Цитогенетика - Cytogenetics

Информацию о научном журнале с таким названием см. Цитогенетические и геномные исследования.
Метафазная клетка, положительная по реаранжировке BCR / ABL с использованием FISH

Цитогенетика по сути является ветвью генетика, но также является частью клеточной биологии / цитологии (подразделение анатомии человека), которое касается того, как хромосомы относятся к поведению клеток, особенно к их поведению во время митоз и мейоз.[1] Используемые методы включают кариотипирование, анализ G-полосный хромосомы, другие методы цитогенетического бэндинга, а также молекулярная цитогенетика Такие как флуоресцентный на месте гибридизация (РЫБА) и сравнительная геномная гибридизация (CGH).

История

Начало

Хромосомы были впервые обнаружены в клетках растений Карл Вильгельм фон Нэгели в 1842 г. Их поведение у животных (саламандра ) клеток был описан Вальтер Флемминг, первооткрыватель митоз, в 1882 году. Название было придумано другим немецким анатомом, фон Вальдейер в 1888 г.

Следующий этап наступил после развития генетики в начале 20 века, когда стало понятно, что набор хромосом ( кариотип ) был носителем генов. Левицкий, кажется, был первым, кто определил кариотип как фенотипический появление соматический хромосомы, в отличие от их генный содержание.[2][3] Изучение кариотипа человека заняло много лет, чтобы решить самый главный вопрос: сколько хромосом делает нормальный диплоид клетка человека содержит?[4] В 1912 г. Ханс фон Винивартер сообщили о 47 хромосомах в сперматогония и 48 в оогония, завершая XX / XO определение пола механизм.[5] Художник в 1922 году не было уверенности, было ли диплоидное число людей 46 или 48, сначала отдавая предпочтение 46.[6] Позже он пересмотрел свое мнение с 46 на 48, и он правильно настаивал на том, что у людей есть XX / XY система определения пола.[7] Учитывая их методы, эти результаты были весьма примечательными. В научных книгах количество хромосом человека оставалось на уровне 48 более тридцати лет. Чтобы исправить эту ошибку, потребовались новые методы. Джо Хин Тжио работает в Альберт Леван лаборатория[8][9] отвечал за поиск подхода:

  1. Использование клеток в культуре
  2. Предварительная обработка клеток в гипотонический раствор, что увеличивает их и расширяет хромосомы
  3. Арест митоз в метафаза решением колхицин
  4. Сдавливание препарата на слайде, вынуждающее хромосомы в одну плоскость
  5. Разрезание микрофотографии и преобразование результата в бесспорную кариограмму.

Только в 1956 году стало общепризнанным, что кариотип человека включает всего 46 хромосом.[10][11][12] В большие обезьяны имеют 48 хромосом. Хромосома человека 2 был образован в результате слияния наследственных хромосом, уменьшив количество.[13]

Приложения в биологии

Работа Макклинтока о кукурузе

Барбара МакКлинток начала свою карьеру в качестве кукуруза цитогенетик. В 1931 году Макклинток и Гарриет Крейтон продемонстрировали, что цитологическая рекомбинация отмеченных хромосомы коррелирует с рекомбинацией генетических черты (гены ). МакКлинток, находясь в Институт Карнеги, продолжил предыдущие исследования механизмов разрыва хромосом и вспышки слияния у кукурузы. Она определила конкретный случай разрыва хромосомы, который всегда происходил в одном и том же локусе на хромосоме 9 кукурузы, который она назвала "Ds " или локус «диссоциации».[14] МакКлинток продолжила свою карьеру в цитогенетике, изучая механику и наследование сломанных и кольцевых (кольцевых) хромосом кукурузы. Во время своей цитогенетической работы МакКлинток обнаружила транспозоны, находка, которая в конечном итоге привела к ней Нобелевская премия в 1983 г.

Природные популяции дрозофилы

В 1930-е гг. Добжанский и его коллеги собрали Drosophila pseudoobscura и D. persimilis из диких популяций в Калифорния и соседние государства. Используя технику художника[15] они изучили политенные хромосомы и обнаружил, что дикие популяции полиморфны для хромосомные инверсии. Все мухи похожи друг на друга, какие бы инверсии они ни несли: это пример загадочного полиморфизма.

Свидетельства быстро накапливались, чтобы показать, что естественный отбор был ответственным. Используя метод, изобретенный L'Héritier и Teissier, Добжанский селекционировал популяции в клетки для населения, что позволило кормить, разводить и собирать образцы, предотвращая побег. Это помогло устранить миграция как возможное объяснение результатов. Запасы, содержащие инверсии с известной начальной частотой, могут поддерживаться в контролируемых условиях. Было обнаружено, что различные типы хромосом не колеблются случайным образом, как если бы они были избирательно нейтральными, а приспосабливались к определенным частотам, на которых они стабилизировались. К тому времени, когда Добжанский опубликовал третье издание своей книги в 1951 г.[16] его убедили, что хромосомные морфы поддерживаются в популяции благодаря избирательному преимуществу гетерозигот, как и в большинстве полиморфизмы.[17][18]

Лилия и мышь

Лилия является предпочтительным организмом для цитологического исследования мейоза, поскольку хромосомы большие, и каждую морфологическую стадию мейоза можно легко идентифицировать микроскопически. Хотта и др.[19] представили доказательства общего паттерна синтеза ДНК и репарации в мужских мейотических клетках лилий и грызунов во время зиготен-пахитеновых стадий мейоза, когда предполагался кроссинговер. Наличие общего паттерна между такими филогенетически далекими организмами, как лилия и мышь, привело авторов к выводу, что организация мейотического кроссинговера, по крайней мере, у высших эукариот, вероятно, универсальна по распространению.

Человеческие аномалии и медицинские приложения

Филадельфийская транслокация t (9; 22) (q34; q11.2), наблюдаемая при хроническом миелолейкозе.

После появления процедур, позволяющих легко подсчитывать хромосомы, были быстро сделаны открытия, связанные с аберрантными хромосомами или числом хромосом. При некоторых врожденных заболеваниях, таких как Синдром Дауна, цитогенетика выявила характер хромосомного дефекта: «простая» трисомия. Нарушения, возникающие из-за нерасхождение события могут вызвать клетки с анеуплоидия (добавление или удаление целых хромосом) у одного из родителей или у плода. В 1959 году Лежен[20] обнаруженные пациенты с синдромом Дауна имели дополнительную копию хромосомы 21. Синдром Дауна также называют трисомией 21.

Другие обнаруженные числовые аномалии включают аномалии половых хромосом. Женщина с одной Х-хромосомой Синдром Тернера, в то время как дополнительная Х-хромосома у мужчин, в результате чего получается 47 хромосом, имеет Синдром Клайнфельтера. Многие другие комбинации половых хромосом совместимы с живорождением, включая XXX, XYY и XXXX. Способность млекопитающих переносить анеуплоидии в половых хромосомах возникает из-за способности инактивировать их, который необходим нормальным самкам для компенсации наличия двух копий хромосомы. Не все гены на Х-хромосоме инактивированы, поэтому у людей с лишними Х-хромосомами наблюдается фенотипический эффект.

Трисомия 13 была связана с Синдром Патау и трисомия 18 с Синдром Эдвардса.

В 1960 году Питер Ноуэлл и Дэвид Хангерфорд[21] обнаружил небольшую хромосому в лейкоцитах пациентов с Хронический миелолейкоз (CML). Эта аномальная хромосома была названа Филадельфийская хромосома - поскольку оба ученых проводили свои исследования в Филадельфия, Пенсильвания. Тринадцать лет спустя, с развитием более совершенных методов, аномальная хромосома была показана Джанет Роули быть результатом перемещение хромосом 9 и 22. Идентификация филадельфийской хромосомы с помощью цитогенетики является диагностической для ХМЛ.

Появление техники полос

Кариотип человека по мужскому типу.

В конце 1960-х гг. Торбьорн Касперссон разработали технику хинакринового флуоресцентного окрашивания (Q-banding), которая выявила уникальные образцы полос для каждой пары хромосом. Это позволило различать пары хромосом одинакового размера с помощью четких горизонтальных полос. Образцы полос теперь используются для выяснения точек останова и составляющих хромосом, участвующих в хромосомные транслокации. Делеции и инверсии в отдельной хромосоме также могут быть идентифицированы и описаны более точно с использованием стандартизированной номенклатуры группирования. G-полосатость (с использованием трипсина и окраски по Гимзе / Райту) была одновременно разработана в начале 1970-х годов и позволяет визуализировать структуру полос с помощью микроскопа с ярким полем.

Диаграммы, идентифицирующие хромосомы на основе шаблонов полос, известны как идиограммы. Эти карты стали основой как пренатальной, так и онкологической областей, чтобы быстро перенести цитогенетику в клиническую лабораторию, где кариотипирование позволило ученым искать хромосомные изменения. Методы были расширены, чтобы позволить культуру бесплатного амниоциты выздоровел от амниотическая жидкость, и методы удлинения для всех типов культур, которые позволяют полосатость с более высоким разрешением.

Начала молекулярной цитогенетики

В 1980-х годах были достигнуты успехи в молекулярная цитогенетика. В то время как зонды, меченные радиоизотопами, были гибридизированы с ДНК с 1969 года начали использовать датчики с флуоресцентной меткой. Их гибридизация с хромосомными препаратами с использованием существующих методов стала известна как флуоресценция на месте гибридизация (РЫБЫ).[22] Это изменение значительно расширило использование методов зондирования, поскольку зонды с флуоресцентной меткой более безопасны. Дальнейшие достижения в области микроманипуляции и исследования хромосом привели к созданию техники микродиссекция хромосомы посредством чего аберрации в хромосомной структуре могут быть выделены, клонированы и изучены все более детально.

Методы

Кариотипирование

Обычный хромосомный анализ (Кариотипирование ) относится к анализу метафаза хромосомы которые были обвязаны с использованием трипсин с последующим Гимза, Leishmanns или их смесь. Это создает уникальные полосы на хромосомах. Молекулярный механизм и причина этих закономерностей неизвестны, хотя, вероятно, они связаны с время репликации и упаковка хроматина.

В лабораториях цитогенетики используются несколько методов разбивки хромосом. Хинакрин полосатость (Q-полосатость) была первым методом окрашивания, используемым для получения специфических полос. Для этого метода требуется флуоресцентный микроскоп, и он уже не так широко используется, как Гимза полосатость (G-banding). Обратное полосатость, или R-полосатость, требует термической обработки и меняет обычный черно-белый узор, который наблюдается в G-полосах и Q-полосах. Этот метод особенно полезен для окрашивания дистальных концов хромосом. Другие методы окрашивания включают С-образные полосы и ядрышковый организация пятен на области (NOR пятен). Эти последние методы специфически окрашивают определенные участки хромосомы. С-образные полосы окрашивают конститутивный гетерохроматин, который обычно находится возле центромеры, а окрашивание NOR выделяет сателлиты и стебли акроцентрические хромосомы.

Бэндинг с высоким разрешением предполагает окрашивание хромосом во время профаза или рано метафаза (прометафаза), прежде чем они достигнут максимальной конденсации. Потому что профаза и прометафаза хромосомы более протяженные, чем метафазные хромосомы, количество полос, наблюдаемых для всех хромосом, увеличивается примерно с 300 до 450 до 800. Это позволяет обнаруживать менее очевидные аномалии, обычно не наблюдаемые при обычном разбиении на группы.

Подготовка слайдов

Ячейки из Костный мозг, кровь, околоплодные воды, пуповинная кровь, опухоль и ткани (включая кожу, пуповина, ворсинки хориона, печень и многие другие органы) можно культивировать с использованием стандартных методов культивирования клеток для увеличения их количества. А митотический ингибитор (колхицин, колцемид ) затем добавляется к культуре. Это останавливает деление клеток на митоз что позволяет увеличить выход митотических клеток для анализа. Затем клетки центрифугируют, среду и ингибитор митоза удаляют и заменяют гипотоническим раствором. Это вызывает набухание белых кровяных телец или фибробластов, так что хромосомы распространяются при добавлении на предметное стекло, а также лизируют эритроциты. После того, как клетки оставались в гипотоническом растворе, фиксатор Карнуа (3: 1 метанол к ледяная уксусная кислота ) добавлен. Это убивает клетки и укрепляет ядра оставшихся лейкоцитов. Клетки обычно фиксируются многократно, чтобы удалить остатки или оставшиеся эритроциты. Затем клеточная суспензия капает на предметные стекла. После выдержки предметных стекол в духовке или ожидания в течение нескольких дней они готовы для обвязки и анализа.

Анализ

Анализ полосатых хромосом проводится на микроскоп клиническим лабораторным специалистом по цитогенетике (CLSp (CG)). Обычно анализируется 20 ячеек, чего достаточно, чтобы исключить мозаичность до приемлемого уровня. Результаты суммируются и передаются сертифицированному цитогенетику для рассмотрения и написания интерпретации с учетом предыдущей истории болезни пациента и других клинических данных. Затем результаты выдаются в виде Международная система цитогенетической номенклатуры человека 2009 г. (ISCN2009).

Флуоресцентная гибридизация in situ

Интерфазные клетки, положительные по перестройке t (9; 22)

Флуоресцентная гибридизация in situ (FISH) относится к использованию флуоресцентно меченного зонда для гибридизации с цитогенетическими клеточными препаратами.

В дополнение к стандартным препаратам FISH также может выполняться на:

Подготовка слайдов

Этот раздел относится к приготовлению стандартных цитогенетических препаратов.

Предметное стекло выдерживают с использованием солевого раствора, обычно состоящего из 2X SSC (соль, цитрат натрия). Затем слайды обезвоживаются в этиловый спирт, и смесь зондов добавляется. Образец ДНК и ДНК зонда затем совместно денатурируют с использованием нагретой пластины и дают возможность повторно отжигаться в течение по меньшей мере 4 часов. Затем предметные стекла промывают для удаления избытка несвязанного зонда и окрашивают 4 ', 6-диамидино-2-фенилиндолом (DAPI ) или иодид пропидия.

Анализ

Анализ образцов FISH проводится флуоресцентная микроскопия клиническим лабораторным специалистом по цитогенетике. Для онкологии обычно большое количество межфазный клетки оценивают для исключения остаточной болезни на низком уровне, обычно подсчитывают и оценивают от 200 до 1000 клеток. При врожденных проблемах обычно оценивается 20 метафазных клеток.

Будущее цитогенетики

Достижения теперь сосредоточены на молекулярная цитогенетика включая автоматизированные системы для подсчета результатов стандартных приготовлений FISH и методы для виртуальное кариотипирование, такие как сравнительные наборы геномной гибридизации, CGH и Однонуклеотидный полиморфизм массивы.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Rieger, R .; Michaelis, A .; Грин, М. (1968), Словарь генетики и цитогенетики: классическая и молекулярная, Нью-Йорк: Springer-Verlag, ISBN  978-0-387-07668-3CS1 maint: использует параметр авторов (связь)
  2. ^ Левицкий, Григорий Андреевич (1924). Материальные основы наследственности [Материальная основа наследственности] (на русском). Киев: Госиздат Украины.[страница нужна ]
  3. ^ Левицкий Г.А. (1931). «Морфология хромосом». Бык. Прикладной бот. Genet. Порода растений. 27: 19–174.
  4. ^ Коттлер, Малкольм Джей (1974). «От 48 до 46: цитологический метод, предубеждение и подсчет хромосом человека». Вестник истории медицины. 48 (4): 465–502. JSTOR  44450164. PMID  4618149. ProQuest  1296285397.
  5. ^ фон Винивартер H (1912). "Études sur la spermatogense humaine" [Исследования сперматогенеза человека]. Arch. Биология (На французском). 27 (93): 147–149.
  6. ^ Художник Т.С. «Сперматогенез человека» с. 129 дюйм «Тезисы». Анатомический рекорд. 23 (1): 89–132. Январь 1922 г. Дои:10.1002 / ар.1090230111.
  7. ^ Художник Теофил С. (апрель 1923 г.). «Исследования сперматогенеза у млекопитающих. II. Сперматогенез человека». Журнал экспериментальной зоологии. 37 (3): 291–336. Дои:10.1002 / jez.1400370303.
  8. ^ Райт, Пирс (11 декабря 2001 г.). "Джо Хин Тжио Человек, который вычислил количество хромосом". Хранитель. В архиве с оригинала от 25 августа 2017 года.
  9. ^ Саксон, Вольфганг (7 декабря 2001 г.). "Джо Хин Чио, 82 года; биолог-исследователь подсчитал хромосомы". Нью-Йорк Таймс. В архиве из оригинала 12 мая 2013 г.
  10. ^ Тжио, Джо Хин; Леван, Альберт (9 июля 2010 г.). «Число хромосом человека». Наследие. 42 (1–2): 723–4. Дои:10.1111 / j.1601-5223.1956.tb03010.x. PMID  345813.
  11. ^ Сюй, Т. С. (2012). Цитогенетика человека и млекопитающих: историческая перспектива. Springer Science & Business Media. ISBN  978-1-4612-6159-9.[страница нужна ]
  12. ^ «Архивная копия». В архиве из оригинала от 17.02.2011. Получено 2011-03-15.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (связь) Encyclopdia Britannica, Хромосома человека
  13. ^ «Архивная копия». В архиве из оригинала 2011-08-20. Получено 2010-05-29.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (связь) Страницы эволюции, слияние хромосом
  14. ^ Равиндран, Сандип (11 декабря 2012 г.). «Барбара МакКлинток и открытие прыгающих генов». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 109 (50): 20198–20199. Дои:10.1073 / pnas.1219372109. ЧВК  3528533. PMID  23236127.
  15. ^ Художник Т.С. (22 декабря 1933 г.). «Новый метод изучения хромосомных перестроек и построения хромосомных карт». Наука. 78 (2034): 585–586. Bibcode:1933Sci .... 78..585P. Дои:10.1126 / science.78.2034.585. PMID  17801695.
  16. ^ Добжанский Т. 1951. Генетика и происхождение видов. 3-е изд., Издательство Колумбийского университета, Нью-Йорк.
  17. ^ Добжанский Т. 1970. Генетика эволюционного процесса. Columbia University Press N.Y.
  18. ^ [Добжанский Т.] 1981. Добжанский генетика природных популяций. ред. Левонтин Р.К., Мур Дж. А., Провайн В.Б. и Уоллес Б. Издательство Колумбийского университета, штат Нью-Йорк.
  19. ^ Хотта, Ясуо; Chandley, Ann C .; Стерн, Герберт (сентябрь 1977 г.). «Мейотический кроссинговер у лилии и мыши». Природа. 269 (5625): 240–242. Bibcode:1977Натура.269..240H. Дои:10.1038 / 269240a0. PMID  593319. S2CID  4268089.
  20. ^ Лежен, Жером; Готье, Марта; Терпин, Раймонд (16 марта 1959). "Étude des chromosomes somatiques des neuf enfants mongoliens" [Исследование соматических хромосом у 9 детей-монголоидов]. Comptes rendus hebdomadaires des séances de l'Académie des Sciences (На французском). 248 (11): 1721–1722. OCLC  871332352. PMID  13639368. NAID  10008406728.
  21. ^ Nowell PC, Hungerford DA. «Минутная хромосома при хроническом гранулоцитарном лейкозе человека». стр. 1497–1501 в «Национальная академия наук». Наука. 132 (3438): 1488–1501. 18 ноября 1960 г. Дои:10.1126 / science.132.3438.1488. PMID  17739576.
  22. ^ Гупта, П. К. (2007). Цитогенетика. Публикации Растоги. ISBN  978-81-7133-737-8.[страница нужна ]

внешняя ссылка