что такое кариотип в биологии кратко
Кариотип
Кариоти́п — совокупность признаков (число, размеры, форма и т. д.) полного набора хромосом, присущая клеткам данного биологического вида (видовой кариотип), данного организма (индивидуальный кариотип) или линии (клона) клеток. Кариотипом иногда также называют и визуальное представление полного хромосомного набора (кариограммы).
Содержание
Определение кариотипа
Внешний вид хромосом существенно меняется в течение клеточного цикла: в течение интерфазы хромосомы локализованы в ядре, как правило, деспирализованы и труднодоступны для наблюдения, поэтому для определения кариотипа используются клетки в одной из стадий их деления — метафазе митоза.
Процедура определения кариотипа
Для процедуры определения кариотипа могут быть использованы любые популяции делящихся клеток. Для определения человеческого кариотипа используют, как правило, лимфоциты периферической крови, переход которых от стадии покоя G0 к пролиферации провоцируют добавлением митогена фитогемагглютинина. Для определения кариотипа могут быть использованы также клетки костного мозга или первичная культура фибробластов кожи. Для увеличения числа клеток на стадии метафазы к культуре клеток незадолго перед фиксацией добавляют колхицин или нокадазол, которые блокируют образование микротрубочек, тем самым препятствуя расхождению хроматид к полюсам деления клетки и завершению митоза.
После фиксации препараты метафазных хромосом окрашивают и фотографируют; из микрофотографий формируют так называемый систематизированный кариотип — нумерованный набор пар гомологичных хромосом, изображения хромосом при этом ориентируются вертикально короткими плечами вверх, их нумерация производится в порядке убывания размеров, пара половых хромосом помещается в конец набора (см. Рис. 1).
Исторически первые недетализованные кариотипы, позволявшие проводить классификацию по морфологии хромосом, получали окраской по Романовскому — Гимзе, однако дальнейшая детализация структуры хромосом в кариотипах стала возможной с появлением методик дифференциального окрашивания хромосом. Наиболее часто используемой методикой в медицинской генетике является метод G-дифференциального окрашивания хромосом.
Классический и спектральный кариотипы
Для получения классического кариотипа используется окраска хромосом различными красителями или их смесями: в силу различий в связывании красителя с различными участками хромосом окрашивание происходит неравномерно и образуется характерная полосчатая структура (комплекс поперечных меток, англ. banding ), отражающая линейную неоднородность хромосомы и специфичная для гомологичных пар хромосом и их участков (за исключением полиморфных районов, локализуются различные аллельные варианты генов). Первый метод окраски хромосом, позволяющий получить такие высокодетализированные изображения, был разработан шведским цитологом Касперссоном (Q-окрашивание) [1] Используются и другие красители, такие методики получили общее название дифференциального окрашивания хромосом: [2]
Анализ кариотипов
Сравнение комплексов поперечных меток в классической кариотипии или участков со специфичными спектральными характеристиками позволяет идентифицировать как гомологичные хромосомы, так и отдельные их участки, что позволяет детально определять хромосомные аберрации — внутри- и межхромосомные перестройки, сопровождающиеся нарушением порядка фрагментов хромосом (делеции, дупликации, инверсии, транслокации). Такой анализ имеет большое значение в медицинской практике, позволяя диагностировать ряд хромосомных заболеваний, вызванных как грубыми нарушениями кариотипов (нарушение числа хромосом), так и нарушением хромосомной структуры или множественностью клеточных кариотипов в организме (мозаицизмом).
Номенклатура
Для систематизации цитогенетических описаний была разработана Международная цитогенетическая номенклатура (International System for Cytogenetic Nomenclature, ISCN), основанная на дифференциальном окрашивании хромосом и позволяющая подробно описывать отдельные хромосомы и их участки. Запись имеет следующий формат:
[номер хромосомы] [плечо] [номер участка].[номер полосы]
длинное плечо хромосомы обозначают буквой q, короткое — буквой p, хромосомные аберрации обозначаются дополнительными символами.
Таким образом, 2-я полоса 15-го участка короткого плеча 5-й хромосомы записывается как 5p15.2.
[количество хромосом], [половые хромосомы], [особенности] [5] .
Для обозначения половых хромосом у различных видов используются различные символы (буквы), зависящие от специфики определения пола таксона (различные системы половых хромосом). Так, у большинства млекопитающих женский кариотип гомогаметен, а мужской гетерогаметен, соответственно, запись половых хромосом самки XX, самца — XY. У птиц же самки гетерогаметны, а самцы гомогаметны, то есть запись половых хромосом самки ZW, самца — ZZ.
В качестве примера можно привести следующие кариотипы:
Аномальные кариотипы и хромосомные болезни
Нормальные кариотипы человека — 46,XX (женский) и 46,XY (мужской). Нарушения нормального кариотипа у человека возникают на ранних стадиях развития организма: в случае, если такое нарушение возникает при гаметогенезе, в котором продуцируются половые клетки родителей, кариотип зиготы, образовавшейся при их слиянии, также оказывается нарушенным. При дальнейшем делении такой зиготы все клетки эмбриона и развившегося из него организма обладают одинаковым аномальным кариотипом.
Однако нарушения кариотипа могут возникнуть и на ранних стадиях дробления зиготы, развившийся из такой зиготы организм содержит несколько линий клеток (клеточных клонов) с различными кариотипами, такая множественность кариотипов всего организма или отдельных его органов именуется мозаицизмом.
Как правило, нарушения кариотипа у человека сопровождаются множественными пороками развития; большинство таких аномалий несовместимо с жизнью и приводят к самопроизвольным абортам на ранних стадиях беременности. Однако достаточно большое число плодов (
2.5 % [источник не указан 1313 дней] ) с аномальными кариотипами донашивается до окончания беременности.
Кариотип некоторых биологических видов
Каждый вид организмов обладает характерным и постоянным набором хромосом. Количество диплоидных хромосом разнится от организма к организму:
Кариотип гоминидов
У человека нормальный кариотип состоит из 46 хромосом. Тогда как у шимпанзе, гориллы — 48.
См. также
Примечания
Ссылки
КАРИОТИП — (от карио. и греч. typos образец, форма), совокупность признаков хромосомного набора (число, размер, форма хромосом), характерных для того или иного вида. Постоянство К. каждого вида поддерживается закономерностями митоза и мейоза. Изменение К … Биологический энциклопедический словарь
КАРИОТИП — КАРИОТИП, выражаемая совокупностью хромосом, хромосомным комплексом карио логическая (см. Кариология) характеристика, идиограмма вида (по Делоне, введшему термин, рода). Обзор известных в наст, время К. обнаруживает в них большое разнообразие. К … Большая медицинская энциклопедия
КАРИОТИП — (от карио. и греч. typos отпечаток форма), типичная для вида совокупность морфологических признаков хромосом (размер, форма, детали строения, число и т. д.). Важная генетическая характеристика вида, лежащая в основе кариосистематики. Для… … Большой Энциклопедический словарь
КАРИОТИП — КАРИОТИП, расположение, структура и количество ХРОМОСОМ в ядре КЛЕТКИ. Каждый вид растений и животных обладает относительно постоянными и характерными чертами строения своих кариотипов. Например, у фруктовой мухи их 8, у кенгуру 12, у человека 46 … Научно-технический энциклопедический словарь
кариотип — сущ., кол во синонимов: 1 • набор (53) Словарь синонимов ASIS. В.Н. Тришин. 2013 … Словарь синонимов
КАРИОТИП — (от греч. karyon орех, ядро ореха и тип), хромосомный набор, совокупность хромосом, характерных для клеток данного вида организмов (популяций). Сравнительный анализ кариотипа используется для выявления различий между организмами (популяциями), их … Экологический словарь
кариотип — Полный набор хромосом в клетке организма [http://www.dunwoodypress.com/148/PDF/Biotech Eng Rus.pdf] Тематики биотехнологии EN karyotype … Справочник технического переводчика
Кариотип — * карыятып * karyotype совокупность хромосом организма в соматических клетках, т. е. набор, определяемый: а) основным числом хромосом; б) формой и относительной величиной хромосом в наборе; в) числом и величиной вторичных перетяжек; г) абсолютной … Генетика. Энциклопедический словарь
Кариотип — (от Карио. и греч. týpos образец, форма, тип) хромосомный набор, совокупность признаков хромосом (См. Хромосомы) (их число, размеры, форма и детали микроскопического строения) в клетках тела организма того или иного вида. Понятие К.… … Большая советская энциклопедия
Иногда семейной паре предлагают пройти кариотипирование плода. Для того чтобы понять что это такое, нужно иметь представление о кариотипе в целом.
Что такое кариотипирование?
Изучая хромосомы под микроскопом можно еще во внутриутробном периоде выявить многочисленные генетические заболевания (хромосомные аномалии).
Кариотипирование плода представляет собой процедуру исследования околоплодной жидкости или ворсинок хориона, в которых находятся клетки эмбриона. Период ожидания результатов достаточно длительный и составляет не менее 2 недель. При помощи данной процедуры можно выявить такие известные болезни, как синдром Дауна, болезнь Эдвардса, Шерeшевского-Тернера, Патау и другие.
Кроме этого, благодаря данной методике родители имеют возможность достоверно узнать пол ребенка еще до того, как это будет видно на УЗИ.
Основными показаниями к проведению кариотипирования плода являются:
Кариотипирование проводят в первом триместре беременности, чтобы у женщины было время на ее прерывание при обнаружении патологий. Отзывы врачей подтверждают высокую эффективность данного исследования.
Кариотипирование супругов
Анализ на кариотип может проводиться и у будущих родителей на этапе планирования семьи. У взрослых людей генетические «поломки» могут быть причиной бесплодия, а также приводят к невынашиванию беременности или формированию пороков развития у плода.
Показания к проведению исследования:
Некоторые хромосомные заболевания делают достижение или вынашивание беременности невозможным. Поэтому в случае их обнаружения супружеской паре рекомендуют провести ЭКО с использованием донорского биологического материала.В случае обнаружения хромосомных мутаций у супруга используется донорская сперма. Если они выявлены у женщины, проводят ЭКО с донорскими ооцитами. При правильном подходе к лечению беременность протекает без осложнений, а ребенок рождается здоровым.
Что такое кариотип?
Начнем с того, что такое кариотип. Это совокупность морфологических особенностей набора хромосом единичной клетки. Анализ обычно подразумевает оценку количества и структуры хромосом из клеток соматических (не половых) тканей при помощи цитогенетических методов. В последние годы также развивается молекулярное кариотипирование.
При анализе хромосомного набора формируется идиограмма. Хромосомы в ней располагаются по размеру, в порядке убывания. По Денверской классификации кариотип делят на 7 групп с учетом положения центромеры, наличия перетяжек и спутников, потому что такое деление позволяет правильно расположить даже одинаковые по размеру хромосомы. Рассчитывается центромерный индекс, отражающий соотношение длины короткого плеча хромосомы к её общей длине.
Выделяют такие группы:
С 1971 года используется также Парижская классификация. Она учитывает окраску хромосом, чередование различных по интенсивности окрашивания участков.
Нормальный кариотип
Что такое нормальный кариотип: это диплоидный (двойной) набор хромосом, общим количеством 46, имеющих правильное строение.
Патологический кариотип
Что такое патологический кариотип: это когда есть лишние, отсутствующие или неправильные по структуре хромосомы. Патологии кариотипа, что могут развиваться у человека, бывают такие:
Геномных мутаций у человека бывает только три. Это такие нарушения кариотипа, что предусматривают лишние аутосомы, лишние половые хромосомы или моносомию Х. Хромосомных аберраций гораздо больше. Это такие нарушения кариотипа, что сопровождаются следующими изменениями:
Некоторые мутации являются сбалансированными. Это такие инверсии и транслокации, при которых сохраняется баланс генов в кариотипе, что не приводит к грубым фенотипическим нарушениям. Человек с такими аберрациями внешне нормальный и не имеет патологий со стороны внутренних органов.
Тем не менее, большинство нарушений кариотипа такие, что приводят к грубым изменениям в организме. Почти все они несовместимы с жизнью. Эмбрионы и плоды погибают в ранние сроки гестации. Но с некоторыми мутациями люди живут, хотя это часто приводит к тяжелым патологиям внутренних органов и нарушению интеллекта.
История кариотипирования
Ученые относительно недавно узнали, что такое кариотип, и начали его исследовать в медицинской практике. Только в 1956 было установлено, что кариотип человека состоит из 46 хромосом. Были исследованы фибробласты легкого из трех медицинских абортусов. После этого начала развиваться медицинская цитогенетика. Началось тщательное изучение генетических аспектов таких патологий как синдром Дауна, Шерешевского-Тернера, Клайнфельтера: было показано, что они вызваны различными нарушениями кариотипа.
В 1960 году был разработан метод приготовления препарата хромосом из стимулированных лимфоцитов крови. Он стал основной для таких анализов кариотипа, что выполняются и сегодня.
В начале 1970 разработаны методы дифференциальной окраски. Ученые смогли лучше понять, что такое кариотип, после того как появились красители. Они накапливаются в хромосомах, позволяя лучше визуализировать эти внутриклеточные структуры. Это позволило обнаруживать структурные перестройки в них.
Изучение хромосом эмбриона человека помогает лучше понять, что такое кариотип. Цитогенетические методы используются в репродуктологии и акушерстве. Исследования в этой области ведутся в трех основных направлениях:
Знание, что такое кариотип, помогло увеличить эффективность ЭКО. Он позволило на раннем этапе беременности обнаруживать хромосомные перестройки у плода. Несмотря на понимание, что такое кариотип, устранить выявленные нарушения невозможно. Однако при тяжелых аберрациях пара может принять решение о прерывании беременности.
Наиболее активно кариотип человека исследовали в 60-70-х годах двадцатого века. За это время были исследованы тысячи эмбрионов. Это принесло новое понимание, что такое кариотип и к чему приводят структурные и количественные перестройки хромосом. Исследовались абортусы после спонтанных выкидышей. Оказалось, что такие эмбрионы имеют нарушения в кариотипе в 70% случаев.
В ходе исследований были обнаружены случаи мозаицизма. Это такое явление, при котором только часть клеток абортуса содержат патологический кариотип, что стало свидетельством ограниченного плацентарного мозаицизма.
Хронологически последним большим достижением цитогенетики стала разработка молекулярных методов исследования кариотипа, что позволили исследовать даже такие клетки абортусов, которые подверглись аутолизу или прекратили деление. До настоящего времени используются FISH и CGH. Они позволяют уточнить даже те хромосомные аберрации, которые не обнаруживаются традиционными способами.
В настоящее время можно сказать, что исследование кариотипа в репродуктологии и акушерстве имеет такое клиническое значение:
Методы пренатального кариотипирования
Материалом для анализа может быть хорион или плацента. Используются также клетки амниотической жидкости, лимфоциты пуповинной крови. Весь материал получают инвазивным способом.
Культивирование амниоцитов осуществляется в течение 2-3 недель. Длительность сокращается при использовании некоторых питательных сред, но это повышает стоимость исследования. Применяющийся новый метод, основанный на микроманипуляционной изоляции единичных метафазных клеток из первичных и перевиваемых культур, позволяет сократить время ожидания результатов до нескольких дней. При этом снижается риск диагностической ошибки. Он используется он редко, так как требует специального дорогостоящего оборудования.
Быстрее проводится исследование с использованием некультивированных амниоцитов. Для этого применяется метод FISH. Он дает результаты через 1-2 дня. Метод информативен в диагностике наиболее распространенных анеуплоидий. Но информация менее достоверная. Она ориентировочная и не может служить для принятия каких-либо решений (например, о прерывании беременности).
Итак, теперь вы знаете, что такое кариотип. Его определяют на всех этапах реализации репродуктивной функции. Кариотип оценивают у супругов перед беременностью, у эмбрионов перед переносом, а также у эмбриона или плода, который находится внутриутробно. Последнее исследование применяется редко, только в крайнем случае, так как оно требует выполнения инвазивной манипуляции по забору биоматериала.
Общие сведения
За хранение и передачу генетической информации отвечают молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты или ДНК, образованные цепочками азотистых оснований или нуклеотидами. В молекулах ДНК их бывает четыре вида:
Последовательности определенного числа нуклеотидов ДНК, следующие друг за другом, называются генами. Они способны к мутации и передаче по наследству в виде целостной информационной единицы. Кроме того, в каждом из них закодирован процесс синтеза белка или полипептида, отвечающего за определенную характеристику организма.
Понятие кариотипа
Носители ДНК представляют собой нитевидные структуры, сконцентрированные в ядре каждой клетки любого живого существа, и называются хромосомами. Свое название они получили от греческого слова «хром», что означает «цвет», так как могут очень хорошо поглощать красители. На их концах находятся теломеры, препятствующие слипанию. За движение отвечает первичная перетяжка или центромера. Расстояния от центромеры до концов называются плечами. Ее положение определяется центромерным индексом.
Совокупность всех признаков хромосомного набора (число, размеры, количество перетяжек и др.), характерных для определенного вида, называется в биологии кариотипом. У человека полный набор хромосом равен 46. Таким образом, в человеческих клетках их 23 пары. Первые двадцать две одинаковы у мужчин и женщин и называются аутосомами, а двадцать третья пара — половая. У женщин это две одинаковые крупные Х-хромосомы, у мужчин второй в паре является небольшая Y-хромосома. Одна из X-хромосом получена от матери, отцовская же и определяет пол человека: X женский, Y — мужской.
Гаплоидные и диплоидные клетки
Все органы и ткани человеческого организма состоят из соматических клеток, которые относятся к диплоидным, так как обладают полным набором хромосом. Исключением являются только половые (яйцеклетки и сперматозоиды): они содержат половину хромосом (23), то есть являются гаплоидными.
Когда зарождается новая жизнь, происходит слияние материнской и отцовской гаплоидных клеток в диплоидную зиготу, содержащую 46 хромосом. Будущий ребенок получает генетическую информацию от обоих родителей. При дальнейшем делении зиготы вновь образовавшиеся пары содержат похожие по длине и внешнему виду, но не идентичные пары, которые называются гомологичными. Некоторые участки родительские генов в них меняются местами, что ведет к образованию новых фенотипов у потомства.
Не все изменения хромосом полезны. Как на стадии деления зиготы, так и в процессе соединения или смешивания аллелей генов родителей могут возникать нарушения, приводящие к тяжелым заболеваниям. Сейчас их выявляют путем сравнения кариотипа плода, ребенка или взрослого человека с образцом без патологий.
Возможные патологии
Без исследования кариотипа на соответствие нормальному в некоторых случаях не обойтись: только цитогенетический анализ представит картину возможных изменений наследственной информации. Гены с нарушениями могут как передаться от родителей, так и возникнуть в момент оплодотворения или деления зиготы. Хромосомные патологии бывают количественные и структурные.
Первые вызываются увеличением или уменьшением необходимого числа хромосом (анеуплоидией), что всегда приводит к неправильному развитию плода. Пример такого отклонения — Синдром Дауна. У человека вместо 46 хромосом обнаруживается 47. Третья лишняя примыкает к 21-й паре. При структурных патологиях наблюдаются разные повреждения генов или изменяется их последовательность. Классификация изменений структуры:
Транслокационные изменения происходят при обмене небольшими фрагментами между разными хромосомами или прилипании части одной пары к другой. Если количество генного материала не изменилось, то произошла сбалансированная транслокация. Она, как правило, никак не отражается на человеке и несет опасность только будущему ребенку, потому что может стать несбалансированной с гораздо более серьезными последствиями.
Делеция (удаление) затрагивает любую часть каждой из хромосом. От величины и важности утраченной части зависит состояние будущего ребенка. Инсерции (вставки) возникают, если какие-либо участки генов оказались не на положенном месте в своей или другой хромосоме. Значительные перемещения вызывают различные патологии у детей, небольшие бывают и у полностью здоровых людей.
Дупликации возникают при удвоении части хромосомы и приводят к избытку генетической информации. Инверсией называется разворачивание части хромосомы таким образом, что гены на ней оказываются расположенными в обратном порядке. Обычно это никак не сказывается на здоровье носителя. Кольцевые хромосомы образуются при слипании их концов. Чаще всего это происходит с укороченными частями, поэтому отсутствие или тяжесть патологии зависят от ценности утраченного материала.
Методы исследования
В период интерфазы (подготовительной стадии деления) хромосомы не видны в микроскоп, изучение и проведение различных опытов с ними становится доступно на стадии метафазы (деления) клетки, когда они удваиваются и спирализуются. Молекулы такого вида называют хроматидами. Их можно изучать и фотографировать с помощью микроскопа.
Получение визуального отображения кариотипа или кариограммы основано на том, что при окрашивании специальными красителями участки хроматид связываются с ним неравномерно. При этом их тела приобретают характерную поперечно-полосатую структуру, специфичную для каждой пары. Метки в виде полосок называются бэндами, а процесс окрашивания — бэндингом.
У гомологичных хроматид окраска получается идентичной, за исключением областей локализации разных аллелей генов. Способность генетического материала к дифференциальному окрашиванию легла в основу анализа кариотипа, позволяющего обнаружить возможные патологии у супругов и их будущего ребенка. Методы таких исследований:
С помощью светового микроскопа делается несколько фотографий, на основании которых составляется рисунок кариограммы — нумерованного набора всех хромосомных пар, расположенных вертикально длинными плечами вниз. В конце изображают половые хромосомы. В последнее время получил развитие метод спектрального кариотипирования SKY и основанный на применении флуоресцентных красок FISH.
Показания к диагностике
В идеальном варианте каждой паре, планирующей завести ребенка, рекомендуется пройти определение числа хромосом методом кариотипирования. Цель анализа — оценить репродуктивные возможности будущих родителей.
Кариотипирование выявит мутации генов у здоровых людей, которые могут быть причиной развития пороков и болезней у детей. Исследования обязательно должны проводиться при проблемах с зачатием и невынашиванием беременности. Другие показания:
Диагностика проводится один раз в жизни, так как кариотип человека с возрастом не меняется. Расшифровку результатов делает врач-генетик. В норме они выглядят как 46XX для женщин и 46XY для мужчин. При обнаружении патологических изменений она будут отличаться — например, запись 46XY21+ означает лишнюю хромосому в 21-й паре (болезнь Дауна у мальчика). Длинное хромосомное плечо обозначается буквой q, короткое — t, т. е. запись 46ХХ5t расшифровывается как утрата короткого плеча в пятой паре (болезнь кошачьего крика у девочки).
Подготовка к анализу
Во время сдачи биологического материала на кариотипирование пациент должен хорошо себя чувствовать и быть здоровым. Инфекционные болезни и обострение хронических исказят результат. Так как для анализа нужны клетки на определенной стадии деления, подготовка заключается в исключении факторов, замедляющих их рост. За две недели до начала исследования нужно бросить курение, полностью исключить из рациона алкоголь и вредные продукты.
Если пациент проходит медикаментозную терапию, то нужно выяснить у лечащего врача, можно ли от нее отказаться. Перед сдачей крови принимать пищу можно не позднее, чем за 9−11 часов до анализа, питье — за 2−3 часа. Диагностика длится около двух недель. Кроме одноядерных лейкоцитов, извлекаемых из крови, по показаниям могут исследоваться фибробласты кожи или костный мозг.
Остановка процесса деления на стадии метафазы происходит при добавлении колхицина. По полученным клеткам с помощью дифференциального окрашивания составляют кариограмму. Этот метод позволяет выделять не только отдельные гомологичные хромосомы, но их участки, что помогает выявить структурные изменения генов и поставить точный диагноз.
Риски и их последствия
Если кариограмма показывает мутации или аберрации генов, то на стадии планирования беременности врач объясняет паре возможные риски рождения больного ребенка. При обнаружении аномалий у плода женщине могут предложить, но не настаивать на прерывании беременности. Генетические патологии неизлечимы, поэтому супругам придется принять сложное решение.
Когда риски невелики, генетик может назначить курс препаратов, еще больше снижающих вероятность заболевания. Для установления кариотипа при нарушениях в репродуктивной системе взрослых или уточнения диагноза у детей используется венозная кровь, при пренатальных исследованиях — околоплодные воды. Кариограмма позволяет оценить и общее состояние генов. Этим методом можно выявить:
Кроме того, может устанавливаться генетическая предрасположенность ко многим болезням — сахарному диабету, инфаркту миокарда, заболеваниям суставов, гипертонии.
Кариотипирование помогает решить проблему бесплодия и предотвратить рождение детей с неизлечимыми патологиями.