNA. U lidí souvisí mnoho nemocí nebo stavů s mentálním postižením a jiných fyzických defektů se závažnými chromozomálními abnormalitami.

Druhy karyotypů

Karyotypy jsou popsány podle notace schválené Mezinárodním systémem lidské cytogenetické nomenklatury (ISCN).

V tomto systému má číslo přiřazené každému chromozomu co do činění s jeho velikostí a obvykle jsou uspořádány od největšího k nejmenšímu. Chromozomy jsou prezentovány v karyotypech jako páry sesterských chromatidů s malou rukou (p) směřující nahoru.

Typy karyotypů se liší technikami, které se používají k jejich získání. Obvykle rozdíl spočívá v typech barvení nebo „značení“ používaných k odlišení jednoho chromozomu od druhého.

Zde je stručné shrnutí některých dosud známých technik:

Pevné skvrny

Přitom se barviva jako Giemsa a orcein používají k rovnoměrnému barvení chromozomů. To bylo široce používáno až do časných sedmdesátých lét, protože oni byli jediní známá barviva pro čas.

G-band nebo Giemsa skvrna

Je to nejpoužívanější technika v klasické cytogenetice. Chromozomy se předtím štěpily trypsinem a pak se obarvily. Vzor pruhů získaných po obarvení je specifický pro každý chromozom a umožňuje podrobné studium jeho struktury.

Existují alternativní metody k barvení Giemsou, ale poskytují velmi podobné výsledky, jako je Q bandážování a reverzní R bandážování (kde pozorované tmavé pruhy jsou světlé pruhy získané G bandováním).

Konstituční C-pásmo

Specificky barví heterochromatin, zejména ten, který se nachází v centromerech. Také zabarví nějaký materiál v krátkých ramenech acrocentrických chromozomů a distální oblasti dlouhého ramene Y chromozomu.

Pásek replikace

Používá se k identifikaci inaktivního X chromozomu a zahrnuje přidání nukleotidového analogu (BrdU).

Stříbrná skvrna

Historicky se používá k identifikaci oblastí nukleární organizace, které obsahují mnoho kopií ribozomální RNA a nacházejí se v centromerických oblastech.

Barvení distamycinem A / DAPI

Jedná se o fluorescenční barvicí techniku, která odlišuje heterochromatin od chromozomů 1, 9, 15, 16 a od chromozomu Y u lidí. Používá se zejména k rozlišení převrácené duplikace chromozomu 15.

Fluorescenční hybridizace in situ (FISH)

Je považována za největší cytogenetický pokrok po 90. letech 20. století a je to výkonná technika, pomocí které lze rozlišit submikroskopické delece. Využívá fluorescenční sondy, které se specificky vážou na molekuly chromozomální DNA, a existuje několik variant této techniky.

Srovnávací genomická hybridizace (CGH)

Také používá fluorescenční sondy k odlišnému značení DNA, ale používá známé srovnávací standardy.

Další techniky

Jiné modernější techniky přímo nezahrnují analýzu chromozomální struktury, ale spíše přímé studium sekvence DNA. Patří sem microarrays, sekvenování a další techniky založené na amplifikaci PCR (polymerázová řetězová reakce).

Jak se provádí karyotyp?

Studium chromozomů nebo karyotypu provádí různé techniky. Některé jsou sofistikovanější než jiné, protože umožňují detekci malých nepostřehnutelných změn nejčastěji používanými metodami.

Cytogenetické analýzy k získání karyotypu se běžně provádějí z buněk přítomných v ústní sliznici nebo v krvi (pomocí lymfocytů). V případě studií prováděných na novorozencích se vzorky odebírají z plodové vody (invazivní techniky) nebo z fetálních krevních buněk (neinvazivní techniky).

Důvody, proč se provádí karyotyp, jsou rozmanité, ale mnohokrát jsou prováděny za účelem diagnostiky nemocí, studií plodnosti nebo zjišťování příčin opakovaných potratů nebo úmrtí a rakovin plodu, mimo jiné.

Kroky k provedení testu karyotypu jsou následující:

1 - Získání vzorku (bez ohledu na jeho zdroj).

2-Separace buněk, životně důležitý krok, zejména ve vzorcích krve. V mnoha případech je nutné oddělit dělící buňky od dělících buněk pomocí speciálních chemických činidel.

3-buněčný růst. Někdy je nutné pěstovat buňky ve vhodném kultivačním médiu, aby se získalo jejich větší množství. To může v závislosti na typu vzorku trvat déle než několik dní.

4-Synchronizace buněk. K pozorování kondenzovaných chromozomů ve všech kultivovaných buňkách současně je nutné je „synchronizovat“ pomocí chemického ošetření, které zastaví dělení buněk, když jsou chromozomy kompaktnější a jsou tedy viditelné.

5 - Získání chromozomů z buněk. Aby byly chromozomy vidět pod mikroskopem, musí být „vytaženy“ z buněk. Toho je obvykle dosaženo zpracováním těchto roztoků, které způsobí jejich prasknutí a dezintegraci, uvolnění chromozomů.

6-barvení. Jak je zdůrazněno výše, chromozomy musí být obarveny jednou z mnoha dostupných technik, aby je bylo možné pozorovat pod mikroskopem a provést odpovídající studii.

7-Analýza a počítání. Chromozomy jsou podrobně sledovány, aby se určila jejich identita (v případě, že se to dozví předem), jejich morfologické charakteristiky, jako je velikost, poloha centromery a pruhování, počet chromozomů ve vzorku atd.

8-Klasifikace. Jedním z nejnáročnějších úkolů pro cytogenetiky je klasifikace chromozomů porovnáním jejich charakteristik, protože je nutné určit, který chromozom je který. Je to proto, že protože ve vzorku je více než jedna buňka, bude existovat více než jeden pár stejného chromozomu.

Chromozomální abnormality

Před popisem různých chromozomálních změn, které mohou existovat, a jejich důsledků pro lidské zdraví, je nutné se seznámit s obecnou morfologií chromozomů.

Morfologie chromozomů

Chromozomy jsou struktury, které se zdají lineární a mají dvě „ramena“, malou (p) a větší (q), která jsou od sebe oddělena oblastí známou jako centromera, specializované místo DNA, které se účastní kotvení vřetena. mitotické během dělení mitotických buněk.

Centromera může být umístěna ve středu obou ramen p a q, daleko od středu nebo blízko jednoho z jejich konců (metacentrický, submetacentrický nebo acrocentrický).

Na koncích krátkých a dlouhých ramen mají chromozomy „čepice“ známé jako telomery, což jsou konkrétní sekvence DNA bohaté na opakování TTAGGG a které jsou odpovědné za ochranu DNA a prevenci fúze mezi chromozomy.

Na začátku buněčného cyklu jsou chromozomy považovány za jednotlivé chromatidy, ale jak se replikují buňky, tvoří dvě sesterské chromatidy, které sdílejí stejný genetický materiál. Na karyotypových fotografiích jsou vidět tyto chromozomální páry.

Chromozomy mají různé stupně „balení“ nebo „kondenzace“: heterochromatin je nejvíce kondenzovaná forma a je transkripčně neaktivní, zatímco euchromatin odpovídá nejvíce laxním oblastem a je transkripčně aktivní.

V karyotypu je každý chromozom, jak je uvedeno výše, odlišen svou velikostí, polohou své centromery a vzorem pruhů, pokud jsou obarveny různými technikami.

Chromozomální abnormality

Z patologického hlediska lze určit specifické chromozomální změny, které jsou pravidelně pozorovány v lidských populacích, ačkoli z nich nejsou vyjmuta jiná zvířata, rostliny a hmyz.

Abnormality se často týkají delecí a duplikací oblastí chromozomu nebo celých chromozomů.

Tyto defekty jsou známé jako aneuploidie, což jsou chromozomální změny, které zahrnují ztrátu nebo zisk úplného chromozomu nebo jeho částí. Ztráty jsou známé jako monosomie a zisky jsou známé jako trisomie a mnoho z nich je smrtelných pro vývoj plodů.

Mohou se také vyskytnout případy chromozomálních inverzí, kde se pořadí sekvence genů mění v důsledku současných zlomů a chybných oprav některé oblasti chromozomu.

Translokace jsou také chromozomální alterace, které zahrnují změny ve velkých částech chromozomů, které jsou vyměňovány mezi nehomologickými chromozomy a mohou nebo nemusí být reciproční.

Existují také změny, které souvisejí s přímým poškozením sekvence genů obsažených v chromozomální DNA; a dokonce existují i ​​některé související s účinky genomických „značek“, které s sebou může přinést materiál zděděný od jednoho z obou rodičů.

Lidské choroby detekované karyotypy

Cytogenetická analýza chromozomálních změn před a po narození je nezbytná pro komplexní klinickou péči o kojence bez ohledu na techniku ​​použitou pro tento účel.

Downův syndrom je jednou z nejčastěji detekovaných patologií ze studie karyotypu a souvisí s nondisjunkcí chromozomu 21, a proto se také nazývá trisomie 21.

Karyotyp člověka s trizomií na chromozomu 21 (Zdroj: US Department Program Energy Human Genome Programme. Via Wikimedia Commons)

Některé typy rakoviny jsou detekovány studiem karyotypu, protože souvisejí s chromozomálními změnami, zejména s delecí nebo duplikací genů přímo zapojených do onkogenních procesů.

Některé typy autismu jsou diagnostikovány na základě analýzy karyotypu a ukázalo se, že duplikace chromozomu 15 se podílí na některých z těchto patologií u lidí.

Mezi další patologie spojené s delecí v chromozomu 15 patří Prader-Williho syndrom, který způsobuje příznaky, jako je nedostatek svalového tonusu a respirační deficity u kojenců.

Syndrom „plačící kočky“ (z francouzského cri-du-chatu) znamená ztrátu krátké paže chromozomu 5 a jednou z nejpřímějších metod pro jeho diagnostiku je cytogenetické studium karyotypu.

Translokace částí mezi chromozomy 9 a 11 charakterizuje pacienty trpící bipolární poruchou, konkrétně související s narušením genu na chromozomu 11. Jiné defekty na tomto chromozomu byly také pozorovány u různých vrozených vad.

Podle studie provedené Weh et al. V roce 1993 mělo více než 30% pacientů trpících mnohočetným myelomem a leukémií z plazmatických buněk karyotypy s chromozomy, jejichž struktury jsou aberantní nebo abnormální, zejména na chromozomech 1, 11 a 14.

Reference

1. Alberts, B., Dennis, B., Hopkin, K., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M.,… Walter, P. (2004). Základní buněčná biologie. Abingdon: Garland Science, Taylor & Francis Group.
2. Battaglia, E. (1994). Nukleozom a nukleotyp: terminologická kritika. Caryologia, 47 (3–4), 37–41.
3. Elsheikh, M., Wass, JAH, & Conway, G. (2001). Autoimunitní tyreoidální syndrom u žen s Turnerovým syndromem - asociace s karyotypem. Klinická endokrinologie, 223–226.
4. Fergus, K. (2018). VeryWell Health. Citováno z www.verywellhealth.com/how-to-how-is-a-karyotype-test-done-1120402
5. Gardner, R., & Amor, D. (2018). Gardnerovy a Sutherlandovy chromozomální abnormality a genetické poradenství (5. vydání). New York: Oxford University Press.
6. Griffiths, A., Wessler, S., Lewontin, R., Gelbart, W., Suzuki, D., & Miller, J. (2005). Úvod do genetické analýzy (8. vydání). Freeman, WH & Company.
7. Rodden, T. (2010). Genetika pro figuríny (2. vydání). Indianapolis: Wiley Publishing, Inc.
8. Schrock, E., Manoir, S., Veldman, T., Schoell, B., Wienberg, J., Ning, Y.,… Ried, T. (1996). Vícebarevná spektrální karyotypizace lidských chromozomů. Science, 273, 494-498.
9. Wang, T., Maierhofer, C., Speicher, MR, Lengauer, C., Vogelstein, B., Kinzler, KW, & Velculescu, VE (2002). Digitální karyotyping. PNAS, 99 (25), 16156-16161.