Кариотип: визуализация полного хромосомного набора клеток.

Введение

Фотографическое изображение полного набора хромосом в клетке.

Кариотип – это общий вид полного набора хромосом в клетках вида или отдельного организма, включающий в основном их размеры, число и форму. Кариотипирование – это процесс определения кариотипа путем установления хромосомного набора индивидуума, включая число хромосом и любые аномалии. Кариограмма или идиограмма – это графическое представление кариотипа, в котором хромосомы обычно организованы парами, упорядоченными по размеру и положению центромеры для хромосом одного размера. Кариотипирование обычно сочетает световую микроскопию и фотографию в метафазе клеточного цикла, в результате чего получается фотомикрографическая (или просто микрографическая) кариограмма. В отличие от нее, схематическая кариограмма – это разработанное графическое изображение кариотипа. На схематических кариограммах для краткости обычно изображается только одна из сестринских хроматид каждой хромосомы, и на практике они обычно расположены настолько близко друг к другу, что на фотомикрограммах выглядят как одна, если разрешение недостаточно для их различения. Изучение полных наборов хромосом иногда называют кариологией. Кариотипы описывают число хромосом организма и их вид под световым микроскопом. При этом обращают внимание на их длину, положение центромер, полосатый рисунок, различия между половыми хромосомами и любые другие физические характеристики. Подготовка и изучение кариотипов является частью цитогенетики. Основное число хромосом в соматических клетках индивидуума или вида называется соматическим числом и обозначается 2n. В зародышевой линии (половых клетках) число хромосом равно n (у человека: n = 23). p28 Таким образом, у человека 2n = 46. Следовательно, в нормальных диплоидных организмах аутосомные хромосомы присутствуют в двух копиях. Половые хромосомы могут присутствовать, а могут и отсутствовать. Полиплоидные клетки имеют множественные копии хромосом, а гаплоидные – одинарную. Кариотипы могут использоваться для различных целей, таких как изучение хромосомных аберраций, клеточной функции, таксономических взаимосвязей, в медицине и для получения информации о прошлых эволюционных событиях (кариосистематика).

A karyotype is the general appearance of the complete set of chromosomes in the cells of a species or in an individual organism, mainly including their sizes, numbers, and shapes. Karyotyping is the process by which a karyotype is discerned by determining the chromosome complement of an individual, including the number of chromosomes and any abnormalities. A karyogram or idiogram is a graphical depiction of a karyotype, wherein chromosomes are generally organized in pairs, ordered by size and position of centromere for chromosomes of the same size. Karyotyping generally combines light microscopy and photography in the metaphase of the cell cycle, and results in a photomicrographic (or simply micrographic) karyogram. In contrast, a schematic karyogram is a designed graphic representation of a karyotype. In schematic karyograms, just one of the sister chromatids of each chromosome is generally shown for brevity, and in reality they are generally so close together that they look as one on photomicrographs as well unless the resolution is high enough to distinguish them. The study of whole sets of chromosomes is sometimes known as karyology. Karyotypes describe the chromosome count of an organism and what these chromosomes look like under a light microscope. Attention is paid to their length, the position of the centromeres, banding pattern, any differences between the sex chromosomes, and any other physical characteristics. The preparation and study of karyotypes is part of cytogenetics. The basic number of chromosomes in the somatic cells of an individual or a species is called the somatic number and is designated 2n. In the germ line (the sex cells) the chromosome number is n (humans: n = 23). p28 Thus, in humans 2n = 46. So, in normal diploid organisms, autosomal chromosomes are present in two copies. There may, or may not, be sex chromosomes. Polyploid cells have multiple copies of chromosomes and haploid cells have single copies. Karyotypes can be used for many purposes; such as to study chromosomal aberrations, cellular function, taxonomic relationships, medicine and to gather information about past evolutionary events (karyosystematics).

Окраска

Изучение кариотипов становится возможным благодаря окрашиванию. Обычно, подходящий краситель, такой как Giemsa, наносят после того, как клетки были остановлены в процессе деления раствором колхицина, как правило, в метафазе или прометафазе, когда они максимально конденсированы. Для правильного прикрепления Giemsa-окраски необходимо переварить и удалить все хромосомные белки. У человека наиболее часто используют лейкоциты, поскольку их легко стимулировать к делению и выращивать в культуре тканей. Иногда наблюдения проводятся на не делящихся (интерфазных) клетках. Пол нерожденного плода можно определить, наблюдая за интерфазными клетками (см. амниоцентез и тело Барра).

Номер копии

Схематические кариограммы обычно отображают число копий ДНК, соответствующее фазе G0 клеточного состояния (вне репликационного клеточного цикла), которое является наиболее распространенным состоянием клеток. Схематическая кариограмма в этом разделе также показывает это состояние. В этом состоянии (а также во время фазы G1 клеточного цикла) каждая клетка имеет 2 аутосомные хромосомы каждого типа (обозначенные 2n), где каждая хромосома содержит одну копию каждого локуса, что составляет общее число копий 2 для каждого локуса (2c). В верхнем центре схематической кариограммы также показана пара хромосом 3 после прохождения синтеза ДНК, происходящего в фазе S (обозначенной как S) клеточного цикла. Этот интервал включает фазу G2 и метафазу (обозначенную как "Мета"). В течение этого интервала сохраняется 2n, но каждая хромосома содержит 2 копии каждого локуса, при этом каждая сестринская хроматида (плечо хромосомы) соединена в центромере, в общей сложности 4c. Хромосомы на микрографических кариограммах также находятся в этом состоянии, поскольку их обычно микрографируют в метафазе, но во время этой фазы две копии каждой хромосомы расположены настолько близко друг к другу, что выглядят как одна, если разрешение изображения недостаточно для их различения. Фактически, во время фаз G0 и G1 ядерная ДНК рассеяна в виде хроматина и не образует визуально различимых хромосом даже на микрографиях. Число копий человеческого митохондриального генома в одной клетке человека варьируется от 0 (эритроциты) до 1 500 000 (ооциты), главным образом в зависимости от количества митохондрий в клетке.

Разнообразие и эволюция кариотипов

Хотя репликация и транскрипция ДНК высоко стандартизированы у эукариот, то же самое нельзя сказать об их кариотипах, которые отличаются значительной изменчивостью. Наблюдается вариация в числе хромосом и в детальной организации между видами, несмотря на то, что они построены из одних и тех же макромолекул. Эта изменчивость является основой для ряда исследований в области эволюционной цитологии. В некоторых случаях существует даже значительная вариация внутри одного вида. В обзоре Годфри и Мастерс заключают:

На наш взгляд, маловероятно, что какой-либо из этих процессов по отдельности может объяснить широкий спектр наблюдаемых структур кариотипов. Однако, в сочетании с другими филогенетическими данными, кариотипическое расщепление может помочь объяснить существенные различия в диплоидном числе у близкородственных видов, которые ранее оставались необъяснимыми. Хотя многое известно о кариотипах на описательном уровне, и очевидно, что изменения в организации кариотипа повлияли на эволюционный ход многих видов, их общее значение остается неясным. Мы очень мало знаем о причинах эволюции кариотипа, несмотря на многочисленные тщательные исследования, и общее значение этой эволюции остается неясным. | Мейнард Смит

Изменения в процессе разработки

Вместо обычной репрессии генов некоторые организмы прибегают к крупномасштабному устранению гетерохроматина или другим видам видимой коррекции кариотипа. Удаление хромосом. У некоторых видов, как у многих мух-циарид, целые хромосомы устраняются в процессе развития. Уменьшение хроматина (первооткрыватель: Теодор Бовери). В этом процессе, наблюдаемом у некоторых копепод и круглых червей, таких как Ascaris suum, фрагменты хромосом отбрасываются в определенных клетках. Этот процесс представляет собой тщательно организованную перестройку генома, в ходе которой формируются новые теломеры и утрачиваются определенные области гетерохроматина. У A. suum все предшественники соматических клеток подвергаются уменьшению хроматина. Инактивация X-хромосомы. Инактивация одной X-хромосомы происходит на ранних стадиях развития млекопитающих (см. тело Барра и компенсацию дозы). У плацентарных млекопитающих инактивация происходит случайным образом между двумя X-хромосомами; таким образом, самка млекопитающего представляет собой мозаику по отношению к своим X-хромосомам. У сумчатых всегда инактивируется патерная X-хромосома. У женщин примерно 15% соматических клеток избегают инактивации, а число затронутых генов на инактивированной X-хромосоме варьируется в зависимости от клеток: в клетках фибробластов около 25% генов на теле Барра избегают инактивации.

Количество хромосом в наборе

Впечатляющим примером вариативности между близкородственными видами является мунджак, который был исследован Куртом Бениршке и Дорис Вурстер. Диплоидный набор китайского мунтжака, Muntiacus reevesi, оказался равным 46, все хромосомы – телоцентрические. Изучив кариотип близкородственного индийского мунтжака, Muntiacus muntjak, они были поражены, обнаружив, что у самок – 6, у самцов – 7 хромосом. Они не могли поверить своим глазам и молчали два-три года, полагая, что проблема в их культуре тканей. Но когда они получили еще несколько образцов, они подтвердили [свои данные]. Рекордное количество хромосом среди животных, вероятно, принадлежит коротконосому осетру Acipenser brevirostrum – 372 хромосомы. Среди папоротников пальму первенства держит язычник змеиный Ophioglossum, с в среднем 1262 хромосомами. Существование сверхчисленных или B-хромосом означает, что число хромосом может варьироваться даже внутри одной скрещивающейся популяции, а анеуплоиды – еще один пример, хотя в этом случае они не считаются нормальными представителями популяции.

Основное число

Фундаментальное число, FN, кариотипа – это число видимых основных хромосомных плеч в гаплоидном наборе хромосом. Таким образом, FN ≤ 2 x 2n, а разница зависит от числа хромосом, рассматриваемых как одноплечие (акроцентрические или телоцентрические). У человека FN = 82, что обусловлено наличием пяти пар акроцентрических хромосом: 13, 14, 15, 21 и 22 (Y-хромосома человека также акроцентрическая). Фундаментальное число аутосом или аутосомное фундаментальное число, FNa или AN, кариотипа – это число видимых основных хромосомных плеч в гаплоидном наборе аутосом (не половых хромосом).

Плоидная

Плоидность — это количество полных наборов хромосом в клетке. Полиплоидия, характеризующаяся наличием в клетках более двух наборов гомологичных хромосом, встречается преимущественно у растений. Согласно Стеббинсу, она играла важную роль в эволюции растений. Стеббинс оценил долю полиплоидных цветковых растений в 30–35%, однако у злаков этот показатель значительно выше, около 70%. Полиплоидия также распространена у низших растений (папоротников, хвощей и псилотовых), причём у некоторых видов папоротников уровни полиплоидии значительно превышают самые высокие уровни, известные у цветковых растений. Полиплоидия у животных встречается гораздо реже, но имела значение в некоторых группах. Полиплоидные ряды родственных видов, состоящие исключительно из кратных одного базового числа, называются эуплоидными. Гаплодиплоидия — это состояние, при котором у одного пола диплоидный, а у другого — гаплоидный набор хромосом. Это обычное явление у перепончатокрылых и некоторых других групп. Эндополиплоидия возникает, когда в дифференцированных взрослых тканях клетки прекращают делиться митозом, но ядра содержат больше хромосом, чем исходное соматическое число. В эндоцикле (эндомитозе или эндоредупликации) хромосомы в «неделимом» ядре подвергаются редупликации, а дочерние хромосомы расходятся внутри целой ядерной мембраны. Во многих случаях эндополиплоидные ядра содержат десятки тысяч хромосом (которые невозможно точно подсчитать). Клетки не всегда содержат точные кратные (степени двойки), поэтому простое определение «увеличение числа наборов хромосом в результате репликации без деления клетки» не совсем корректно. Этот процесс (особенно изученный у насекомых и некоторых высших растений, таких как кукуруза) может быть эволюционной стратегией для повышения продуктивности тканей, активно участвующих в биосинтезе. Это явление спорадически встречается во всем эукариотическом царстве, от простейших до человека; оно разнообразно и сложно и играет роль в дифференцировке и морфогенезе. Подробности об исследовании древних дубликаций кариотипов см. в статье о палеополиплоидии.

Ploidy is the number of complete sets of chromosomes in a cell. Polyploidy, where there are more than two sets of homologous chromosomes in the cells, occurs mainly in plants. It has been of major significance in plant evolution according to Stebbins. The proportion of flowering plants which are polyploid was estimated by Stebbins to be 30–35%, but in grasses the average is much higher, about 70%. Polyploidy in lower plants (ferns, horsetails and psilotales) is also common, and some species of ferns have reached levels of polyploidy far in excess of the highest levels known in flowering plants. Polyploidy in animals is much less common, but it has been significant in some groups. Polyploid series in related species which consist entirely of multiples of a single basic number are known as euploid. Haplo diploidy, where one sex is diploid, and the other haploid. It is a common arrangement in the Hymenoptera, and in some other groups. Endopolyploidy occurs when in adult differentiated tissues the cells have ceased to divide by mitosis, but the nuclei contain more than the original somatic number of chromosomes. In the endocycle (endomitosis or endoreduplication) chromosomes in a 'resting' nucleus undergo reduplication, the daughter chromosomes separating from each other inside an intact nuclear membrane. In many instances, endopolyploid nuclei contain tens of thousands of chromosomes (which cannot be exactly counted). The cells do not always contain exact multiples (powers of two), which is why the simple definition 'an increase in the number of chromosome sets caused by replication without cell division' is not quite accurate. This process (especially studied in insects and some higher plants such as maize) may be a developmental strategy for increasing the productivity of tissues which are highly active in biosynthesis. The phenomenon occurs sporadically throughout the eukaryote kingdom from protozoa to humans; it is diverse and complex, and serves differentiation and morphogenesis in many ways. See palaeopolyploidy for the investigation of ancient karyotype duplications.

Анеуплоидия

Анеуплоидия – это состояние, при котором число хромосом в клетках отличается от типичного для данного вида. Это приводит к хромосомной аномалии, такой как наличие дополнительной хромосомы или потеря одной или нескольких хромосом. Аномалии в числе хромосом обычно вызывают нарушения развития. Синдром Дауна и синдром Тернера – примеры таких нарушений. Анеуплоидия может также встречаться у близкородственных видов. Классическими примерами в растениях являются род Крепис (Crepis), у которого гаметические (= гаплоидные) числа образуют ряд x = 3, 4, 5, 6 и 7, и род Крокус (Crocus), где каждое число от x = 3 до x = 15 представлено как минимум одним видом. Различные данные свидетельствуют о том, что эволюционные тенденции в разных группах развивались в разных направлениях. У приматов у больших обезьян 48 хромосом (24 пары), а у человека – 46 (23 пары). Человеческая хромосома 2 образовалась в результате слияния предковых хромосом, что привело к уменьшению их числа.

Хромосомный полиморфизм

Некоторые виды полиморфны по различным структурным формам хромосом. Эта структурная вариация может быть связана с разным числом хромосом у отдельных особей, что наблюдается у божьей коровки Chilocorus stigma, некоторых богомолов рода Ameles и европейской бурозубки Sorex araneus. Имеются данные о моллюске Thais lapillus (морском винограде) на побережье Бретани, свидетельствующие о том, что два хромосомных морфа адаптированы к разным местообитаниям.

Виды деревьев

Детальное изучение полос хромосом у насекомых с политенными хромосомами может выявить родственные связи между близкородственными видами: классическим примером является исследование полос хромосом гавайских дрозофилид, проведенное Хэмптоном Л. Карсоном. На Гавайских островах, занимающих площадь около 16 835 квадратных километров, обитает самая разнообразная в мире коллекция дрозофилидных мух, встречающаяся от тропических лесов до субальпийских лугов. Эти приблизительно 800 гавайских видов дрозофилид обычно относят к двум родам – *Drosophila* и *Scaptomyza* – в семействе Drosophilidae. Политенное полосание группы «крылья с рисунком» – наиболее изученной группы гавайских дрозофилид – позволило Карсону построить эволюционное древо задолго до того, как анализ генома стал практически осуществимым. В некотором смысле, расположение генов проявляется в полосном рисунке каждой хромосомы. Перестройки хромосом, особенно инверсии, позволяют установить, какие виды тесно связаны между собой. Результаты очевидны: инверсии, представленные в виде дерева (и независимо от любой другой информации), демонстрируют четкий «поток» видов со старых островов на новые. Имеются также случаи повторной колонизации старых островов и пропусков островов, но они встречаются значительно реже. Датировка по калий-аргоновой системе показывает, что современные острова образовались от 0,4 миллиона лет назад (м.л.н.) (Мауна-Кеа) до 10 м.л.н. (Некер). Самый старый из Гавайских островов, все еще находящийся над уровнем моря, – это атолл Куре, возраст которого оценивается в 30 м.л.н. Сам архипелаг (образованный движением Тихоокеанской плиты над горячей точкой) существует гораздо дольше, по крайней мере, со времён мелового периода. Предыдущие острова, ныне находящиеся под водой (гиоты), формируют цепь гор Императора. Все эндемичные виды *Drosophila* и *Scaptomyza* на Гавайях, по всей видимости, произошли от единого предкового вида, колонизировавшего острова около 20 миллионов лет назад. Последующая адаптивная радиация была обусловлена отсутствием конкуренции и разнообразием экологических ниш. Хотя теоретически остров мог быть колонизирован одной беременной самкой, более вероятно, что это была группа особей одного вида. На Гавайском архипелаге есть и другие животные и растения, которые подверглись аналогичной, хотя и менее масштабной, адаптивной радиации.

The detailed study of chromosome banding in insects with polytene chromosomes can reveal relationships between closely related species: the classic example is the study of chromosome banding in Hawaiian drosophilids by Hampton L. Carson. In about 6500 square miles (16,835 km2), the Hawaiian Islands have the most diverse collection of drosophilid flies in the world, living from rainforests to subalpine meadows. These roughly 800 Hawaiian drosophilid species are usually assigned to two genera, Drosophila and Scaptomyza, in the family Drosophilidae. The polytene banding of the 'picture wing' group, the best studied group of Hawaiian drosophilids, enabled Carson to work out the evolutionary tree long before genome analysis was practicable. In a sense, gene arrangements are visible in the banding patterns of each chromosome. Chromosome rearrangements, especially inversions, make it possible to see which species are closely related. The results are clear. The inversions, when plotted in tree form (and independent of all other information), show a clear "flow" of species from older to newer islands. There are also cases of colonization back to older islands, and skipping of islands, but these are much less frequent. Using K Ar dating, the present islands date from 0.4 million years ago (mya) (Mauna Kea) to 10mya (Necker). The oldest member of the Hawaiian archipelago still above the sea is Kure Atoll, which can be dated to 30 mya. The archipelago itself (produced by the Pacific plate moving over a hot spot) has existed for far longer, at least into the Cretaceous. Previous islands now beneath the sea (guyots) form the Emperor Seamount Chain. All of the native Drosophila and Scaptomyza species in Hawaii have apparently descended from a single ancestral species that colonized the islands, probably 20 million years ago. The subsequent adaptive radiation was spurred by a lack of competition and a wide variety of niches. Although it would be possible for a single gravid female to colonise an island, it is more likely to have been a group from the same species. There are other animals and plants on the Hawaiian archipelago which have undergone similar, if less spectacular, adaptive radiations.

Полосатые хромосомы

Хромосомы демонстрируют полосатый рисунок при обработке некоторыми красителями. Полосы – это чередующиеся светлые и темные участки, которые видны вдоль длины хромосом. Уникальные полосатые рисунки используются для идентификации хромосом и диагностики хромосомных аберраций, включая повреждения хромосом, потерю, дупликацию, транслокацию или инверсии сегментов. Различные методы обработки хромосом позволяют получить различные типы полос: G-полосы, R-полосы, C-полосы, Q-полосы, T-полосы и NOR-полосы.

Классическая кариотипическая цитогенетика

В "классическом" (изображенном) кариотипе для окрашивания полос на хромосомах используется краситель, часто Giemsa (G-окраска), реже мепакрин (хинакрин). Гиемса специфична к фосфатным группам ДНК. Квинакрин связывается с участками, богатыми аденином и тимином. Каждая хромосома имеет характерный рисунок полос, который помогает в ее идентификации; обе хромосомы в паре имеют одинаковый рисунок полос. Кариотипы располагают коротким плечом хромосомы сверху, а длинным – снизу. Некоторые кариотипы обозначают короткое и длинное плечи соответственно p и q. Кроме того, различные окрашенные области и субзоны получают числовые обозначения от проксимального к дистальному на плечах хромосом. Например, синдром "кошачьего крика" включает делецию в коротком плече хромосомы 5. Это записывается как 46,XX,5p. Критический регион при этом синдроме – делеция p15.2 (локус на хромосоме), что записывается как 46,XX,del(5)(p15.2).

Многоцветная РЫБЬ (mFISH) и спектральный кариотип (метод SKY)

Многоцветная FISH и более ранний спектральный кариотипинг – это молекулярно-цитогенетические методы, используемые для одновременной визуализации всех пар хромосом в организме в различных цветах. Флуоресцентно-меченые зонды для каждой хромосомы создаются путем мечения ДНК, специфичной для хромосомы, различными флюорофорами. Поскольку количество спектрально различных флюорофоров ограничено, для генерации множества различных цветов используется комбинаторный метод мечения. Комбинации флюорофоров регистрируются и анализируются флуоресцентным микроскопом с использованием до 7 узкополосных флуоресцентных фильтров или, в случае спектрального кариотипирования, с помощью интерферометра, прикрепленного к флуоресцентному микроскопу. В случае изображения mFISH каждая комбинация фторхромов из полученных исходных изображений заменяется псевдоцветом в специализированном программном обеспечении для анализа изображений. Таким образом, хромосомы или участки хромосом могут быть визуализированы и идентифицированы, что позволяет анализировать хромосомные перестройки. В случае спектрального кариотипирования программное обеспечение для обработки изображений присваивает псевдоцвет каждой спектрально различной комбинации, обеспечивая визуализацию индивидуально окрашенных хромосом. Многоцветная FISH используется для выявления структурных хромосомных аберраций в раковых клетках и других патологических состояниях, когда окраска по Giemsa или другие методы оказываются недостаточно точными.

Цифровая кариотипизация

Цифровое кариотипирование — это метод, используемый для количественной оценки числа копий ДНК в геномном масштабе. Короткие последовательности ДНК из определенных локусов по всему геному выделяются и подсчитываются. Этот метод также известен как виртуальное кариотипирование. С помощью этой техники можно выявлять небольшие изменения в геноме человека, которые не обнаруживаются методами, основанными на анализе метафазных хромосом. Некоторые делеции локусов, как известно, связаны с развитием рака. Эти делеции обнаруживаются посредством цифрового кариотипирования с использованием локусов, ассоциированных с развитием рака.

Хромосомные аномалии

Хромосомные аномалии могут быть числовыми, как при наличии избыточных или недостающих хромосом, или структурными, такими как производные хромосомы, транслокации, инверсии, крупномасштабные делеции или дупликации. Числовые аномалии, также известные как анеуплоидия, часто возникают в результате нерасхождения хромосом во время мейоза при формировании гаметы; трисомии, при которых присутствуют три копии хромосомы вместо обычных двух, являются распространенными числовыми аномалиями. Структурные аномалии часто возникают из-за ошибок в гомологичной рекомбинации. Оба типа аномалий могут возникать в гаметах и, следовательно, присутствовать во всех клетках тела пораженного человека, либо они могут возникать во время митоза и приводить к образованию генетического мозаицизма, когда у индивидуума имеются как нормальные, так и аномальные клетки.