KARYOTYP: NA ČO SLÚŽI, TYPY, AKO SA TO ROBÍ, ZMENY - BIOLÓGIE - 2026

Karyotyp je fotografia z kompletnej sady metafázy chromozómov, ktorý obsahuje podrobné informácie o ich počte a štruktúre. Odvetvie lekárskych a biologických vied, ktoré sa zaoberá štúdiom chromozómov a súvisiacich chorôb, je známe ako cytogenetika.

Chromozómy sú štruktúry, v ktorých sú organizované gény obsiahnuté v molekulách deoxyribonukleovej kyseliny (DNA). V eukaryotoch sa skladajú z chromatínu, komplexu histónových proteínov a DNA, ktorá je zabalená v jadre všetkých buniek.

Ľudský karyotyp získaný s fluorescenčnými farbivami (Zdroj: Plociam ~ commonswiki cez Wikimedia Commons

Bunky každej živej bytosti na Zemi majú určitý počet chromozómov. Baktérie majú napríklad iba jeden kruhový kruh, zatiaľ čo ľudia majú 46 organizovaných v 23 pároch; a niektoré druhy vtákov majú až 80 chromozómov.

Na rozdiel od ľudí majú rastlinné bunky vo všeobecnosti viac ako dve homológne (identické) sady chromozómov. Tento jav sa nazýva polyploidia.

Všetky inštrukcie potrebné pre rast a vývoj živých bytostí, jednobunkových alebo viacbunkových, sú obsiahnuté v molekulách DNA, ktoré sú navinuté na chromozómoch. Preto je dôležité poznať jeho štruktúru a vlastnosti u druhu alebo u niektorého z jeho jedincov.

Termín karyotyp bol prvýkrát používaný v 20. rokoch 20. storočia v Delaunay a Levitsky na označenie súčtu charakteristických fyzikálnych vlastností chromozómov: ich počtu, veľkosti a štrukturálnych zvláštností.

Odvtedy sa používa na ten istý účel v kontexte modernej vedy; a jeho štúdium sprevádza mnoho procesov klinickej diagnostiky rôznych chorôb u človeka.

Ľudský karyotyp

Súbor 46 chromozómov (23 párov), ktoré tvoria ľudský genóm, je známy ako ľudský karyotyp a ktorý je graficky usporiadaný podľa charakteristík, ako je veľkosť a vzor pruhovania, čo je zrejmé vďaka použitiu špeciálnych farbiacich techník.

Schematické znázornenie ľudského karyotypu (Zdroj: Mikael Häggström prostredníctvom Wikimedia Commons)

Z 23 párov chromozómov je usporiadaných iba 1 až 22 v poradí podľa veľkosti. V somatických bunkách, tj v netexuálnych bunkách, sa týchto 22 párov nachádza a podľa pohlavia jednotlivca, či už mužského alebo ženského pohlavia, sa pridá pár chromozómov X (ženy) alebo XY pár (muži). ,

Páry 1 až 22 sa nazývajú autozomálne chromozómy a sú rovnaké u oboch pohlaví (mužských aj ženských), zatiaľ čo pohlavné chromozómy X a Y sa od seba líšia.

Na čo je karyotyp?

Hlavným prínosom karyotypu je podrobná znalosť chromozomálnej záťaže druhu a charakteristík každého z jeho chromozómov.

Aj keď niektoré druhy sú polymorfné a polyploidné vo vzťahu k svojim chromozómom, to znamená, že majú počas svojho životného cyklu rôzne tvary a počty, znalosť karyotypu nám zvyčajne umožňuje odvodiť z nich veľa dôležitých informácií.

Vďaka karyotypu je možné diagnostikovať chromozomálne zmeny vo veľkom meradle, ktoré zahŕňajú veľké kúsky DNA. U ľudí súvisí veľa chorôb alebo stavov s mentálnym postihnutím a iných fyzických defektov so závažnými chromozomálnymi abnormalitami.

Druhy karyotypov

Karyotypy sú opísané podľa notácie schválenej Medzinárodným systémom ľudskej cytogenetickej nomenklatúry (ISCN).

V tomto systéme má číslo priradené každému chromozómu spoločné s jeho veľkosťou a zvyčajne sú usporiadané od najväčšieho po najmenšie. Chromozómy sú prezentované v karyotypoch ako páry sesterských chromatidov s malým ramenom (p) smerujúcim nahor.

Druhy karyotypov sa odlišujú technikami používanými na ich získanie. Rozdiel zvyčajne spočíva v typoch zafarbenia alebo „značenia“ použitého na rozlíšenie jedného chromozómu od druhého.

Tu je stručný prehľad niektorých doteraz známych techník:

Pevné zafarbenie

Pritom sa na rovnomerné farbenie chromozómov používajú farbivá ako Giemsa a orceín. To bolo široko používané až do začiatku sedemdesiatych rokov, pretože boli v tom čase jediné známe farbivá.

G-pás alebo Giemsa farbenie

Je to najpoužívanejšia technika v klasickej cytogenetike. Chromozómy sa predtým trávia trypsínom a potom sa zafarbia. Vzor pruhov získaný po zafarbení je špecifický pre každý chromozóm a umožňuje podrobné štúdium jeho štruktúry.

Existujú alternatívne spôsoby na Giemsa zafarbenie, ale poskytujú veľmi podobné výsledky, ako je Q pruhovanie a reverzné R pruhovanie (kde pozorované tmavé pruhy sú svetelné pruhy získané pruhovaním G).

Konštitučné pásmo C

Špecificky zafarbí heterochromatín, najmä ten, ktorý sa nachádza v centromeroch. Zafarbí tiež nejaký materiál v krátkych ramenách acrocentrických chromozómov a distálnej oblasti dlhého ramena chromozómu Y.

Replikácia pások

Používa sa na identifikáciu neaktívneho X chromozómu a zahŕňa pridanie nukleotidového analógu (BrdU).

Strieborné škvrny

Historicky sa používa na identifikáciu oblastí nukleárnej organizácie, ktoré obsahujú veľa kópií ribozomálnej RNA a nachádzajú sa v centromerických oblastiach.

Farbenie distamycínom A / DAPI

Ide o fluorescenčnú farbiacu techniku, ktorá odlišuje heterochromatín od chromozómov 1, 9, 15, 16 a od chromozómu Y u ľudí. Používa sa najmä na rozlíšenie invertovanej duplikácie chromozómu 15.

Fluorescenčná in situ hybridizácia (FISH)

Je považovaná za najväčší cytogenetický pokrok po 90. rokoch 20. storočia a je to výkonná technika, pomocou ktorej je možné rozlišovať submikroskopické delécie. Využíva fluorescenčné sondy, ktoré sa špecificky viažu na chromozomálne molekuly DNA a existuje niekoľko variantov techniky.

Porovnávacia genómová hybridizácia (CGH)

Používa tiež fluorescenčné sondy na diferenciálne označenie DNA, ale používa známe porovnávacie štandardy.

Iné techniky

Iné modernejšie techniky priamo nezahŕňajú analýzu chromozomálnej štruktúry, ale skôr priame štúdium sekvencie DNA. Patria sem mikročipy, sekvenovanie a ďalšie techniky založené na amplifikácii pomocou PCR (polymerázová reťazová reakcia).

Ako sa vykonáva karyotyp?

Existujú rôzne techniky na uskutočnenie štúdia chromozómov alebo karyotypu. Niektoré sú sofistikovanejšie ako iné, pretože umožňujú detekciu malých nepostrehnuteľných zmien najbežnejšie používanými metódami.

Cytogenetické analýzy na získanie karyotypu sa bežne vykonávajú z buniek prítomných v ústnej sliznici alebo v krvi (pomocou lymfocytov). V prípade štúdií vykonaných na novorodencoch sa vzorky odoberajú z plodovej vody (invazívne techniky) alebo z krvných buniek plodu (neinvazívne techniky).

Dôvody vykonávania karyotypu sú rôzne, ale mnohokrát sa robia za účelom diagnostikovania chorôb, štúdií plodnosti alebo zisťovania príčin opakovaných potratov alebo úmrtí a rakoviny plodu, okrem iných dôvodov.

Kroky na vykonanie testu karyotypu sú nasledujúce:

1 - Získanie vzorky (bez ohľadu na jej zdroj).

2-Separácia buniek, životne dôležitý krok, najmä vo vzorkách krvi. V mnohých prípadoch je potrebné separovať deliace bunky od deliacich buniek pomocou špeciálnych chemických činidiel.

Rast 3 buniek. Niekedy je potrebné pestovať bunky vo vhodnom kultivačnom médiu, aby sa získalo ich väčšie množstvo. V závislosti od typu vzorky to môže trvať dlhšie ako pár dní.

4-Synchronizácia buniek. Aby bolo možné pozorovať kondenzované chromozómy vo všetkých kultivovaných bunkách súčasne, je potrebné ich „synchronizovať“ pomocou chemického ošetrenia, ktoré zastaví delenie buniek, keď sú chromozómy kompaktnejšie, a teda viditeľné.

5 - Získanie chromozómov z buniek. Ak ich chcete vidieť pod mikroskopom, musia byť chromozómy „vytiahnuté“ z buniek. Toto sa zvyčajne dosiahne tak, že sa na ne pôsobí roztokmi, ktoré spôsobia, že sa roztrhnú a rozpadnú, čím sa uvoľnia chromozómy.

6-farbenie. Ako je zdôraznené vyššie, chromozómy musia byť zafarbené jednou z mnohých dostupných techník, aby ich bolo možné pozorovať pod mikroskopom a vykonať príslušnú štúdiu.

7-Analýza a počítanie. Chromozómy sa podrobne sledujú, aby sa určila ich totožnosť (v prípade, že sa to dozvedie vopred), ich morfologické charakteristiky, ako je veľkosť, poloha centroméry a prúžkovaný obrazec, počet chromozómov vo vzorke atď.

8-klasifikácie. Jednou z najnáročnejších úloh cytogenetikov je klasifikácia chromozómov porovnaním ich charakteristík, pretože je potrebné určiť, ktorý z nich je chromozóm. Je to tak preto, že keďže vo vzorke je viac ako jedna bunka, bude existovať viac ako jeden pár rovnakého chromozómu.

Chromozomálne abnormality

Pred popísaním rôznych chromozomálnych zmien, ktoré môžu existovať, a ich dôsledkov na ľudské zdravie, je potrebné zoznámiť sa so všeobecnou morfológiou chromozómov.

Morfológia chromozómov

Chromozómy sú štruktúry, ktoré sa javia lineárne a majú dve „ramená“, malé (p) a väčšie (q), ktoré sú od seba oddelené oblasťou známou ako centroméra, špecializované miesto DNA, ktoré sa zúčastňuje ukotvenia vretena. mitotické počas mitotického delenia buniek.

Centroméra môže byť umiestnená v strede obidvoch ramien p a q, ďaleko od stredu alebo blízko jedného z ich koncov (metacentrická, submetacentrická alebo acrocentrická).

Na konci krátkych a dlhých ramien majú chromozómy „čiapky“ známe ako teloméry, ktoré sú konkrétnymi sekvenciami DNA bohatými na opakovania TTAGGG a ktoré sú zodpovedné za ochranu DNA a zabránenie fúzie medzi chromozómami.

Na začiatku bunkového cyklu sú chromozómy vnímané ako jednotlivé chromatidy, ale ako sa replikujú bunky, tvoria dve sesterské chromatidy, ktoré zdieľajú rovnaký genetický materiál. Na týchto karyotypových fotografiách sú vidieť tieto chromozomálne páry.

Chromozómy majú rôzne stupne „balenia“ alebo „kondenzácie“: heterochromatín je najviac kondenzovaná forma a je transkripčne inaktívna, zatiaľ čo euchromatín zodpovedá najviac laxným regiónom a je transkripčne aktívny.

V karyotype sa každý chromozóm, ako je uvedené vyššie, vyznačuje svojou veľkosťou, polohou svojej centroméry a vzorom pruhov, keď je zafarbený rôznymi technikami.

Chromozomálne abnormality

Z patologického hľadiska je možné špecifikovať špecifické chromozomálne zmeny, ktoré sa pravidelne pozorujú v ľudských populáciách, hoci iné zvieratá, rastliny a hmyz z nich nie sú vyňaté.

Abnormality sa často spájajú s deléciami a duplikáciami oblastí chromozómu alebo celých chromozómov.

Tieto defekty sú známe ako aneuploidie, čo sú chromozomálne zmeny, ktoré zahŕňajú stratu alebo zisk úplného chromozómu alebo jeho častí. Straty sú známe ako monozómy a zisky sú známe ako trizómy a mnohé z nich sú smrteľné pre vývoj plodu.

Môžu sa vyskytnúť aj prípady chromozomálnych inverzií, keď sa poradie génovej sekvencie zmení v dôsledku súčasných zlomov a chybných opráv niektorej oblasti chromozómu.

Translokácie sú tiež chromozomálne zmeny, ktoré zahŕňajú zmeny vo veľkých častiach chromozómov, ktoré sa vymieňajú medzi nehomológnymi chromozómami a môžu alebo nemusia byť recipročné.

Existujú tiež zmeny, ktoré súvisia s priamym poškodením sekvencie génov obsiahnutých v chromozomálnej DNA; a dokonca existujú aj niektoré súvisiace s účinkami genomických „značiek“, ktoré so sebou môže priniesť materiál zdedený po jednom z rodičov.

Ľudské choroby zistené pomocou karyotypov

Cytogenetická analýza zmien chromozómov pred a po narodení je nevyhnutná pre komplexnú klinickú starostlivosť o deti, bez ohľadu na techniku ​​použitú na tento účel.

Downov syndróm je jednou z najčastejšie detegovaných patológií zo štúdie karyotypu a súvisí s nodisjunkciou chromozómu 21, čo je dôvod, prečo sa nazýva aj trizómia 21.

Karyotyp človeka s trizómiou na chromozóme 21 (Zdroj: Program energetického ľudského genómu US Department. Via Wikimedia Commons)

Niektoré typy rakoviny sa zisťujú pomocou karyotypovej štúdie, pretože súvisia s chromozomálnymi zmenami, najmä s deléciou alebo duplikáciou génov priamo zapojených do onkogénnych procesov.

Určité typy autizmu sa diagnostikujú z analýzy karyotypu a ukázalo sa, že duplikácia chromozómu 15 sa podieľa na niektorých z týchto stavov u ľudí.

Medzi ďalšie patológie spojené s deléciami v chromozóme 15 patrí Prader-Williho syndróm, ktorý spôsobuje príznaky, ako je nedostatok svalového tonusu a respiračná nedostatočnosť u dojčiat.

Syndróm „plačacej mačky“ (z francúzskeho cri-du-chatu) znamená stratu krátkeho ramena chromozómu 5 a jednou z najpriamejších metód pre jeho diagnostiku je cytogenetické štúdium karyotypu.

Translokácia častí medzi chromozómami 9 a 11 charakterizuje pacientov trpiacich bipolárnou poruchou, špecificky súvisiacu s narušením génu na chromozóme 11. Ďalšie defekty na tomto chromozóme boli tiež pozorované pri rôznych vrodených defektoch.

Podľa štúdie, ktorú vykonali Weh a kol., V roku 1993 malo viac ako 30% pacientov s mnohopočetným myelómom a leukémiou plazmatických buniek karyotypy s chromozómami, ktorých štruktúra je aberantná alebo abnormálna, najmä na chromozómoch 1, 11 a 14 ,

Referencie

1. Alberts, B., Dennis, B., Hopkin, K., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., … Walter, P. (2004). Esenciálna bunková biológia. Abingdon: Garland Science, Taylor & Francis Group.
2. Battaglia, E. (1994). Nukleozóm a nukleotyp: terminologická kritika. Caryologia, 47 (3–4), 37–41.
3. Elsheikh, M., Wass, JAH, & Conway, G. (2001). Autoimunitný syndróm štítnej žľazy u žien s Turnerovým syndrómom - spojenie s karyotypom. Clinical Endocrinology, 223–226.
4. Fergus, K. (2018). VeryWell Health. Zdroj: www.verywellhealth.com/how-to-how-is-a-karyotype-test-done-1120402
5. Gardner, R., & Amor, D. (2018). Gardnerove a Sutherlandove abnormality chromozómov a genetické poradenstvo (5. vydanie). New York: Oxford University Press.
6. Griffiths, A., Wessler, S., Lewontin, R., Gelbart, W., Suzuki, D., & Miller, J. (2005). Úvod do genetickej analýzy (8. vydanie). Freeman, WH & Company.
7. Rodden, T. (2010). Genetics For Dummies (2. vydanie). Indianapolis: Wiley Publishing, Inc.
8. Schrock, E., Manoir, S., Veldman, T., Schoell, B., Wienberg, J., Ning, Y., … Ried, T. (1996). Viacfarebné spektrálne karyotypovanie ľudských chromozómov. Science, 273, 494-498.
9. Wang, T., Maierhofer, C., Speicher, MR, Lengauer, C., Vogelstein, B., Kinzler, KW, a Velculescu, VE (2002). Digitálne karyotypovanie. PNAS, 99 (25), 16156-16161.