Каріотип

Рис. 1. Зображення набору хромосом (праворуч) і систематизований жіночий каріотип 46 XX (зліва). Отримано методом спектрального каріотипування.

Каріотип - сукупність ознак (число, розміри, форма і т. д.) повного набору хромосом, притаманна клітинам даного біологічного виду (видовий каріотип), даного організму (індивідуальний каріотип) або лінії (клона) клітин. Каріотипом іноді також називають і візуальне представлення повного хромосомного набору (каріограмми).

Термін "каріотип" був введений в 1924 радянським цитологом Г. А. Левитського [1].


1. Визначення каріотипу

Зовнішній вигляд хромосом істотно змінюється протягом клітинного циклу : протягом інтерфази хромосоми локалізовані в ядрі, як правило, деспіралізованние і важкодоступні для спостереження, тому для визначення каріотипу використовуються клітини в одній із стадій їх поділу - метафазі мітозу.

1.1. Процедура визначення каріотипу

Для процедури визначення каріотипу можуть бути використані будь популяції клітин, які діляться. Для визначення людського каріотипу використовують, як правило, лімфоцити периферичної крові, перехід яких від стадії спокою G0 до проліферації провокують додаванням митогена фітогемагглютиніну. Для визначення каріотипу можуть бути використані також клітини кісткового мозку або первинна культура фібробластів шкіри. Для збільшення числа клітин на стадії метафази до культури клітин незадовго перед фіксацією додають колхіцин або нокадазол, які блокують утворення мікротрубочок, тим самим перешкоджаючи розбіжності хроматид до полюсів поділу клітини і завершення мітозу.

Після фіксації препарати метафазних хромосом забарвлюють і фотографують; із мікрофотографій формують так званий систематизований каріотип - нумерований набір пар гомологічних хромосом, зображення хромосом при цьому орієнтуються вертикально короткими плечима вгору, їх нумерація проводиться в порядку убування розмірів, пара статевих хромосом поміщається в кінець набору (см . Рис. 1).

Історично перші недеталізованние каріотипу, що дозволяли проводити класифікацію за морфології хромосом, отримували забарвленням за Романовським - Гімза, однак подальша деталізація структури хромосом у каріотипі стала можливою з появою методик диференціального фарбування хромосом. Найбільш часто використовуваною методикою в медичної генетики є метод G-диференціального фарбування хромосом.


1.2. Класичний і спектральний Каріотип

Рис. 2. Приклад визначення транслокації по комплексу поперечних міток (смужки, класичний каріотип) та по спектру ділянок (колір, спектральний каріотип).

Для отримання класичного каріотипу використовується забарвлення хромосом різними барвниками або їх сумішами: в силу відмінностей у зв'язуванні барвника з різними ділянками хромосом фарбування відбувається нерівномірно і утворюється характерна полосчата структура (комплекс поперечних міток, англ. banding ), Що відображає лінійну неоднорідність хромосоми і специфічна для гомологічних пар хромосом та їх ділянок (за винятком поліморфних районів, локалізуються різні алельні варіанти генів). Перший метод забарвлення хромосом, що дозволяє отримати такі високодеталізованих зображення, був розроблений шведським цитологом Касперссоном (Q-забарвлення) [2] Використовуються й інші барвники, такі методики отримали загальну назву диференціального фарбування хромосом: [3]

  • Q-фарбування - фарбування по Касперссону акрихін-іпритом з дослідженням під флуоресцентним мікроскопом. Найчастіше застосовується для дослідження Y-хромосом (швидке визначення генетичної статі, виявлення транслокацій між X-і Y-хромосомами або між Y-хромосомою і аутосомами, скринінг мозаїцизму за участю Y-хромосом)
  • G-фарбування - модифіковане фарбування за Романовському - Гімза. Чутливість вище, ніж у Q-фарбування, тому використовується як стандартний метод цитогенетичного аналізу. Застосовується при виявленні невеликих аберацій і маркерних хромосом (сегментованих інакше, ніж нормальні гомологічні хромосоми)
  • R-фарбування - використовується акридинового оранжевого і подібні барвники, при цьому забарвлюються ділянки хромосом, нечутливі до G-фарбування. Використовується для виявлення деталей гомологічних G-або Q-негативних ділянок сестринських хроматид або гомологічних хромосом.
  • C-фарбування - застосовується для аналізу центромерних районів хромосом, містять конститутивним гетерохроматин і вариабельной дистальної частини Y-хромосоми.
  • T-фарбування - застосовують для аналізу теломерна районів хромосом.

Останнім часом використовується методика т. н. Спектрального каріотипування ( флюоресцентна гібридизація in situ, англ. Fluorescence in situ hybridization , FISH), що складається у фарбуванні хромосом набором флуоресцентних барвників, що зв'язуються зі специфічними областями хромосом [4]. В результаті такого фарбування гомологічні пари хромосом набувають ідентичні спектральні характеристики, що не тільки істотно полегшує виявлення таких пар, але й полегшує виявлення міжхромосомні транслокацій, тобто переміщень ділянок між хромосомами - транслоцірованние ділянки мають спектр, що відрізняється від спектра решті хромосоми.


1.3. Аналіз каріотипу

Порівняння комплексів поперечних міток в класичній каріотипу або ділянок зі специфічними спектральними характеристиками дозволяє ідентифікувати як гомологічні хромосоми, так і окремі їх ділянки, що дозволяє детально визначати хромосомні аберації - внутрішньо-і міжхромосомні перебудови, що супроводжуються порушенням порядку фрагментів хромосом ( делеції, дуплікації, інверсії, транслокації). Такий аналіз має велике значення в медичній практиці, дозволяючи діагностувати ряд хромосомних захворювань, викликаних як грубими порушеннями каріотипу (порушення кількості хромосом), так і порушенням хромосомної структури або множинністю клітинних каріотипів в організмі ( мозаїцизмом).


2. Номенклатура

Рис.3. Каріотип 46, XY, t (1, 3) (p21; q21), del (9) (q22): показані транслокація (перенесення фрагмента) між 1-й і 3-й хромосомами, делеція (втрата ділянки) 9-ої хромосоми . Маркування ділянок хромосом дана як по комплексам поперечних міток (класична каріотіпізація, смужки) так і по спектру флуоресценції (колір, спектральна каріотіпізація).

Для систематизації цитогенетичних описів була розроблена Міжнародна цитогенетична номенклатура (International System for Cytogenetic Nomenclature, ISCN), заснована на диференційному фарбуванні хромосом і дозволяє детально описувати окремі хромосоми і їх ділянки. Запис має наступний формат:

[Номер хромосоми] [плече] [номер ділянки]. [Номер смуги]

довге плече хромосоми позначають буквою q, короткий - буквою p, хромосомні аберації позначаються додатковими символами.

Таким чином, 2-я смуга 15-го ділянки короткого плеча 5-ї хромосоми записується як 5p15.2.

Для каріотипу використовується запис у системі ISCN 1995 [5], що має наступний формат:

[Кількість хромосом], [статеві хромосоми], [особливості] [6].

Для позначення статевих хромосом у різних видів використовуються різні символи (літери), залежать від специфіки визначення статі таксона (різні системи статевих хромосом). Так, у більшості ссавців жіночий каріотип гомогаметен, а чоловічий гетерогаметен, відповідно, запис статевих хромосом самки XX, самця - XY. У птахів ж самки гетерогаметних, а самці гомогаметних, тобто запис статевих хромосом самки ZW, самця - ZZ.

В якості прикладу можна навести такі Каріотип:

  • нормальний (видовий) каріотип домашнього кота :
    38, XY
  • індивідуальний каріотип коні з "зайвою" X-хромосомою ( трисомія по X-хромосомі):
    65, XXX
  • індивідуальний каріотип домашньої свині з делеції (втратою ділянки) довгого плеча (q) 10-ої хромосоми:
    38, XX, 10q-
  • індивідуальний каріотип чоловіки з транслокацією 21-х ділянок короткого (p) і довгого плечей (q) 1-й і 3-й хромосом і делеції 22-го ділянки довгого плеча (q) 9-ї хромосоми (приведений на Рис. 3):
    46, XY, t (1, 3) (p21; q21), del (9) (q22)

Оскільки нормальний каріотип є видоспецифічними, то розробляються і підтримуються стандартні описи каріотипів різних видів тварин і рослин, в першу чергу домашніх і лабораторних тварин і рослин [7].


3. Аномальні каріотип і хромосомні хвороби

Нормального каріотипу людини - 46, XX (жіночий) і 46, XY (чоловічий). Порушення нормального каріотипу у людини виникають на ранніх стадіях розвитку організму: у разі, якщо таке порушення виникає при гаметогенезу, в якому продукуються статеві клітини батьків, каріотип зиготи, що утворилася при їх злитті, також виявляється порушеним. При подальшому поділі такої зиготи всі клітини ембріона і розвинувся з нього організму мають однаковий аномальним каріотипом.

Однак порушення каріотипу можуть виникнути і на ранніх стадіях дроблення зиготи, який розвинувся з такої зиготи організм містить кілька ліній клітин (клітинних клонів) з різними каріотип, така множинність каріотипів всього організму або окремих його органів іменується мозаїцизмом.

Як правило, порушення каріотипу у людини супроводжуються множинними вадами розвитку; більшість таких аномалій несумісне з життям і призводять до мимовільних абортам на ранніх стадіях вагітності. Однак досить велика кількість плодів (~ 2.5% ) З аномальними каріотипу доношувати до закінчення вагітності.

Деякі хвороби людини, викликані аномаліями каріотипу [8], [9]
Каріотип Хвороба Коментар
47, XXY; 48, XXXY; Синдром Клайнфельтера Полісоми по X-хромосомі у чоловіків
45X0; 45X0/46XX; 45, X/46, XY; 46, X iso (Xq) Синдром Шерешевського - Тернера Моносомія по X хромосомі, в тому числі і мозаїцизм
47, ХХX; 48, ХХХХ; 49, ХХХХХ Полісоміі по X хромосомі Найбільш часто - трисомія X
47, ХХ, 21 +; 47, ХY, 21 + Синдром Дауна Трисомія по 21-й хромосомі
47, ХХ, 18 +; 47, ХY, 18 + Синдром Едвардса Трисомія по 18-й хромосомі
47, ХХ, 13 +; 47, ХY, 13 + Синдром Патау Трисомія по 13-й хромосомі
46, XX, 5р- Синдром котячого крику Делеція короткого плеча 5-ї хромосоми
46 XX або ХУ, 15Р-. Синдром Прадера-Віллі Аномалія 15 хромосоми

4. Каріотип деяких біологічних видів

Кожен вид організмів має характерним і постійним набором хромосом. Кількість диплоїдних хромосом різниться від організму до організму:

4.1. Каріотип гомінідів

У людини нормальний каріотип складається з 46 хромосом. Тоді як у шимпанзе, горили - 48.

Примітки

  1. Каріотип - slovari.yandex.ru / каріотип / Вікіпедія / Каріотип / - стаття з Великої радянської енциклопедії (3-е видання)
  2. Caspersson T. et al. Chemical differentiation along metaphase chromosomes. Exp. Cell Res. 49, 219-222 (1968).
  3. Р. Фок. Генетика ендокринних хвороб / / Ендокринологія (під ред. Нормана Лавина) М., "Практика", 1999
  4. E. Schrck, S. du Manoir et al.. Multicolor Spectral Karyotyping of Human Chromosomes. Science, 26 Jul 1996; 273 (5274): 494 (in Reports)
  5. ISCN (1995): An International System for Human Cytogenetic Nomenclature, Mitelman, F (ed); S. Karger, Basel, 1995
  6. ISCN Symbols and Abbreviated Terms / / Coriell Institute for Medical Research - ccr.coriell.org / ccr / help / iscn.html
  7. Resources for Genetic and Cytogenetic Nomenclature / / Council of Science Editors - www.councilscienceeditors.org / publications / resources.cfm
  8. Міжнародна класифікація хвороб. Вроджені аномалії [пороки розвитку], деформації та хромосомні порушення (Q00-Q99), Хромосомні аномалії, не класифіковані в інших рубриках (Q90-Q99)
  9. Хромосомні хвороби / / НЕВРОНЕТ - www.neuronet.ru/bibliot/semiotika/11_3.html