Un cariotipo può essere definito come un insieme di cromosomi di cellule somatiche, comprese le caratteristiche strutturali dei cromosomi. Negli organismi multicellulari, tutte le cellule somatiche contengono lo stesso insieme di cromosomi, cioè hanno lo stesso cariotipo. Negli organismi diploidi, il cariotipo è l'insieme diploide di cromosomi nella cellula.
Il concetto di cariotipo è usato non tanto in relazione a un individuo quanto in relazione a una specie. In questo caso lo dicono il cariotipo è specie specifico, cioè ogni specie di organismi ha il suo cariotipo speciale. Sebbene il numero di cromosomi in tipi diversi possono coincidere, ma nella loro struttura hanno sempre l'una o l'altra differenza.
Sebbene il cariotipo sia principalmente una caratteristica della specie, può variare leggermente tra gli individui della stessa specie. La differenza più ovvia sono i cromosomi sessuali ineguali negli organismi femminili e maschili. Inoltre, possono verificarsi varie mutazioni, che portano ad anomalie nel cariotipo.
Il numero di cromosomi e il livello di organizzazione di una specie non sono correlati tra loro. In altre parole, un gran numero di cromosomi non indica un alto livello di organizzazione. Quindi il granchio eremita ne ha 254 e la Drosophila ne ha solo 8 (entrambe le specie appartengono agli artropodi); un cane ne ha 78 e un essere umano 46.
I cariotipi delle cellule diploidi (somatiche) sono costituiti da coppie cromosomi omologhi. I cromosomi omologhi sono identici per forma e composizione genica (ma non negli alleli). In ogni coppia, un cromosoma va al corpo dalla madre, l'altro è paterno.
I cariotipi cellulari vengono esaminati nella fase metafase della mitosi. Durante questo periodo di divisione cellulare, i cromosomi sono massimamente spiralizzati e sono chiaramente visibili al microscopio. Inoltre, i cromosomi in metafase sono costituiti da due cromatidi (sorelle) collegati al centromero.
La sezione del cromatide tra il centromero e il telomero (situata all'estremità su ciascun lato) è chiamata spalla. Ogni cromatide ha due braccia. La spalla corta è indicata con p, quella lunga con q. Ci sono cromosomi metacentrici (le braccia sono approssimativamente uguali), submetacentrici (un braccio è chiaramente più lungo dell'altro), acrocentrici (infatti si osserva solo il braccio q).
Quando si analizza il cariotipo, i cromosomi sono identificati non solo dalle loro dimensioni, ma anche dal rapporto tra le braccia. In tutti gli organismi della stessa specie, i cariotipi normali per questi tratti (dimensione del cromosoma, rapporto della spalla) sono gli stessi.
L'analisi citogenetica prevede l'identificazione di tutti i cromosomi del cariotipo. In questo caso, la preparazione citologica viene sottoposta a colorazione differenziale utilizzando coloranti speciali che si legano in modo specifico a diverse regioni del DNA. Di conseguenza, i cromosomi acquisiscono uno specifico pattern di striatura, che ne consente l'identificazione.
Metodo di colorazione differenzialeè stato scoperto negli anni '60 del XX secolo e ha permesso di analizzare completamente i cariotipi degli organismi.
Il cariotipo è solitamente rappresentato come un idiogramma.(una specie di schema), dove ogni coppia di cromosomi ha il proprio numero, e cromosomi dello stesso tipo morfologico sono combinati in gruppi. In un gruppo, i cromosomi sono disposti in dimensioni dal più grande al più piccolo. Pertanto, ogni coppia di cromosomi omologhi del cariotipo sull'idiogramma ha il proprio numero. Spesso è raffigurato solo un cromosoma di una coppia di omologhi.
Per gli esseri umani, molti animali da laboratorio e da fattoria, sono stati sviluppati schemi di striatura cromosomica per ciascun metodo di colorazione.
I marcatori cromosomici sono bande che appaiono quando colorate. Le bande sono raggruppate in regioni. Sia le bande che le regioni sono numerate dal centromero al telomero. Alcune bande possono mostrare geni localizzati.
Un record di cariotipo ne porta una certa caratteristica. Innanzitutto, viene indicato il numero totale di cromosomi, quindi l'insieme dei cromosomi sessuali. In presenza di mutazioni vengono indicate prima le mutazioni genomiche, poi quelle cromosomiche. I più comuni sono: + (cromosoma in più), del (cancellazione), dup (duplicazione), inv (inversione), t (traslocazione), rob (traslocazione Robertsoniana).
Esempi di registrazione dei cariotipi:
48, XY - cariotipo di scimpanzé maschio normale;
44, XX, del (5)(p2) - cariotipo di una femmina di coniglio, in cui si è verificata la divisione del secondo segmento del braccio corto (p) del quinto cromosoma.
Il cariotipo umano è costituito da 46 cromosomi, che è stato accuratamente determinato nel 1956.
Prima della scoperta della colorazione differenziale, i cromosomi erano classificati in base alla loro lunghezza totale e al loro indice centromerico, che è il rapporto tra la lunghezza del braccio corto del cromosoma e la sua lunghezza totale. Nel cariotipo umano sono stati trovati cromosomi metacentrici, submetacentrici e acrocentrici. Sono stati anche identificati i cromosomi sessuali.
Successivamente, l'uso di metodi di colorazione differenziale ha permesso di identificare tutti i cromosomi del cariotipo umano. Negli anni '70 furono sviluppate regole (standard) per la loro descrizione e designazione. Quindi gli autosomi erano divisi in gruppi indicati da lettere, ognuno dei quali includeva cromosomi con un certo numero: A (1-3), B (4, 5), C (6-12), D (13-15), E ( 16- 18), FA (19, 20), Sol (21, 22). I cromosomi sessuali sono la 23a coppia.
Un normale cariotipo umano è scritto in questo modo:
46, XX - per una donna,
46, XY - per un uomo.
Esempi di cariotipi umani con anomalie:
47, XX, 21+ - una donna con un 21° cromosoma in più;
45, XY, rob (13, 21) - un uomo che ha avuto una traslocazione Robertsoniana del 13° e 21° cromosoma.
Introduzione ................................................. ................................................ .. uno
Capitolo 1. Cromosomi mitotici .................................................. .. .............. 2
Capitolo 2. I cromosomi meiotici ............................................. ................... 5
Capitolo 3. Metodo citogenetico ................................................. .. ............... 13
Capitolo 4. La cromatina sessuale ................................................ ................................. venti
Capitolo 5. Mosaicismo ................................................ ................................................... 23
Una delle questioni chiave della genetica umana è la questione della struttura e del funzionamento delle basi materiali dell'eredità. Le informazioni su ciascuno dei tre livelli di organizzazione delle strutture ereditarie (genetica, cromosomica, genomica) sono raccolte in l'anno scorso con sorprendente rapidità, e si può sperare che non sia lontano il tempo in cui si tratterà un quadro abbastanza completo dell'eredità umana. Anche ora, su questo tema, una persona può essere attribuita al numero degli oggetti meglio studiati insieme a Drosophila, topi e mais.
Per una corretta comprensione del significato dell'ereditarietà nella patologia umana, è necessario disporre di informazioni dettagliate su tre sezioni parzialmente interconnesse:
1) in base alla struttura morfologica e chimica dei cromosomi e del cariotipo nel suo insieme; 2) secondo tratti discreti di una persona controllata da singoli geni (“inventario” di unità di variabilità ereditaria); 3) secondo l'"architettura" dei geni nei cromosomi (legame dei geni e mappe dei cromosomi). Per ciascuna di queste sezioni sono stati accumulati molti dati e il loro intenso sviluppo continua sia negli aspetti teorici che applicativi (clinici).
I principi e le sezioni principali della citogenetica generale si sono formati durante gli anni '20 e '30 principalmente grazie agli studi effettuati sulla Drosophila e alcune piante. La citogepetica dell'uomo e dei mammiferi, che occupa un posto di primo piano nella moderna citogenetica, si è sviluppata in seguito, principalmente a causa di difficoltà metodologiche.
La storia dello sviluppo della citogenetica umana può essere suddivisa in tre periodi. Il primo copre il periodo che va dal secolo scorso alla metà degli anni '50 ed è oggi di interesse prettamente storico. Questi erano la ricerca di approcci metodologici per ottenere preparazioni di cromosomi umani da parte dei citologi dell'epoca, notevoli per la loro perseveranza e diligenza (AG Andres, 1934). Sebbene i nostri citogenetici A. G. Andres e M. S. Navashin abbiano descritto correttamente le prime 10 paia di grandi cromosomi, anche il numero totale di cromosomi nelle cellule umane non è stato stabilito in modo affidabile. Anche la loro morfologia è rimasta sconosciuta.
Il secondo periodo, iniziato dal lavoro di Tjio e Levan nel 1956, è stato caratterizzato dall'emergere e dal rapido sviluppo della moderna citogenetica umana. Abbastanza rapidamente sono stati sviluppati tutti i principali metodi metodologici di analisi cromosomica, sono state ottenute informazioni fondamentali sul cariotipo umano, sulle caratteristiche principali della struttura e del funzionamento dei suoi cromosomi normali. Fu durante questo periodo che nacque la citogenetica medica, che aprì una nuova area della patologia umana, a causa di un cambiamento nel numero o nella struttura dei cromosomi.
Il terzo periodo nello sviluppo della citogenetica umana iniziò negli anni '70. Può essere giustamente considerato l'inizio della fase moderna nello sviluppo della scienza dei fondamenti citologici dell'eredità umana. Numerose innovazioni metodologiche hanno assicurato il passaggio della citogenetica a un livello qualitativamente nuovo. È stata realizzata la possibilità di studiare l'individualità dei cromosomi umani e persino dei loro segmenti. Ciò ha immediatamente innalzato la citogenetica medica a un nuovo livello. È diventato possibile studiare in modo completo la morfologia, la funzione, le caratteristiche chimiche della struttura e l'organizzazione supramolecolare dei cromosomi umani. Lo sviluppo negli stessi anni di metodi per la mappatura genetica dei cromosomi umani ha assicurato la soluzione del problema più difficile: la creazione di mappe genetiche dei cromosomi.
Pertanto, la moderna citogenetica umana è ricca di materiale fattuale, un'area ramificata e indipendente della genetica umana. Allo stato attuale, il problema di identificare tutti gli elementi del cariotipo umano nell'analisi allo stadio della mitosi è stato risolto sulla base dell'uso di colorazioni cromosomiche differenziali.
I cromosomi come singole strutture diventano disponibili per la ricerca dopo un significativo accorciamento e ispessimento, che sperimentano durante la preparazione della cellula per la divisione. Per le cellule somatiche, questa divisione è la mitosi, per le cellule generative prima la mitosi e poi la meiosi.
Le informazioni di base sul set cromosomico umano nel suo insieme e sui singoli cromosomi sono state ottenute come risultato dello studio dei cromosomi nella metafase della mitosi. In questa fase della mitosi, si vede chiaramente che l'insieme diploide dei cromosomi umani è costituito da 46 elementi: 22 coppie di autosomi e una coppia di cromosomi sessuali (XX nelle donne e XY negli uomini). Sulle preparazioni colorate standard, la forma dei cromosomi in metafase è determinata dalla posizione della costrizione primaria, che si forma a causa della decondensazione della regione centromerica funzionante in metafase. Ulteriori costrizioni, chiamate costrizioni secondarie, possono esistere sui singoli cromosomi. Nel caso di localizzazione di tale costrizione all'estremità del cromosoma, il segmento distale del cromosoma separato da esso è chiamato satellite.
In termini di forma e dimensioni complessive, tutti gli autosomi umani sono facilmente divisi in 7 gruppi, indicati con lettere latine dalla A alla G (Fig. 8). Inoltre, tutti gli autosomi sono numerati in ordine decrescente di lunghezza totale (da 1 a 22).
La lunghezza dello stesso cromosoma in mitosi varia considerevolmente, poiché il processo di condensazione naturale del cromosoma continua allo stadio metafase, che è notevolmente potenziato dalla colchicina. Pertanto, un indicatore della lunghezza relativa piuttosto che assoluta del cromosoma serve per l'identificazione. Tuttavia, la sua affidabilità è limitata dal fatto che i cromosomi hanno lunghezze diverse e, in un dato cromosoma, bracci di dimensioni diverse si contraggono in modo diverso: quelli più corti sono più veloci di quelli più corti. Ciò non influisce sulle caratteristiche del gruppo di cui sopra, ma impedisce l'identificazione di cromosomi vicini per dimensioni e forma all'interno dei gruppi. Le difficoltà nell'identificazione individuale dei cromosomi sono anche aggravate dal fatto che la condensazione differenziale può avvenire anche tra cromosomi omologhi, causando eteromorfismo omologo. Allo stato attuale, la necessità di utilizzare il metodo della morfometria e dei parametri lineari del cromosoma determinati con il suo aiuto è di fatto scomparsa a causa dell'introduzione nella pratica dell'analisi cromosomica della colorazione differenziale dei cromosomi.
L'analisi delle costrizioni secondarie spontanee, comprese quelle satelliti, non facilita in modo significativo il riconoscimento dei singoli cromosomi. Con il loro aiuto, l'autosoma 9 può essere identificato più regolarmente, che spesso presenta una costrizione significativa nella regione pericentromerica del braccio lungo. Tutti e dieci i cromosomi acrocentrici umani hanno una costrizione satellitare; i cromosomi aD o G non differiscono in questo tratto all'interno dei gruppi.
L'omogeneità morfologica della lunghezza del cromosoma, come emerge dallo studio microscopico dei cromosomi in metafase su preparati preparati e colorati di routine, risulta infatti fuorviante. Il progresso metodologico nella citogenetica dell'uomo e degli eucarioti superiori in generale, avvenuto negli ultimi 15-20 anni, ha portato alla scoperta di una profonda differenziazione lineare del cromosoma in relazione sia alla struttura che alla funzione. Questa differenziazione, che è individuale per ciascun cromosoma, è relativamente facile da rilevare nella metafase della mitosi. Per questo motivo, nella moderna citogenetica umana è possibile identificare tutti i cromosomi non per caratteristiche separate e casuali, ma per gli aspetti essenziali della loro organizzazione strutturale e funzionale. Nella pratica dell'analisi citogenetica, a questo scopo, vengono studiate la condensazione differenziale dei cromosomi, la cronologia della replicazione del DNA nei cromosomi o la colorazione differenziale dei cromosomi (AF Zakharov, 1977).
La condensazione differenziale dei segmenti cromosomici è una delle sue caratteristiche essenziali, più pienamente espressa nel nucleo interfase. In condizioni naturali del decorso della mitosi, le regioni cromosomiche che differiscono nettamente nel grado di condensazione durante il periodo di interfase sembrano quasi le stesse nella metafase. Solo con metodi speciali di microscopia ottica o elettronica è possibile rilevare una struttura lineare disomogenea di una metafase apparentemente omogenea
cromosomi (Bahr e Larsen, 1974). L'allineamento dei cicli di condensazione in diverse parti dei cromosomi può essere inibito artificialmente. A tale scopo, viene utilizzata con successo in particolare la 5-bromodeossiuridina (A. F. Zakharov, 1973, 1977;
Dutrillaux e Lejeune 1975). In presenza di questa sostanza, i cromosomi entrano in metafase compattati in modo non uniforme lungo la loro lunghezza. Come risultato di uno studio approfondito della loro morfologia, è stato dimostrato che ogni cromosoma umano ha un'alternanza strettamente costante e specifica di regioni normalmente e debolmente condensate e può essere identificato da questa caratteristica.
L'asincronia intracromosomica della replicazione del DNA è la seconda caratteristica più importante dell'eterogeneità lineare del cromosoma, che può essere rilevata nella metafase della mitosi. Per un decennio e mezzo, questa caratteristica dell'organizzazione cromosomica è stata disponibile per lo studio con il metodo dell'autografia cromosomica (sotto la direzione di A. A. Prokofieva-Belgovskaya, 1969; A. F. Zakharov, 1977; Giannelli, 1970, 1974). Sulla base di questo metodo, sono stati rivelati i modelli fondamentali di riproduzione dei cromosomi umani, tra i quali l'asincronia della riproduzione di diverse parti del cromosoma, la costanza e la specificità dell'ordine di riproduzione per un dato cromosoma sono le più importanti. Tuttavia, l'identificazione dei singoli cromosomi è stata meno avanzata dell'autoradiografia del previsto. Sugli autografi, è inoltre possibile distinguere gli autosomi 4 e 5, 13, 14 e 15, 17 e 18. Nelle cellule femminili, uno dei due cromosomi X differisce all'inizio e alla fine tardiva della sintesi del DNA. Nonostante i dati limitati ottenuti dall'autoradiografia, questa tecnica si è rivelata estremamente utile per migliorare l'identificazione di anomalie di questi cromosomi e ha aiutato nell'identificazione di diverse nuove sindromi indipendenti nella patologia cromosomica.
Sono normali progressi significativi nello studio della sequenza di sintesi del DNA lungo la lunghezza di ciascun cromosoma umano, la sua relazione con altre caratteristiche dell'organizzazione cromosomica, il suo stato in caso di cambiamenti numerici o strutturali nell'insieme cromosomico è attualmente in corso a causa di l'uso dell'analogo della timidina come precursore della sintesi del DNA - 5-bromodeossiuridina. La capacità indebolita di colorare le regioni cromosomiche che includevano questo precursore ha fornito ai citogenetisti un metodo accurato per studiare la cronologia della riproduzione cromosomica, le cui possibilità sono limitate solo dalla risoluzione della microscopia ottica. La struttura di replicazione di tutti i cromosomi umani è rivelata con la massima chiarezza e può essere descritta in termini morfologici chiari.
Ogni cromosoma è costituito da regioni che si replicano in momenti diversi. Vi è una chiara alternanza di aree con replicazione precoce e tardiva. Sul cromosoma metafase
tali aree sono chiaramente visibili al microscopio ottico. La specificità della struttura di replicazione di ciascun cromosoma consiste nella dimensione, numero e posizione relativa diverse regioni cromosomiche (Fig. 9).
In contrasto con i due fenomeni di cui sopra di colorazione irregolare dei cromosomi lungo la lunghezza causata dall'inclusione della 5-bromodeossiuridina nel DNA, la colorazione differenziale dei cromosomi significa la capacità di colorare selettivamente lungo la lunghezza di un cromosoma che non è stato modificato in vivo da eventuali influenze. La colorazione differenziale dei cromosomi in questo caso è fornita da effetti di sale temperatura relativamente semplici su un cromosoma fisso.
È importante notare che con tutta la varietà di tali trattamenti di preparazioni cromosomiche dopo la fissazione e con i coloranti fluorocromici o non fluorescenti applicati, l'eterogeneità lineare rilevata del cromosoma è sempre la stessa. Il suo schema cambia solo a seconda del grado di compattazione del cromosoma: nei cromosomi più lunghi e più deboli, diventa evidente un'ulteriore eterogeneità di quei segmenti, che sembravano macchiati in modo omogeneo nei cromosomi altamente condensati. La colorazione differenziale può essere osservata lungo l'intera lunghezza del cromosoma (segmenti Q, G e R) o nella sua regione centromerica (segmenti C).
L'idea più chiara del modello di colorazione differenziale dei cromosomi lungo l'intera lunghezza può essere ottenuta colorando i preparati secondo il metodo G usando la colorazione di Giemsa (Fig. 10). Su tali preparazioni, i cromosomi sembrano segmenti striati incrociati e di colore diverso ("banding"). Il modello di ogni coppia di cromosomi è specifico per esso. I segmenti non hanno le stesse dimensioni. Nei piccoli cromosomi dei gruppi F e G, il modello è formato da singoli segmenti, nei grandi cromosomi ce ne sono molti. Il numero totale di segmenti colorati e non colorati in un normale set cromosomico di grado medio di condensazione, secondo la nomenclatura parigina, è 322. Nei cromosomi prometafase, il loro numero aumenta a 1000 o più.
Sul Conferenza di Parigi Secondo la nomenclatura nella citogenetica umana, è stato sviluppato un sistema per designare segmenti di cromosomi normali e cromosomi che hanno subito uno o l'altro riarrangiamento strutturale ed è ora entrato nella pratica dell'analisi citogenetica (Conferenza di Parigi, 1971). Sulla fig. 11 mostra un esempio di questo sistema per l'autosoma 1.
Indipendentemente da come viene risolta la questione della natura della colorazione differenziale dei cromosomi, le mappe citologiche basate su questo fenomeno sono di eccezionale importanza per lo sviluppo della citogenetica umana. Con il loro aiuto, è possibile attribuire marcatori genetici non solo all'uno o all'altro braccio cromosomico, ma a una determinata regione del cromosoma. Nella citogenetica medica, è diventato possibile identificare l'origine dei cromosomi anormali fino alla descrizione esatta delle regioni.
Il secondo tipo di colorazione differenziale dei cromosomi rivela la specificità delle regioni pericentromeriche nei cromosomi umani. In diversi cromosomi, le dimensioni dei segmenti C sono diverse, sono particolarmente grandi negli autosomi 1, 9 e 16. Tuttavia, non è possibile identificare cromosomi simili per dimensioni e forma con questo colore. Nel cromosoma Y, la cromatina C è localizzata nella parte distale del braccio lungo. Nello stesso cromosoma in individui diversi, il suo contenuto può variare.
La meiosi combina una serie di diversi processi mediante i quali le cellule germinali primarie si differenziano in cellule germinali mature. All'inizio di questa serie, gli spermatogoni (oogonia) si trasformano in spermatociti primari (ovociti). L'evento centrale è la prima divisione meiotica dello spermatocita (ovocita), durante la quale i cromosomi subiscono trasformazioni specifiche particolarmente complesse durante il periodo della profase. La prima profase meiotica si divide, come è noto, in cinque stadi: leptotene, zigotene, pachitene, diploten e diacinesi. A differenza della mitosi, la cui profase non è praticamente utilizzata nell'analisi citogenetica, i cromosomi profase della prima divisione meiotica sono di grande interesse per la citogenetica umana. I cromosomi in metafase della prima divisione meiotica, che sono bivalenti dei cromosomi omologhi, sono strutture meno differenziate rispetto ai cromosomi mitotici in metafase. I cromosomi della seconda divisione meiotica non sono quasi mai usati nella citogenetica umana.
Il decorso della meiosi negli organismi maschili e femminili differisce significativamente sotto diversi aspetti: il periodo dell'ontogenesi, la durata delle singole fasi e la morfologia delle trasformazioni mitotiche.
Negli uomini, le divisioni meiotiche iniziano alla pubertà e procedono continuamente durante l'intero successivo stato sessualmente maturo. Questo processo, a differenza della meiosi femminile, non è ciclico. Un gran numero di gameti matura contemporaneamente nei testicoli, quindi le gonadi di un maschio sessualmente maturo possono fungere da fonte di cellule che si dividono meioticamente in qualsiasi momento. Sulle preparazioni cromosomiche è possibile vedere contemporaneamente varie figure meiotiche, dalle metafasi spermatogoniali alle metafasi della seconda divisione meiotica. La durata della trasformazione da spermatogoni a spermatozoi dura circa 8-9 settimane. La durata delle singole fasi è molto diversa, quindi cellule di fasi diverse si verificano con frequenza disuguale. Gli stadi del pachitene e della diacinesia, che sono più importanti per l'analisi citogenetica, sono solitamente rappresentati da un numero sufficiente di cellule.
Nel corpo femminile, la meiosi si verifica in due fasi, separate da un ampio periodo di tempo. Il primo stadio, che comprende la formazione dell'oogonia e il passaggio della prima divisione meiotica, avviene nelle ovaie embrionali. Al momento della nascita della ragazza nelle ovaie, tutti gli oogonia sono differenziati in ovociti e questi ultimi hanno superato gli stadi di leptotene - pachitene e si sono fermati allo stadio di diplotene. Rimanere in questa fase, chiamata dictyoten, continua per tutto il periodo postnatale della vita di una donna. Il successivo sviluppo della cellula dallo stadio di dictyoten in un uovo maturo avviene ciclicamente, una cellula al mese, e termina con l'ovulazione. Quanto sopra spiega perché le prime fasi della prima divisione meiotica in una donna possono essere analizzate solo nel primo periodo embrionale e le fasi successive in condizioni normali non disponibile per lo studio.
Le informazioni di base sull'organizzazione dei cromosomi meiotici umani sono state ottenute dallo studio delle cellule del testicolo. Si possono distinguere i seguenti aspetti di questi studi.
Analisi della struttura lineare dei singoli cromosomi. Una caratteristica della struttura dei cromosomi meiotici, espressa principalmente nelle prime fasi della profase della meiosi, è la loro struttura cromomerica (Fig. 12). Dai dati sulla citologia dei cromosomi meiotici di alcune specie vegetali, l'individualità della struttura cromomerica di ciascun cromosoma è ben nota (Cytology and Genetics of Meiosis di V. V. Khvostova e Yu. V. Bogdanov, 1975). Sfortunatamente, i singoli bivalenti nel set cromosomico umano, sia maschili che femminili, possono essere distinti solo nel pachitene tardivo, quando sono significativamente ridotti e la cromomericità della loro struttura è significativamente persa. Tuttavia, a seguito di numerosi tentativi di analisi pachitica dei cromosomi, sono stati ottenuti i primi dati sulla morfologia dei bivalenti di acrocentrici e alcuni altri cromosomi (sotto la direzione di A. A. Prokofieva-Belgovskaya, 1969; Hungeriord, 1973).
Nell'identificazione dei pachitene bivalenti, i metodi C e Q di colorazione differenziale sono stati applicati con un certo successo (Goetz, 1975). È stato trovato un pieno accordo tra i modelli di colorazione G e la struttura cromomerica dei cromosomi pachitenici, nonché tra i modelli di cromosomi meiotici e mitotici colorati con il metodo G (Lucianie. a., 1975).
Coniugazione cromosomica e formazione di chiasmi. Lo studio della diacinesia - metafase I della meiosi nelle cellule maschili ha mostrato che la coniugazione omologa è obbligatoria per tutti i cromosomi umani, compresi quelli corti. Nell'uno o nell'altro bivalente ci sono da 1 a 6 chiasmi; secondo diversi autori, il loro numero totale per set di cromosomi varia da 35 a 66 (Ford, 1973). È stato possibile analizzare la distribuzione dei chiasmi nei singoli bivalenti dopo che ciascun bivalente poteva essere identificato sulla base della colorazione sequenziale utilizzando le tecniche Q e C (Hulten, 1974). Secondo Hulten (1974), la frequenza media dei chiasmi nei singoli autosomi è proporzionale alla lunghezza del cromosoma. Non è influenzato da anomalie numeriche o strutturali in altri cromosomi. Apparentemente, i chiasmi si formano in alcune regioni di ciascun cromosoma. Il chiarimento del numero e della localizzazione dei chiasmi in ciascun cromosoma è importante nella loro mappatura genetica.
Identificazione di anomalie cromosomiche. Il fenomeno della coniugazione dei cromosomi omologhi nella meiosi viene utilizzato per identificare molti riarrangiamenti cromosomici che interessano la struttura lineare del cromosoma. Delezioni, inserimenti, inversioni, traslocazioni reciproche, duplicazioni portano ad un cambiamento nella configurazione del bivalente. Sorgono univalenti, trivalenti, ecc.. In combinazione con l'analisi dei cromosomi mitotici, lo studio della morfologia dei cromosomi meiotici nel pachitene, nella diacinesia e nella metafase I è stato ripetutamente condotto in caso di cambiamenti numerici o strutturali negli autosomi, nei cromosomi sessuali negli uomini con infertilità (A. A. Prokofieva -Belgovskaya e V.K. Bordzhadze, 1971; Kjessler, 1966; Hulten, 1974, ecc.). L'organizzazione submicroscopica o supramolecolare dell'apparato cromosomico è stata studiata in modo abbastanza insufficiente. Mentre sono state ora accumulate ampie informazioni sulla struttura del cromosoma a livello di microscopia ottica e sulla struttura molecolare del materiale ereditario, i passaggi intermedi nell'organizzazione ultrastrutturale del cromosoma rimangono in gran parte sconosciuti. Finora non ci sono prerequisiti effettivi per sollevare la questione delle possibili specificità dell'organizzazione ultrastrutturale dell'apparato genetico umano.
Le informazioni più preziose sulla struttura fine dei cromosomi funzionanti provengono dallo studio dei cromosomi politenici, che sono un modello specifico ma naturale dei cromosomi del nucleo interfase nelle cellule ditteri, e dei cromosomi a spazzola che si trovano negli ovociti anfibi nella profase meiotica I. Grandi taglie di questi cromosomi ha permesso di studiarli attentamente al microscopio ottico. Come risultato di questi studi, sono state formulate disposizioni ritenute fondamentali per l'organizzazione dei cromosomi eucariotici nel loro insieme (I. I. Kiknadze, 1972).
Nel nucleo interfase, le regioni cromosomiche corrispondenti all'eucromatina hanno una struttura cromomerica. Ogni cromomero è un'unità strutturale e funzionale del cromosoma come organello differenziato longitudinalmente. La trascrizione differenziale di queste unità è strutturalmente fornita dalla decondensazione della deossiribonucleoproteina in essa contenuta, che è espressa sotto forma di soffi nei cromosomi di politene o di anse nei cromosomi a spazzola.
Il metodo per studiare la struttura fine dei nuclei interfase che non hanno cromosomi politenici, così come i cromosomi metafase, è la microscopia elettronica (Yu. S. Chentsov, V. Yu. Polyakov, 1974). Sfortunatamente, sulla base dei risultati ottenuti con questo metodo, non è stato ancora possibile formare un quadro completo dell'ultrastruttura del nucleo interfase. Su modelli di diffrazione elettronica di sezioni ultrasottili, la principale unità morfologica rilevabile è un filo in diverse sezioni con un diametro di 10 nm o meno. Sulle preparazioni di cromatina sparse sulla superficie del menisco dell'acqua, si trovano filamenti estesi di circa 23-25 nm di diametro.
Nonostante i numerosi studi sui cromosomi mitotici o meiotici, i dati sulla loro ultrastruttura, che permetterebbero di creare un modello coerente per il confezionamento di un filamento cromosomico elementare durante la divisione cellulare, rimangono scarsi. Le maggiori informazioni sono state ottenute sull'ultrastruttura delle regioni specializzate dei cromosomi: la regione centromerica, il nucleolo, il complesso sinaptonemico nei cromosomi meiotici. Per la loro identificazione sono stati utilizzati dati di microscopia elettronica di interi cromosomi isolati, con particolare attenzione ai cromosomi metafase umani (Bahr e Larsen, 1974). Questo metodo ha permesso di rilevare una densità di impaccamento irregolare dei filamenti cromosomici elementari lungo la lunghezza dei cromosomi e il modello di questa irregolarità si è rivelato coincidere con la differenziazione lineare della struttura cromosomica, rilevata al microscopio ottico. Le fibrille elementari sui modelli di diffrazione elettronica di cromosomi interi diffusi hanno una dimensione di circa 25-30 nm. Uno studio biochimico di tali fibrille e calcoli corrispondenti danno motivo di concludere che le molecole nucleoproteiche in esse contenute sono in uno stato supertwisted e che, oltre agli istoni, le fibrille contengono altre proteine.
Una copertura sufficientemente completa dei problemi della genetica molecolare e dell'organizzazione cromosomica in numerose monografie e manuali speciali (S. E. Bresler, 1973; I. P. Ashmarin, 1974; G. Stent, 1974, ecc.) elimina la necessità di una considerazione dettagliata di questi problemi in questo prenotare. Un aspetto molecolare relativamente nuovo dell'organizzazione cromosomica è emerso in connessione con lo sviluppo di metodi per frazionare il DNA totale del genoma mediante la frequenza di sequenze nucleotidiche simili e metodi per ibridare acidi nucleici su preparazioni cromosomiche. Questi metodi hanno aperto la possibilità di chiarire la localizzazione di diverse frazioni di DNA nel set cromosomico. Importanti scoperte fatte in questo nuovo campo, confine tra genetica molecolare e citologica, sono state: a) la scoperta nel genoma eucariotico, oltre al DNA con sequenze uniche, di una grande proporzione di DNA con sequenze nucleotidiche uguali o simili, ripetute molte centinaia e migliaia di volte (G. P. Georgiev, 1973; S. A. Limborskaya, 1975); b) rilevamento della localizzazione diseguale del DNA con caratteristiche diverse nell'insieme cromosomico: il DNA con il maggior numero di sequenze ripetitive è localizzato nelle regioni eterocromatiche dei cromosomi.
Ad oggi, il frazionamento del DNA e la determinazione della localizzazione cromosomica delle frazioni sono stati effettuati su molti tipi di organismi. Ogni specie è caratterizzata dalla sua specifica struttura del genoma in relazione alla composizione del DNA e dalle specificità della loro distribuzione sui cromosomi dell'insieme. Molti lavori in questa direzione sono stati eseguiti su cellule umane. I risultati ottenuti in essi sono riassunti da AF Zakharov (1977) e Jones (1973).
Il DNA del genoma umano può essere frazionato in DNA con copie uniche (circa il 64%) e DNA con sequenze ripetitive. Secondo il tasso di rinaturazione, che riflette la ripetibilità delle sequenze nucleotidiche, l'ultima frazione può essere suddivisa in DNA con un basso (13,4%), intermedio (12,3%) e alto (10,3%) tasso di rinaturazione delle molecole di DNA. Pertanto, circa il 10% di tutto il DNA nel genoma umano ha un alto tasso di ripetizione di sequenze identiche.
Utilizzando l'ultracentrifugazione a gradiente, almeno quattro tipi di cosiddetti DNA satellite sono stati isolati da un gruppo di DNA altamente ripetitivi. Oltre a questi tipi di DNA, in esperimenti di ibridazione DNA-RNA, è stata studiata la localizzazione cromosomica del DNA che codifica per la sintesi degli RNA ribosomiali 5S, 18S e 28S. Attualmente, la distribuzione dei diversi tipi di DNA nei cromosomi umani è la seguente.
Il DNA con ripetibilità bassa e intermedia delle copie nucleotidiche si trova in tutti i cromosomi ed è localizzato lungo l'intera lunghezza delle loro braccia.
Il DNA con un'alta frequenza di copie nucleotidiche si trova principalmente nelle regioni pericentromeriche e parzialmente telomeriche. I singoli DNA satellite sono distribuiti in modo non uniforme in diversi cromosomi. Pertanto, il cromosoma Y è particolarmente ricco di DNA satellite I e IV, i cromosomi 1 e 16 contengono il DNA più satellite II e il cromosoma 9 - III. Il DNA ribosomiale 18S e 28S è contenuto quasi esclusivamente nelle braccia corte di tutti i 10 cromosomi acrocentrici. La parte distale del braccio lungo dell'autosoma 1 è un sito preferito per i pistroni che codificano per l'RNA 5S. È possibile che il metodo di ibridazione in situ DNA-RNA sia in grado di mappare non solo loci poligenici, ma anche geni strutturali che vengono ripetuti un piccolo numero di volte (Rotterdam. Conference, 1974).
Le due caratteristiche più importanti dell'organizzazione genetica degli eucarioti - l'attività differenziale dei geni strutturali e gran parte dei geni che regolano questo processo - devono basarsi sulla corrispondente organizzazione strutturale del cromosoma. Decenni di duro lavoro da parte dei citogenetisti ci hanno portato oggi molto più vicini alla comprensione di come la struttura e la funzione interagiscono nel cromosoma, come il cromosoma svolga il suo complesso ruolo di integrazione del sistema genico.
La prima caratteristica fondamentale dell'organizzazione strutturale e funzionale del cromosoma è l'esistenza di due diversi tipi funzionali di materiale cromosomico: l'eucromatina e l'eterocromatina, la cui principale differenza risiede nell'attività trascrizionale.
La mancanza di attività genetica nell'eterocromatina è dovuta o alla sua mancanza di geni strutturali (eterocromatina strutturale) o all'esclusione temporanea della regione cromosomica che porta tali geni dalla trascrizione genetica (eterocromatina facoltativa, eterocromatinizzazione).
La seconda caratteristica più importante dell'organizzazione cromosomica è la dissezione lineare del cromosoma in sezioni costituite da cromatina. tipo diverso. Ogni cromosoma si distingue per la sua disposizione unica di regioni etero ed eucromatiche.
La suddivisione della cromatina secondo il significato genetico ben correla con la differenza nei tipi di cromatina e secondo una serie di altre caratteristiche: lo stato di condensazione nel nucleo interfase e la cronologia di condensazione nel ciclo mitotico e meiotico; tempo di replicazione del DNA;
in relazione alla colorazione con fluorocromi o coloranti non fluorescenti; sensibilità all'effetto dannoso di mutageni chimici; caratteristiche chimiche del DNA e, a quanto pare, delle proteine che compongono la cromatina; manifestazioni fenotipiche dei riarrangiamenti cromosomici. L'eterocromatina è caratterizzata da uno stato condensato nel nucleo interfase, una condensazione avanzata nella profase della mitosi e della meiosi e la capacità di rimanere indietro nella condensazione spontaneamente o sotto l'influenza di determinate influenze nella metafase della mitosi. Rispetto all'eucromatina, le regioni eterocromatiche dei cromosomi vengono riprodotte nei segmenti successivi del periodo S. Con la colorazione differenziale secondo il metodo G e C, i segmenti eterocromatici mantengono la capacità di macchiare (segmenti G) e persino colorare intensamente (segmenti C). In citogenetica è ben nota la distribuzione irregolare lungo la lunghezza del cromosoma del suo danno strutturale indotto da sostanze mutagene: sono le regioni dell'eterocromatina che sono caratterizzate da un aumento del danno. Il DNA con sequenze nucleotidiche ripetute ripetutamente è caratteristico dell'eterocromatina. A differenza dell'eucromatina, che contiene geni unici, uno squilibrio in cui influisce negativamente sul fenotipo di un organismo, i cambiamenti nella quantità di eterocromatina non influenzano o influiscono significativamente meno sullo sviluppo dei tratti dell'organismo.
L'interconnessione di varie caratteristiche strutturali e funzionali del cromosoma è la terza caratteristica fondamentale dell'organizzazione cromosomica. La questione delle relazioni di causa ed effetto nel noto complesso di correlazione è attivamente studiata. Una risposta deve essere ottenuta, in particolare, alla domanda se l'intera diversità delle proprietà dei diversi tipi di cromatina possa essere ridotta a differenze nelle caratteristiche chimiche del DNA cromosomico. Tuttavia, indipendentemente dai progressi nella comprensione di queste correlazioni, la loro fenomenologia funge da strumento principale per comprendere la dissezione strutturale e funzionale di ogni specifico cromosoma umano. Nella differenziazione longitudinale dei singoli cromosomi in termini di densità di condensazione, colorazione con determinati coloranti, caratteristiche del loro DNA e altre caratteristiche, non ci sono segni formali di identificazione dei cromosomi o delle loro regioni, ma segni che hanno un significato genetico. Questo nuovo campo della citogenetica umana è in fase di sviluppo attivo e, combinato con i progressi nella mappatura cromosomica, porterà ulteriormente la citogenetica umana. alto livello. Delle informazioni già disponibili su questo problema, le seguenti sono di interesse per la genetica.
L'eterocromatina colorata con il metodo della colorazione C si trova in tutti i cromosomi umani ed è chiamata eterocromatina strutturale. In tutti gli autosomi e nel cromosoma X, occupa, come nella maggior parte dei cromosomi di altre specie biologiche, una regione pericentromerica. Nel cromosoma Y è localizzato nella parte distale del braccio lungo. In diversi cromosomi, la quantità di C-eterocromatina è diversa. I suoi blocchi particolarmente grandi, che si estendono principalmente a braccia lunghe, sono contenuti negli autosomi 1, 9 e 16; sono queste regioni che sono conosciute come le costrizioni secondarie più regolari. Blocchi particolarmente piccoli di questa cromatina si osservano nell'autosoma 2 e nel cromosoma X. Nei cromosomi acrocentrici, l'eterocromatina si estende alle braccia corte.
Apparentemente, l'eterocromatina circumcentromerica non è la stessa in diversi cromosomi, il che deriva da una serie di fatti. Questa eterogeneità è già rivelata dal diverso tempo ottimale e pH dell'intervallo alcalino utilizzato nella tecnica di colorazione C, in cui la cromatina C appare in diversi cromosomi. L'eterogeneità è particolarmente dimostrativa quando si colorano i cromosomi con acrichina o senape di acrichina: l'eterocromatina C degli autosomi 1, 9 e 16 non è affatto fluorescente, mentre l'eterocromatina degli autosomi 3, 4, i cromosomi acrocentrici e il cromosoma Y si illumina in modo estremamente luminoso . Il significato genetico dell'eterogeneità della C-eterocromatina umana non è ancora chiaro. Le basi chimiche di questa eterogeneità cominciano a diventare chiare. Esperimenti di ibridazione del DNA con RNA su preparazioni citologiche hanno stabilito che differenze nell'eterocromatina di diversi cromosomi umani possono essere associate a caratteristiche della struttura del DNA. In tutti i casi, si tratta di DNA con sequenze nucleotidiche ripetute, ma apparentemente cromosomi diversi contengono classi diverse di DNA. Pertanto, dei DNA satellite ben caratterizzati, i satelliti I e IV si trovano in gran numero nel cromosoma Y, il satellite II si trova nell'eterocromatina autosomica 1 e 16 e il satellite III si trova nell'eterocromatina autosomica 9. Eterocromatina strutturale dei cromosomi acrocentrici è il principale vettore del DNA ribosomiale.
In piena conformità con i dati della citogenetica generale sul debole effetto negativo di uno squilibrio nel materiale eterocromatico sullo sviluppo di un organismo, ci sono dati sull'esistenza di polimorfismo significativo nella popolazione umana, dovuto alle dimensioni dell'eterocromatina pericentromerica. Il contenuto di eterocromatina strutturale di tipo C varia particolarmente negli autosomi 1, 4, 9, 13-15, 16, 21-22 e nel cromosoma Y. L'assenza di deviazioni fenotipiche dalla norma nella maggior parte dei portatori di tali varianti cariotipiche ci consente di considerarle come varianti della norma. Tuttavia, questo problema è stato messo all'ordine del giorno abbastanza recentemente. Richiede una ricerca approfondita su un vasto materiale di popolazione prima che vengano delineati limiti ragionevoli della norma cromosomica, oltre i quali lo squilibrio dell'eterocromatina non diventa indifferente per l'organismo.
Ci sono molte ragioni per considerare le regioni cromosomiche colorate positivamente dal metodo G come un tipo di eterocromatina strutturale. Oltre alla relazione con i coloranti, questa idea è supportata dalla replicazione tardiva di queste regioni, dalla loro formazione di cromomeri nei cromosomi meiotici profase e dalla capacità di rimanere indietro nella condensazione mitotica sotto l'influenza della 5-bromodeossiuridina o del freddo. È importante notare che uno squilibrio negli autosomi, particolarmente ricchi di cromatina con colorazione G, comporta la comparsa delle anomalie dello sviluppo meno gravi per un individuo, il portatore di tale squilibrio. Pertanto, le trisomie 13, 18 e 21 appartengono a questa categoria di anomalie cromosomiche.Ci sono anche segnalazioni che il DNA con una ripetizione media di sequenze nucleotidiche identiche è localizzato nei segmenti dei cromosomi con colorazione G.
Le domande che la citogenetica umana deve affrontare riguardo alla struttura, alla localizzazione e soprattutto al significato genetico dell'eterocromatina strutturale sono relativamente nuove.
I progressi nella loro risoluzione non possono essere separati dai progressi nella decifrazione della natura dell'eterocromatina negli eucarioti in generale.
Oltre all'eterocromatina strutturale, esiste l'eterocromatina facoltativa, la cui comparsa nel cromosoma è dovuta all'eterocromatinizzazione delle regioni eucromatiche in condizioni speciali. Esistono prove affidabili dell'esistenza di questo fenomeno nei cromosomi umani sull'esempio dell'inattivazione genetica di uno dei cromosomi X nelle cellule somatiche di una donna. Negli esseri umani e in altri mammiferi, questo caso speciale un fenomeno scoperto per la prima volta nella Drosophila Muller nel 1932 e chiamato "compensazione della dose genica". Per i mammiferi, la sua essenza sta nel meccanismo evolutivamente formato di inattivazione della seconda dose di geni localizzati nel cromosoma X, per cui, nonostante il numero disuguale di cromosomi X, gli organismi maschili e femminili sono uguali nel numero di geni funzionanti .
Formulata da Lyon (1961, 1974), l'ipotesi corrispondente, che ha ricevuto il suo nome, si compone di tre disposizioni principali:
1. Nelle cellule somatiche di un normale corpo femminile, uno dei due cromosomi X è inattivato.
2. In diverse cellule del corpo, il cromosoma X materno o paterno è inattivato.
3. L'inattivazione si verifica nel primo periodo embrionale ed è persistentemente trattenuta da questo cromosoma X nelle generazioni cellulari.
L'ipotesi di Lione si basa su un gran numero di fatti genetici e citologici, compresi quelli ottenuti nell'uomo, che sono stati continuamente aggiornati nel corso degli anni dalla sua nomina e le cui informazioni possono essere trovate in una serie di recensioni (AF Zakharov, 1968; Lione, 1972, 1974; Ghandra e Brown, 1975, ecc.).
I fatti genetici si basano sul fatto che negli eterozigoti si trovano due popolazioni cellulari per i tratti legati al cromosoma X. In uno di essi si manifesta l'azione del gene materno del cromosoma X, nell'altro quello paterno, che è associato all'inattivazione rispettivamente degli alleli paterni o materni. Nel formulare la sua ipotesi, Lyon si è basata su casi di colorazione a mosaico del mantello dei topi, dovuta all'inattivazione in diverse parti del corpo del gene selvaggio o del suo allele mutante. Nell'uomo è stata ottenuta una dettagliata evidenza dell'esistenza nel corpo di donne eterozigoti di due popolazioni di cellule, ciascuna delle quali ha inattivato uno dei due alleli del gene localizzato nel cromosoma X, studiando gli effetti dei geni per il glucosio- 6-fosfato deidrogenasi, fosfoglicerato chinasi, ipoxantina-fosforibosiltransferasi, gruppi sanguigni eritrocitari Xg (a), nello studio dell'agammaglobulinemia legata all'X e della mucopolisaccaridosi (sindrome di Hunter), emofilia. Negli eterozigoti per varianti elettroforetiche della glucosio-6-fosfato deidrogenasi, è stato confermato che il cromosoma X umano è inattivato nel primo periodo embrionale (Migeon e Kennedy, 1975). Questi risultati devono essere tenuti a mente quando si interpretano i dati sulle malattie ereditarie legate all'X, specialmente nei gemelli monozigoti.
Molto forte è anche l'evidenza citologica a favore dell'ipotesi di Lione, in quanto nelle normali cellule somatiche femminili, uno dei due cromosomi X corrisponde alle caratteristiche di un cromosoma eterocromatinizzato. Nel nucleo interfase, si trova sotto forma del cosiddetto corpo di Barr (X-cromatina) - un grumo di cromatina densamente condensato e intensamente colorato. In profase, questo cromosoma precede il suo omologo, il secondo cromosoma X, nel ciclo di condensazione. In condizioni di esposizione sperimentale al freddo o alla 5-bromodeossiuridina, uno dei cromosomi X è significativamente indietro nella condensazione, non differendo sotto questo aspetto dall'eterocromatina strutturale degli autosomi 1, 9, 16 e dal cromosoma Y. Il secondo cromosoma X è uno dei più ritardati all'inizio e alla fine della replicazione del DNA.
Uno studio su numerosi casi di anomalie nel sistema del cromosoma X nell'uomo mostra che il fenomeno della compensazione della dose genica si applica anche a tutti i casi di violazione del numero di cromosomi X, lasciando un solo cromosoma X in uno stato attivo in una cellula somatica . Particolarmente dimostrative a questo proposito sono le X-polisomie, quando il numero di cromosomi X inattivati è uguale al numero presente nella cellula meno uno geneticamente funzionante.
Come mostrato sopra, le informazioni sul cariotipo umano sono in costante approfondimento e sempre più ricerche vengono svolte a livello molecolare. Lo studio citologico dei fondamenti materiali dell'ereditarietà umana è ben integrato dall'analisi genetica dei tratti discreti.
La genetica umana utilizza una varietà di metodi di ricerca che vengono utilizzati anche in altre aree della biologia: genetica, fisiologia, citologia, biochimica, ecc. Anche l'antropogenetica ha i suoi metodi di ricerca: citogenetica, gemellare, genealogica, ecc.
I risultati ottenuti in biologia molecolare e biochimica hanno dato un grande contributo allo sviluppo della genetica. Attualmente, i metodi di ricerca genetica biochimica e molecolare svolgono un ruolo di primo piano nella genetica umana e nella genetica medica. Tuttavia, i metodi classici della genetica umana, come i metodi citogenetici, genealogici e gemelli, sono di grande importanza in questo momento, specialmente in materia di diagnostica, consulenza genetica medica e prognosi della prole.
Conosciamo le possibilità del metodo citogenetico.
L'essenza di questo metodo è studiare la struttura dei singoli cromosomi, nonché le caratteristiche dell'insieme dei cromosomi delle cellule umane in condizioni normali e patologiche. I linfociti, le cellule epiteliali buccali e altre cellule facili da ottenere, coltivare e soggette ad analisi cariologiche servono come oggetto conveniente per questo. Questo è un metodo importante per determinare il sesso e le malattie ereditarie cromosomiche di una persona.
La base del metodo citogenetico è lo studio della morfologia dei singoli cromosomi delle cellule umane. Palcoscenico moderno la conoscenza della struttura dei cromosomi è caratterizzata dalla creazione di modelli molecolari di questi le strutture più importanti nucleus, lo studio del ruolo dei singoli componenti dei cromosomi nella conservazione e trasmissione delle informazioni ereditarie.
Nel Capitolo 1, abbiamo esaminato i componenti dei cromosomi come le proteine e gli acidi nucleici. Qui ci soffermiamo brevemente sulla struttura e la morfologia dei cromosomi.
La struttura dei cromosomi.
La teoria cromosomica dell'ereditarietà è stata creata dallo scienziato americano T. G. Morgan. Dopo aver condotto un gran numero di studi sulla mosca della frutta della Drosophila, Morgan ei suoi studenti hanno scoperto che era nei cromosomi che si trovavano i fattori di ereditarietà scoperti da Mendel, che erano chiamati geni. T. Morgan ei suoi studenti hanno mostrato che i geni sono disposti linearmente lungo la lunghezza del cromosoma.
Dopo che è stato dimostrato che i cromosomi sono i principali genofori (portatori di geni), è iniziato il periodo del loro studio più intenso. I progressi nella biologia molecolare e nella genetica hanno permesso di comprendere alcuni modelli nella struttura e nel funzionamento dei cromosomi nei procarioti e negli eucarioti, ma qui molto rimane sconosciuto. Negli ultimi anni i cromosomi degli eucarioti, soprattutto umani, sono diventati oggetto di studio di vari specialisti, dai genetisti ai fisici.
F. Arrighi e coautori (1971) hanno riscontrato che sequenze uniche occupano più del 56% del DNA dei cromosomi umani, altamente ripetitive - 12,4%, ripetizioni intermedie - 8%. Il numero totale di geni ripetitivi nel DNA del cromosoma umano è del 28%. Il numero di cromosomi negli esseri umani è rimasto a lungo poco chiaro. Il fatto è che era difficile determinare il numero di cromosomi nei mammiferi, specialmente nell'uomo. I cromosomi erano piccoli, molto numerosi, difficili da contare. Quando le cellule sono state fissate, si sono fuse in grumi, il che ha reso difficile determinare il vero numero di cromosomi. Pertanto, i primi ricercatori non sono stati in grado di calcolare in modo accurato e corretto il numero di cromosomi nelle cellule umane. Era chiamato importo diverso cromosomi - da 44 a 50.
Di solito, i cromosomi nelle cellule vengono osservati durante la mitosi nella fase della piastra metafase. Nel nucleo interfase, i cromosomi non sono visibili al microscopio ottico. Nel 1912, G. Winivarter, studiando i cromosomi negli spermatogoni e nell'oogonia delle gonadi umane, rimossi durante l'operazione, scoprì che l'insieme maschile di cromosomi (cariotipo) contiene 47 cromosomi e la femmina - 48. Nel 1922, T. Painter ha ripetuto la ricerca Winivarter e ha scoperto che i cariotipi maschili e femminili contengono 48 cromosomi ciascuno, ma la femmina differisce dal maschio solo per due cromosomi. Le donne hanno 2 cromosomi sessuali grandi, mentre gli uomini hanno un cromosoma X grande e un cromosoma K piccolo. Negli anni successivi, questo punto di vista è stato sostenuto da altri scienziati. P. I. Zhivago e A. G. Andrea (1932) hanno proposto la prima classificazione dei cromosomi in base alla loro lunghezza. Poiché i cromosomi sono molto vicini tra loro ed è molto difficile studiarli, negli anni successivi il numero esatto di cromosomi nell'uomo è stato oggetto di controversia e discussione. Tuttavia, è stato gradualmente raggiunto un accordo tra i ricercatori su questo argomento e per 30 anni la maggior parte dei citogenetisti ha creduto che nell'uomo il numero diploide dei cromosomi fosse 48 e il numero aploide fosse 24. Metodi migliorati per lo studio dei cromosomi hanno permesso di ottenere più informazioni accurate sul numero di cromosomi nelle cellule umane. , nonché identificare normali anomalie del cariotipo responsabili di alcune deformità. Due metodi si sono rivelati particolarmente fruttuosi:
1. Trattamento della coltura cellulare con l'alcaloide colchicina, che porta all'accumulo di cellule in divisione allo stadio metafase;
2. Trattamento delle cellule con soluzioni saline deboli, che causano gonfiore, raddrizzamento dei cromosomi, che facilita il loro studio.
Nel 1956, i citologi svedesi J. Tiyo e A. Levan prepararono colture cellulari da tessuti polmonari prelevati da embrioni umani abortiti e, utilizzando una tecnica di elaborazione cellulare migliorata, ottennero preparazioni insolitamente chiare in cui 46 cromosomi erano chiaramente visibili.
Pochi mesi dopo, C. Ford e J. Hammerton in Inghilterra hanno scoperto che anche i precursori diploidi delle cellule germinali nei testicoli degli uomini (spermatogoni) hanno 46 cromosomi e quelli aploidi (spermatociti della 1a divisione) - 23 cromosomi ciascuno.
Successivamente, sono state studiate molte cellule di diversi organi e tessuti umani e ovunque il numero normale di cromosomi è risultato essere 46.
Il cariotipo femminile differisce dal maschio solo per un cromosoma sessuale. Le restanti 22 paia sono le stesse per uomini e donne. Queste 22 coppie di cromosomi sono chiamate autosomi. Un cariotipo normale è costituito da 44 autosomi (22 coppie) e due cromosomi sessuali - XX nelle donne e XY negli uomini, cioè il cariotipo femminile ha due grandi cromosomi sessuali e quello maschile ne ha uno grande e uno piccolo.
Nelle cellule germinali umane esiste un singolo set (aploide) di cromosomi - 23 e nelle cellule somatiche - un doppio set (diploide) - 46. Queste scoperte hanno stimolato ulteriori studi sui cromosomi. Sono stati sviluppati metodi per studiare i cromosomi in una coltura di linfociti del sangue periferico e su altri oggetti. Attualmente, i cromosomi sono esaminati in modo relativamente semplice nei linfociti del sangue periferico. Il sangue venoso viene posto in uno speciale mezzo nutritivo, viene aggiunta fitoemoagglutinina, che stimola le cellule a dividersi, e posto in un termostato per 72 ore. 6 ore prima della fine dell'incubazione, qui viene aggiunta la colchicina, che ritarda il processo di divisione cellulare nella fase della piastra metafase. Quindi la coltura viene posta in una soluzione ipotonica di NaCl, in cui le cellule si gonfiano, il che porta a una leggera rottura dei gusci del nucleo e alla transizione dei cromosomi nel citoplasma. Successivamente, i preparati vengono colorati con coloranti nucleari, in particolare acetoorceina, ed esaminati al microscopio ottico ad immersione.
Al microscopio, viene preso in considerazione il numero totale di cromosomi, fotografato, quindi ogni cromosoma viene ritagliato dalla foto con le forbici e incollato su Foglio bianco documenti di fila, a partire dal cromosoma più grande (primo) e termina con il più piccolo (ventisecondo) e il cromosoma Y sessuale. La tecnica luminescente consente di condurre rapidamente e facilmente studi di massa al fine di identificare pazienti con vari tipi di anomalie cromosomiche. L'insieme delle caratteristiche quantitative (numero di cromosomi e loro dimensioni) e qualitative (morfologia cromosomica) di un insieme diploide di una singola cellula è indicato con il termine "cariotipo". La struttura dei cromosomi cambia a seconda dello stadio di divisione cellulare (profase, metafase, anafase, telofase).
Già nella profase della mitosi, si può vedere che il cromosoma è formato da due fili dello stesso diametro che si intrecciano tra loro: i cromatidi. In metafase, il cromosoma è già spiralizzato e i suoi due cromatidi giacciono in parallelo, separati da uno stretto spazio. Ogni cromatide è composto da due emicromatidi. Come risultato della mitosi, i cromatidi del cromosoma materno diventano cromosomi fratelli e i semicromatidi diventano i loro cromatidi. I cromatidi sono basati sui cromonemi, i cosiddetti filamenti più sottili di DNP, costituiti da proteine e acidi nucleici.
Nell'interfase (l'intervallo tra due divisioni cellulari), la cromatina è strettamente associata alle membrane nucleari e alla matrice proteica nucleare. Forma anche ampie aree di filamenti despiralizzati di DNP. Poi gradualmente la cromatina si spiralizza, formando i tipici cromosomi in metafase. Le loro dimensioni variano da 2 a 10 micron.
Attualmente si studiano intensamente le caratteristiche strutturali degli autosomi e dei cromosomi sessuali (su cellule del midollo osseo, linfociti, fibroblasti, cellule della pelle, rigenerazione del fegato).
I cromosomi contengono strutture chiamate cromomeri. Un cromomero è una sezione a spirale di un cromonema. Gli spazi tra i cromomeri sono rappresentati da filamenti cromonici. La posizione dei cromomeri su ciascun cromosoma è rigorosamente fissa, determinata ereditariamente.
Un cromomero è un'unità genetica relativamente grande, paragonabile in lunghezza al cromosoma di E. coli. La struttura e la funzione del cromomero è il mistero principale della genetica moderna. Si presume che alcuni cromomeri siano un locus genetico, dove c'è un gene strutturale e molti geni regolatori. È possibile che diversi geni strutturali si trovino in altri cromomeri.
Cromonemi e cromomeri sono circondati da una sostanza non colorante: una matrice. Si ritiene che la matrice contenga acidi desossiribonucleici e ribonucleici, proteine.
Alcune sezioni dei cromosomi formano nucleoli. I nucleoli sono sezioni di cromosomi più o meno despiralizzate circondate da prodotti dell'attività genica (ribosomi, particelle di RNA, ecc.). Ecco la sintesi dell'RNA ribosomiale e alcune fasi della formazione dei ribosomi. Sintetizza la maggior parte dell'RNA della cellula.
Nel cromosoma metafase si distinguono molte altre formazioni: il centromero, due bracci del cromosoma, i telomeri e un satellite.
La regione centromerica (meros - in greco, parte) del cromosoma è un'interruzione non colorante nel cromosoma, visibile sulla preparazione dei cromosomi. Il centromero contiene 2-3 coppie di cromomeri e ha una struttura complessa. Si ritiene che diriga il movimento del cromosoma nella mitosi. I fili del fuso sono attaccati ai centromeri.
Anche i telomeri, strutture speciali alle estremità dei cromosomi, hanno una struttura complessa. Contengono diversi cromomeri. I telomeri impediscono l'attaccamento terminale dei cromosomi metafase l'uno all'altro. L'assenza di telomeri rende il cromosoma "appiccicoso" - si attacca facilmente ad altri frammenti di cromosomi.
Alcune regioni del cromosoma sono dette eucromatiche, mentre altre sono dette eterocromatiche. Le regioni eucromatiche dei cromosomi sono regioni geneticamente attive; contengono il principale complesso di geni nucleari funzionanti. La perdita anche del più piccolo frammento di eucromatina può causare la morte dell'organismo. Le regioni eterocromatiche dei cromosomi sono generalmente altamente spiralizzate e, di regola, non sono geneticamente attive. L'organizzatore nucleolare si trova nell'eterocromatina. La perdita anche di una parte significativa dell'eterocromatina spesso non porta alla morte dell'organismo. Le regioni eterocromatiche del cromosoma si replicano più tardi delle regioni eucromatiche. Va ricordato che l'eucromatina e l'eterocromatina non sono una sostanza, ma uno stato funzionale di un cromosoma.
Se organizzi fotografie di cromosomi omologhi man mano che le loro dimensioni aumentano, puoi ottenere il cosiddetto ideogramma del cariotipo. Pertanto, un idiogramma è una rappresentazione grafica dei cromosomi. Sull'idiogramma, le coppie di omologhi sono disposte in file in ordine decrescente di grandezza.
Nell'uomo, su un idiogramma, tra 46 cromosomi, si distinguono tre tipi di cromosomi a seconda della posizione del centromero nel cromosoma:
1. Metacentrico: il centromero occupa una posizione centrale nel cromosoma, entrambe le braccia del cromosoma hanno quasi la stessa lunghezza;
2. Submetacentrico: il centromero si trova più vicino a un'estremità del cromosoma, risultando in bracci cromosomici di diversa lunghezza.
| Classificazione dei cromosomi umani in base alla dimensione e posizione del centromero | ||
| Gruppo di cromosomi | Numero di cariotipo | Caratteristiche dei cromosomi |
| A(1) | 1,2,3 | 1 e 3 quasi metacentrici e 2 grandi submetacentrici |
| ALLE 11) | 4,5 | grande subacrocentrico |
| C (III) | 6-12 | submetacentrico medio |
| A(lV) | 13-15 | medio acrocentrico |
| E(V) | 16-18 | piccolo submetacentrico |
| F(VI) | 19-20 | il più piccolo megacentrico |
| G(VII) | 21-22 | il più piccolo acrocentrico |
| cromosoma X (appartiene al gruppo III | 23 | medio quasi metacentrico |
| cromosoma Y | 23 | acrocentrico poco profondo |
3. Acrocentrico: il centromero si trova all'estremità del cromosoma. Una spalla è molto corta, l'altra è lunga. I cromosomi non sono molto facili da distinguere l'uno dall'altro. La citogenetica, al fine di unificare i metodi per l'identificazione dei cromosomi, in una conferenza del 1960 a Denver (USA) propose una classificazione che tenesse conto delle dimensioni dei cromosomi e della posizione dei centromeri. Patau nello stesso anno ha integrato questa classificazione e ha proposto di dividere i cromosomi in 7 gruppi. Secondo questa classificazione, il primo gruppo A comprende grandi cromosomi 1, 2 e 3 sub e acrocentrici. Al secondo gruppo B - grandi coppie submetacentriche 4-5. Il terzo gruppo C comprende subacrocentrico medio (6-12 coppie) e il cromosoma X, che si trova tra i cromosomi 6 e 7 in termini di dimensioni. Il gruppo D (quarto) comprende cromosomi acrocentrici medi (13, 14 e 15 paia). Al gruppo E (quinto) - piccoli cromosomi submetacentrici (16, 17 e 18 paia). Al gruppo F(sesto) piccolo metacentrico (19a e 20a coppia) e gruppo G (settimo) - i più piccoli cromosomi acrocentrici (21a e 22a coppia) e un piccolo cromosoma Y sessuale acrocentrico (Tabella 4).
Esistono altre classificazioni dei cromosomi (Londra, Parigi, Chicago), in cui vengono sviluppate, concretizzate e integrate le disposizioni della classificazione di Denver, che alla fine facilita l'identificazione e la designazione di ciascuno dei cromosomi umani e delle loro parti.
I cromosomi acrocentrici del gruppo IV (D, 13-15 paia) e del gruppo VII (G, 21-22 paia) sul braccio corto portano piccole strutture aggiuntive, i cosiddetti satelliti. In alcuni casi, questi satelliti sono la causa dell'adesione dei cromosomi l'uno all'altro durante la divisione cellulare nella meiosi, con conseguente distribuzione non uniforme dei cromosomi. In una cellula sessuale ci sono 22 cromosomi e nell'altra - 24. È così che sorgono le monosomie e le trisomie per l'una o l'altra coppia di cromosomi. Un frammento di un cromosoma può unirsi a un cromosoma di un altro gruppo (ad esempio, il frammento 21 o 22 unisce 13 o 15). Ecco come avviene la traslocazione. La trisomia del 21° cromosoma o la traslocazione del suo frammento è la causa della malattia di Down.
All'interno di questi sette gruppi di cromosomi, sulla base di solo differenze esterne visibile al microscopio semplice, è quasi impossibile identificare i cromosomi. Ma quando si elaborano i cromosomi di acrihini, inoltre, e con l'aiuto di una serie di altri metodi di colorazione, possono essere identificati. Vari
metodi di colorazione differenziale dei cromosomi secondo la tecnica Q-, G-, C (A. F. Zakharov, 1973) (Fig. 27). Diamo un nome ad alcuni metodi per identificare i singoli cromosomi umani. Varie modifiche del cosiddetto metodo sono ampiamente utilizzate. Q. Ad esempio, il metodo QF - utilizzando fluorocromi; Metodo QFQ - utilizzando chinacrina; Metodo QFH - utilizzando una speciale società di coloranti "Hext" n. 33258, che rivela sequenze ripetute di nucleotidi nel DNA dei cromosomi (DNA satellitare, ecc.). Le modifiche del metodo della tripsina GT sono un potente strumento per lo studio e la caratterizzazione individuale dei cromosomi. Citiamo, ad esempio, il metodo GTG, che comprende il trattamento dei cromosomi con tripsina e colorazione di Giemsa, il metodo GTL (trattamento con tripsina e colorazione secondo Leitman).
Metodi noti per il trattamento dei cromosomi con sali di acetato e colorante di Giemsa, metodi che utilizzano idrossido di bario, arancio acridina e altri.
Il DNA cromosomico viene rilevato utilizzando la reazione di Feulgen, colorando con verde metile, arancio acridino, colorante n. 33258 della società Hekst. Il colorante acridino-arancione con DNA a filamento singolo forma associati dimeri e dà luminescenza rossa, con DNA elicoidale a doppio filamento forma associati unidimensionali e luminesce di verde.
Misurando l'intensità della luminescenza rossa, si può giudicare il numero di posti liberi nel DNP e nella cromatina e il rapporto tra luminescenza verde - rossa - l'attività funzionale dei cromosomi.
Gli istoni e le proteine acide dei cromosomi vengono rilevati a pH diverso mediante colorazione con blu bromfenodo, verde intenso, argento, metodo immunoluminescente, colorazione dell'RNA con allume di allucianina, colorante Hext n. 1, arancio acridino quando riscaldato a 60 °.
La microscopia elettronica, l'istoautoradiografia e una serie di altri metodi sono ampiamente utilizzati.
Nel 1969, il biologo svedese T. Kaspersson ei suoi collaboratori hanno dimostrato che i cromosomi colorati con chinacrina senape e illuminati al microscopio con la lunghezza d'onda più lunga dello spettro ultravioletto iniziano a luminersi, con alcune parti dei cromosomi più luminose, altre più deboli. La ragione di ciò è la diversa composizione chimica della superficie del cromosoma. Negli anni successivi, i ricercatori hanno scoperto che le estremità del cromosoma Y umano brillavano più luminose di qualsiasi altro cromosoma umano, rendendo il cromosoma Y facile da individuare su un vetrino.
Acryhiniprit si lega preferenzialmente alle coppie GC di DNA. I singoli dischi delle regioni eterocromatiche emettono fluorescenza. Rimuovi il DNA: il bagliore scompare. Sono state compilate mappe di cromosomi fluorescenti. Delle 27 specie di mammiferi, solo umani, scimpanzé, gorilla e oranghi hanno cromosomi Y luminosi. Il bagliore è associato a ripetizioni genetiche apparse nell'evoluzione 20 milioni di anni fa.
Quindi, normalmente nelle cellule somatiche umane ci sono 46 cromosomi (23 paia) e nelle cellule sessuali - 23 cromosomi, un cromosoma di ogni coppia. Quando uno spermatozoo e un uovo si fondono, il numero di cromosomi nello zigote raddoppia. Pertanto, ogni cellula somatica del corpo umano contiene un insieme di cromosomi paterni e un insieme di cromosomi materni. Se una persona ha 46 cromosomi, in varie scimmie il numero di cromosomi è 34, 42, 44, 54, 60, 66.
Sotto l'azione degli ultrasuoni o dell'alta pressione, è possibile rompere i filamenti di DNA che compongono il cromosoma in frammenti separati. Riscaldando le soluzioni di DNA ad una temperatura di 80-100°,
puoi causare la denaturazione del DNA, la divergenza dei due filamenti che lo compongono. In determinate condizioni, i filamenti di DNA disconnessi possono riassociarsi in una molecola di DNA stabile a doppio filamento (riassociazione o rinaturazione del DNA). La denaturazione e la rinaturazione del DNA possono essere ottenute anche su preparazioni di cromosomi fissi, elaborandoli di conseguenza. Se in seguito i cromosomi vengono colorati con il colorante Giemsa, in essi viene rivelata una chiara striatura trasversale, costituita da strisce chiare e scure. La posizione di queste bande su ciascun cromosoma è diversa. Pertanto, i dischi Giemsa possono anche identificare ciascuna delle 23 coppie di cromosomi.
Questi e altri metodi, in particolare l'ibridazione di cellule somatiche di vari animali e umani, sono usati per mappare i cromosomi, cioè per determinare la posizione di diversi geni in uno o nell'altro cromosoma. Attualmente, circa 200 geni sono stati mappati negli autosomi umani e nei cromosomi sessuali.
Alla fine del 1975, il seguente numero di geni era localizzato in diversi cromosomi umani (AF Zakharov, 1977): 1 cromosoma - 24 geni; 2 cromosomi - 10, 3-2, 4-3, 5-3, 6-14, 7-4, 8-1, 9-8, 10-5, 11-4, 12-10, 13-3, 14 -3, 15-6, 16-4, 17-14, 18-1, 19-4, 20-3, 21-4, 22-1; Y-cromosoma - 2; Cromosoma X - 95 geni.
Nel 1949, M. Barr e C. Bertram, studiando i neuroni del gatto, hanno attirato l'attenzione sul fatto che il nucleo cellulare interfase contiene un corpo intensamente colorato ed è presente solo nei nuclei delle cellule femminili e assente nei maschi. È stato trovato in molti animali e sempre solo nelle femmine. Questo piccolo corpo è chiamato cromatina sessuale, o corpo di Barr. In un certo numero di vertebrati e nell'uomo, appare nella prima ontogenesi allo stadio di gastrula, ma prima dello sviluppo gonadi (ghiandole sessuali). La posizione, la forma e la struttura della cromatina sessuale non è influenzata dagli ormoni sessuali, quindi non è una caratteristica sessuale secondaria. Tra il numero dei corpi della cromatina sessuale e il numero X- i cromosomi nel nucleo sono direttamente collegati. La cromatina sessuale nei nuclei interfase è dovuta alla spiralizzazione di uno dei cromosomi X, la cui inattivazione è un meccanismo che equalizza l'equilibrio dei geni dei cromosomi sessuali nelle cellule di maschi e femmine (cioè, questo è uno dei meccanismi per la dose compensazione dei geni).
Nel 1961, diversi ricercatori hanno suggerito contemporaneamente che uno dei cromosomi X nelle donne normali è geneticamente relativamente inattivo. Nel 1961, il ricercatore inglese M. Lyon ha avanzato un'ipotesi sui meccanismi di inattivazione di uno dei cromosomi X nelle cellule del corpo femminile. I punti principali di questa ipotesi sono i seguenti:
1. Uno dei due cromosomi X delle cellule di una donna è inattivo.
2. Un cromosoma inattivo può essere dell'organismo paterno o materno.
3. L'inattivazione si verifica all'inizio dell'embriogenesi e persiste durante l'ulteriore riproduzione e sviluppo della linea cellulare. Questo processo di inattivazione del cromosoma X è reversibile in diverse generazioni:
XX*->- wow ->XX* ecc. (qui l'asterisco indica il cromosoma X elicoidale). Il genetista portoghese Serra ha proposto di chiamare questo tipo di cambiamenti reversibili nel trepto del materiale genetico (dal greco treptos - cambiamento).
Il cromosoma X spiralizzato nella cellula forma la cromatina sessuale o corpo di Barr. Se le donne hanno diversi cromosomi X nel nucleo cellulare, allora ci sono diversi corpi di Barr nelle cellule, solo un cromosoma X rimane attivo. Il cromosoma X non è completamente inattivato, parte del braccio corto rimane geneticamente attiva. L'inattivazione del cromosoma X in una certa misura dipende dallo stadio del ciclo cellulare e dallo stato fisiologico dell'organismo. Con la presenza di un eccesso o di un'assenza di un corpo di Barr, possono essere diagnosticati alcuni tipi di malattie ereditarie (ad esempio la sindrome di Klinefelter, la sindrome di Shereshevsky-Turner). Le cellule che non contengono la cromatina sessuale (cellule negative per la cromatina) si trovano in individui con una serie di cromosomi 45, XO (sindrome di Shereshevsky-Turner);
46,XY(uomini normali); 47, XYY(Sindrome di Klinefelter con due cromosomi Y). Solitamente, nelle cellule di un normale corpo maschile, si trova un certo numero di pseudocorpi Barr (sezioni condensate di autosomi) e cromosomi Y spiralizzati, pertanto, quando si diagnosticano varie malattie cromosomiche, è necessario essere in grado di distinguere queste formazioni dal tipica cromatina sessuale formata da un cromosoma X extra spiralizzato. Il corpo di Barr si trova sul cromosoma 46,XX (donne normali); 47,XXY e 48,XXYU (sindrome di Klinefelter classica). Due corpi di Barr si trovano in una persona con tre cromosomi X, (47, XXX); tre cromosomi X e uno Y (48, XXXY, sindrome di Klinefelter); 49, XXXXY (sindrome di Klinefelter). Tre corpi di Barr si trovano nei cariotipi 48, XXXX e 49, XXXXY (sindrome di Klinefelter grave).
Nelle cellule poliploidi, il numero di corpi della cromatina sessuale corrisponde alla ploidia. Secondo la formula di Gardner, il numero di corpi di Barr (B)
è uguale a B = X - , dove X - il numero di cromosomi X, R - ploidia cellulare. Nelle cellule non poliploidi, il numero dei corpi della cromatina sessuale è uguale al numero dei cromosomi X meno uno. (A = X - 1).
Cambiamenti strutturali nei cromosomi
I cromosomi possono subire vari cambiamenti strutturali. Particolarmente importanti sono la perdita di singoli frammenti di cromosomi (divisione) o il trasferimento di una sezione di un cromosoma all'altro (traslocazione). La traslocazione è indicata dalla lettera latina /, tra parentesi accanto è scritto l'indice del gruppo o il numero del cromosoma del donatore, la designazione del sito trasferito. Le stesse designazioni sono indicate per il cromosoma ricevente, ad esempio 46, XXt (Mer+ + B4 q-). Lettere tra parentesi R e q indicare le braccia cromosomiche interessate dalla traslocazione. Il braccio corto di un cromosoma è indicato dalla lettera R, lunga - lettera q, il satellite è indicato dalla lettera s, ecc. Un aumento della lunghezza del braccio è indicato da un segno più e una diminuzione da un segno meno (entrambi sono posizionati dopo il simbolo del cromosoma).
La comparsa di un cromosoma in più nel cariotipo porta alla trisomia. Un aumento multiplo del numero di tutti i cromosomi è chiamato poliploidia (potrebbero esserci triploidi, tetraploidi, ecc.). La perdita di uno di una coppia di cromosomi omologhi provoca una condizione chiamata monosomia. I cambiamenti nel numero o nella struttura dei cromosomi sono chiamati aberrazioni cromosomiche.
Consideriamo i tipi più frequenti di disturbi strutturali dei cromosomi: delezioni e traslocazioni. Con una cancellazione, il numero totale di cromosomi non viene modificato. Tuttavia, alcuni cromosomi mancano di materiale genetico, che provoca vari cambiamenti nel fenotipo. La delezione più comune è il 5° e il 18° autosoma e il cromosoma X. Le eliminazioni portano allo sviluppo di varie malattie e sindromi ereditarie.
Nel 1963, J. Lejeune descrisse la sindrome del "grido di gatto". Il grido di questi bambini ricorda il "miagolio di un gatto". I bambini hanno un forte sottosviluppo della laringe, una faccia rotonda a forma di luna, microcefalia, micrognazia, un'incisione mongoloide degli occhi, orecchiette deformi basse, ipotensione muscolare e lievi caratteristiche sessuali secondarie. Questi bambini sono mentalmente ritardati. Nel cariotipo dei bambini si nota una cancellazione del braccio corto della 5a coppia di cromosomi.
La divisione delle braccia lunghe e corte del 18° cromosoma è accompagnata da vari disturbi strutturali del viso, dello scheletro e degli organi interni. I bambini hanno ritardo mentale, malnutrizione, ipotensione, microcefalia, sottosviluppo del viso, voce bassa e ruvida, sottosviluppo dei genitali esterni, orecchio medio, atresia del canale uditivo esterno e altre anomalie.
Con una delezione del braccio corto del 18° cromosoma, i pazienti hanno anche vari difetti nello scheletro, negli organi interni e nel ritardo mentale.
Una delezione del braccio corto del cromosoma X può essere interpretata come una monosomia parziale del cromosoma X. Descritto in donne con ritardo della crescita, sottosviluppo ovarico senza gravi anomalie somatiche. Sebbene in essi venga rilevata la cromatina sessuale, tuttavia, le sue dimensioni sono molto più piccole del normale.
Nella leucemia mieloide cronica si nota un accorciamento del braccio corto del 21° cromosoma (il cosiddetto cromosoma Philadelphia). Tuttavia, questo cromosoma si trova solo nei globuli e nel midollo osseo puntato. Altre cellule hanno un cariotipo normale.
Come risultato di due carenze terminali, seguite dalla connessione di estremità rotte, si formano i cromosomi ad anello. Pertanto, questa violazione della struttura dei cromosomi è in realtà un caso speciale di eliminazione. Il quadro clinico dei pazienti - portatori di cromosomi ad anello - ricorda quello della delezione del cromosoma corrispondente. Quindi, con il cromosoma ad anello del gruppo B (5a coppia), si sviluppa il quadro clinico della sindrome del "grido di gatto" e con il cromosoma X ad anello il quadro clinico è vicino alla sindrome di Shereshevsky-Turner.
Le traslocazioni sono riarrangiamenti strutturali in cui il materiale genetico viene scambiato tra i cromosomi. Sono possibili vari tipi di traslocazioni: reciproche, in cui vi è uno scambio reciproco di frammenti; non reciproche, quando il materiale genetico di un cromosoma viene trasferito a un altro, e infine connessioni centriche. Le ultime traslocazioni tra cromosomi acrocentrici sono le più comuni. In questo caso si perde solo un piccolo frammento delle braccia corte dei cromosomi acrocentrici. La maggior parte di questi riarrangiamenti può essere considerata bilanciata, poiché non causano gravi deviazioni nel fenotipo del portatore di traslocazione. Tuttavia, la progenie di tali portatori ha difetti clinicamente pronunciati caratteristici di un insieme anormale di cromosomi.
È noto che la malattia di Down può essere osservata sia nella trisomia del 21o autosoma, sia nella traslocazione di un frammento di questo cromosoma ad altri. Tali pazienti hanno 46 cromosomi, ma uno dei cromosomi è in realtà doppio, poiché un frammento del 21° cromosoma è ancora attaccato ad esso e, di conseguenza, tale riarrangiamento risulta sbilanciato. Nei genitori di questi pazienti, il cariotipo comprendeva 45 cromosomi, ma uno dei cromosomi era in realtà doppio (con una traslocazione). Quando un uovo contenente questo cromosoma viene fecondato, lo sperma normale nello zigote avrà effettivamente tre 21° cromosoma, che è fenotipicamente manifestato dalla malattia di Down.
Il 21° cromosoma si trasloca più spesso nel 15° o in altri cromosomi del gruppo D (13°, 14°) nelle donne, o nel 22° negli uomini. In questo caso, i giovani genitori sani possono avere un figlio con la malattia di Down, contrariamente alla trisomia 21, che è più comune nei bambini nati da madri anziane. È praticamente impossibile determinare la presenza di una traslocazione in un individuo prima della nascita di un bambino con malattia di Down senza esaminare il cariotipo, poiché il fenotipo di questi portatori non è molto diverso dai fenotipi di individui con genotipi normali. Pertanto, in tutti questi casi, lo studio del cariotipo è di particolare importanza.
Il meccanismo di sviluppo della malattia di Down durante la traslocazione in uno dei genitori può essere rappresentato come segue. Nella traslocazione, il cariotipo di un individuo è costituito da 45 cromosomi, poiché un cromosoma viene ingrandito. La traslocazione colpisce tutte le cellule, inclusi oogonia e spermatogonia. Durante la formazione delle cellule germinali (gameti), 23 cromosomi cadono in un gamete e 22 nell'altro, ma il cromosoma traslocato può finire sia in un gamete con 22 cromosomi che in un gamete con 23 cromosomi. Pertanto, sono teoricamente possibili 4 varianti di gameti: 23 cromosomi normali, 23 con traslocazione, 22 cromosomi normali e 22 con traslocazione. Se la traslocazione è indicata da un apostrofo, si otterrà la seguente serie di gameti: 23 23 1 22 22 1 .
Se questi gameti sono fecondati da un normale gamete del sesso opposto, si ottengono le seguenti combinazioni: 1) 23 + 23 = 46 cromosomi (cariotipo normale); 2) 23 1 + 23 = 46 1 cromosomi, ma in realtà 47 cromosomi (in questo caso sviluppare la malattia di Down). 3) 22 + 23 = 45 cromosomi (un tale zigote non è vitale e muore); 4) 22 1 +23 = 45 1 cromosomi (in questo caso, un individuo nasce con una traslocazione, come uno dei suoi genitori).
Le probabilità di dare alla luce un bambino con la malattia di Down (con una traslocazione in uno dei genitori) sono del 33%. Questo è un rischio molto grande e, in questo caso, non è auspicabile un'ulteriore gravidanza, soprattutto perché esiste il rischio di traslocazione nei nipoti. Se un bambino con sindrome di Down causata dalla trisomia 21 nasce da genitori con un cariotipo normale, le possibilità di partorire di nuovo lo stesso bambino sono molto ridotte. Tuttavia, non in tutti i casi alla nascita di un bambino con malattia di Down a causa della traslocazione del 21° cromosoma, la traslocazione è presente nelle cellule somatiche della madre. In circa la metà delle madri, il cariotipo è normale e la traslocazione è avvenuta durante la meiosi, prima della formazione dell'uovo da cui si è sviluppato l'organismo del bambino malato.
Questa è una condizione in cui le cellule con cariotipi normali e anormali sono mescolate nel corpo, diciamo, 46/47 o 46/45. Si verifica a causa della non disgiunzione dei cromosomi fasi iniziali sviluppo embrionale. Il mosaicismo dà sintomi lievi e cancellati della malattia rispetto ai pazienti che hanno un cariotipo modificato in tutte le cellule. Una persona con una variante a mosaico della malattia di Down può avere solo alcuni dei segni fisici della malattia. Lo sviluppo dell'intelligenza non è disturbato. Con il mosaicismo 45XO / 46XX, la sindrome di Shereshevsky-Turner è espressa in modo più lieve. Queste pazienti possono sviluppare tessuto ovarico e ovulare. Con il cariotipo 46XY/47XXY, la sindrome di Klinefelter è espressa in modo più lieve. Tra i pazienti, i mosaici femminili e maschili con i cariotipi indicati sono più comuni dei casi "puri" della sindrome di Shereshevsky-Turner o della sindrome di Klinefelter. Con l'età, il clone di cellule anormali viene gradualmente eliminato, e quindi è difficile stabilire il mosaicismo nell'anziano, sebbene nel periodo embrionale e postembrionale precoce fosse sufficientemente pronunciato e potesse portare allo sviluppo di segni fenotipici della malattia. Meno cellule anormali nel corpo, più deboli sono i segni della malattia. Questo può spiegare le forme cancellate e rudimentali di queste malattie.
Con le malattie del sangue, può verificarsi un aumento multiplo (poliploidia) o non piegato (aneuploidia) del numero di cromosomi. Tuttavia, si osserva solo nelle cellule del sangue, mentre in altre cellule somatiche il cariotipo è normale.
Elenco della letteratura usata.
1. Berdyshev G.D., Krivoruchko I.F. La genetica umana con le basi della genetica medica. - Kiev: scuola Vishcha, 1979.
2. Bochkov NP Genetica umana. - Mosca, 1973.
3. Vogel F. Motulsky A. Genetica umana: la storia del cromosoma umano, genetica formale. Mosca: Mir, 1989.
4. Stern, Kurt Fondamenti di genetica umana. Mosca: Medicina, 1965
5. McKusick V. Genetica umana. Mosca: Mir, 1967.
E per evitare la nascita di un bambino con patologia. Racconta Elena Domracheva, dottore in Scienze mediche, professoressa, consulente del servizio citogenetico del Laboratorio Hemotest.
Spesso la causa dell'infertilità risiede in una violazione della struttura del DNA o in un cambiamento nel numero di cromosomi. Queste mutazioni genetiche possono essere congenite o verificarsi durante la vita a causa degli effetti negativi dell'ambiente esterno.
Per determinare tali deviazioni nel numero di cromosomi e nella loro struttura, viene condotto uno studio speciale: il cariotipizzazione. È ciò che determinerà la causa dell'infertilità, identificherà una grave patologia ereditaria e quindi impedirà la nascita di un bambino malato.
Un cariotipo è una combinazione di cromosomi umani che determina tutte le caratteristiche uniche di un organismo. La presenza di 23 paia di cromosomi è considerata la norma. Di questi, 22 paia di cromosomi sono responsabili di tratti ereditari, come la composizione corporea, l'altezza umana, il colore dei capelli e così via. Questi cromosomi sono gli stessi sia negli uomini che nelle donne, motivo per cui sono chiamati autosomi. Il sesso di una persona dipende dall'ultima 23a coppia. Ed è lei che contiene segni legati al sesso. Pertanto, la formula del cariotipo di un uomo è 46XY e quella di una donna è 46XX. Il cariotipo umano di solito non cambia con l'età.
Il cariotipo rivela malattie ereditarie associate ad anomalie nel set cromosomico (il numero di cromosomi, che può essere uno in più o in meno, la loro forma o difetti in aree). Alcune patologie nei cromosomi possono portare ad aborti spontanei, altre alla nascita di un bambino con malformazioni. Alcune delle violazioni del set cromosomico potrebbero non manifestarsi in alcun modo in una persona nella sua vita quotidiana, ma qualsiasi deviazione aumenta il rischio di avere un bambino con una patologia nei geni.
L'analisi del cariotipo viene mostrata a tutte le coppie che sognano una prole. Questo studio diventa obbligatorio se sono già state osservate patologie genetiche nella famiglia del futuro padre o madre, nonché in preparazione alla fecondazione in vitro. Il cariotipo è necessario anche per le gravidanze infruttuose ripetute più volte di seguito senza ragioni particolari, violazioni della formazione dello sperma negli uomini. Anche l'età superiore ai 35 anni, anche per uno dei coniugi, costituisce un'indicazione per la ricerca.
Per lo studio viene utilizzato sangue venoso e la diagnosi stessa non richiede alcuna preparazione speciale. L'unico requisito è che 3-4 settimane prima dell'analisi, gli antibiotici dovrebbero essere esclusi e dovresti venire in laboratorio dopo aver mangiato. È anche auspicabile dormire a sufficienza la notte prima ed eliminare l'impatto sul corpo di situazioni stressanti.
Il sondaggio aiuterà a determinare il motivo sposi non può concepire un bambino, o perché una donna non è in grado di sopportare un feto, e rivela anche il rischio di patologie nello sviluppo di un nascituro. Durante la ricerca liquido amniotico il cariotipo riconosce le malattie cromosomiche anche nell'utero (sindromi, Patau, Klinefelter, Shereshevsky-Turner e altri). Occupano uno dei primi posti tra le patologie ereditarie e si verificano nei neonati nello 0,7-1% dei casi.
Le statistiche mediche indicano che le anomalie cromosomiche nei neonati sono la causa del 45-50% dei multipli difetti di nascita sviluppo, circa il 35% dei casi di ritardo mentale e il 50% dell'assenza di mestruazioni nelle donne.
Negli adulti, le anomalie cromosomiche possono non manifestarsi affatto clinicamente o possono manifestarsi in forme cancellate. Spesso una persona si considera sana e non sospetta alcun disturbo genetico. Ma non può avere figli. Pertanto, lo studio del cariotipo dei linfociti del sangue è obbligatorio per tutte le coppie sterili.
Si tratta di un'analisi difficile e dispendiosa in termini di tempo. Nelle normali cliniche distrettuali, è improbabile che la donazione di sangue per questo studio abbia successo a causa della mancanza di specialisti e attrezzature addestrati. L'analisi del cariotipo può essere eseguita in alcuni moderni laboratori e cliniche mediche, centri di pianificazione familiare, istituti di genetica e centri per madri e bambini.
In diverse cliniche, il tempo di analisi varia da 14 a 28 giorni. Vale la pena aggiungere che il cariotipo non cambia nel tempo e la procedura viene eseguita solo una volta nella vita.
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Era meglio fare un cariotipo del feto, poiché le anomalie cromosomiche sono il più delle volte casuali e secondo il tuo cariotipo e tuo marito, questo è presupposto.Il metodo citogenetico ti consente di studiare direttamente il set cromosomico umano (cariotipo).
Un'altra cosa è quando c'è una ricerca mirata per un problema genetico specifico L'analisi non è la più difficile, viene eseguita in tutte le consultazioni genetiche e consente di analizzare il cariotipizzazione in una volta. Non esiste un tale cariotipo che metterebbe fine a ...
Pianificazione della gravidanza: analisi ed esami, concepimento, infertilità, aborto spontaneo La genetica non consiglierà in modo specifico. Quanto tempo dopo la ST è rimasta incinta e ha rivelato la causa Dimmi chi ha fatto un test del cariotipo con suo marito? Non riesco a decifrarlo.
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Cosa si può imparare da un genetista in questo caso? 2. Supponiamo che io abbia quasi 35 anni, mio marito ne abbia più di 40. C'è un bisogno speciale di visitare i genetisti prima della gravidanza alle 4. Supponiamo che il medico determini un'alta probabilità di una grave malattia ereditaria in un bambino.
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Determinazione del cariotipo umano. Storia della ricerca
L'impossibilità di concepire e dare alla luce un bambino sano è un problema per molte coppie. L'infertilità è spesso definita una malattia società moderna, Tuttavia, questo non è del tutto vero. Le ragioni oggettive, quando la natura stessa impedisce la comparsa di prole in un determinato uomo e donna, sono sempre esistite. Uno dei principali sono le violazioni dei cariotipi dei potenziali genitori.
Cosa include questo concetto? L'emergere del termine scienza moderna deve allo scienziato sovietico Grigory Levitsky, che negli anni '20 del XX secolo condusse ricerche approfondite nel campo della citologia. Successivamente, le sue idee furono sviluppate dai colleghi stranieri Cyril Dean Darlington e Michael J. D. White, che studiarono le questioni dell'ereditarietà.
Un cariotipo combina tutte le caratteristiche di un set cromosomico: il loro numero, dimensione, forma, ecc. Il termine può riferirsi a:
Gli scienziati hanno stabilito le principali proprietà del cariotipo:
Le strutture all'interno del nucleo di una cellula eucariotica, costituite da complessi di proteine e acidi nucleici, sono chiamate cromosomi. Sono responsabili delle informazioni ereditarie, della loro conservazione, manifestazione e trasmissione alle generazioni successive. La base del cromosoma è il DNA. Ognuna di queste strutture contiene geni diversi. Pertanto, anche in un insieme di cromosomi non possono essere considerati equivalenti.
Il normale cariotipo del corpo umano comprende 46 strutture nucleoproteiche. Questi sono 44 autosomi omologhi e due responsabili delle caratteristiche sessuali. Il cariotipo di un uomo è designato come 46,XY, donne - 46,XX.
Gli autosomi di tipo omologo sono suddivisi in base a forme e dimensioni in 7 categorie, che sono indicate dalle prime lettere dell'alfabeto latino. Inoltre, a tali cromosomi vengono assegnati numeri da uno a 22 man mano che la lunghezza della struttura diminuisce.
Gli autosomi sono classificati e in base a come si trova la costrizione primaria, chiamata centromero. Serve come separazione di due cromatidi fratelli, che di conseguenza formano i cosiddetti bracci della struttura. La lettera q è usata per designare quella lunga, la lettera p è usata per quella corta.
Quindi, secondo la totalità delle caratteristiche, i cromosomi nel cariotipo del corpo umano sono solitamente combinati in 7 grandi categorie:
Anche il cromosoma Y, che è responsabile del sesso maschile, appartiene a quest'ultimo gruppo e si distingue ancora, perché quasi sempre è pronunciato differenze esterne.
I metodi moderni consentono di identificare le patologie congenite nelle prime fasi dello sviluppo: è allora che compaiono le anomalie del cariotipo. Molto spesso, si verificano violazioni durante la produzione di cellule germinali dei genitori: l'ematogenesi. Ciò comporta cambiamenti patologici nella struttura dello zigote, quindi in tutte le cellule embrionali e successivamente nell'organismo in via di sviluppo.
I cariotipi di una donna e di un uomo conferiscono al bambino un insieme di tratti ereditari, che consistono nel colore della pelle, capelli, occhi, altezza, caratteristiche della voce, ecc. Sfortunatamente, una predisposizione a una serie di malattie croniche può essere trasmessa anche dal genitori al bambino:
Questo è un elenco incompleto di disturbi, il cui rischio può essere incorporato nel cariotipo del bambino. Tuttavia, in questo caso, i medici parlano solo di una probabilità del 22-50% di ammalarsi. Il giusto stile di vita e l'atteggiamento attento alla propria salute aiuteranno a "bypassare" l'ereditarietà ed evitare diagnosi spiacevoli.
In caso contrario, si verifica una situazione in cui il materiale genetico del padre, della madre o di entrambi i genitori è direttamente interessato da patologie. Senza alcuna manifestazione clinica, le anomalie del cariotipo, le violazioni della struttura e delle funzioni dei cromosomi minacciano di conseguenze molto tristi:
In una serie di malattie ereditarie, le patologie cromosomiche sono assegnate a uno dei posti principali. La maggior parte delle anomalie sono incompatibili con la vita nel periodo postnatale. Pertanto, se l'embrione ha un cariotipo "distorto", la cui struttura e le cui funzioni sono significativamente compromesse, molto probabilmente, nel 7-14esimo giorno di sviluppo, si verificherà l'eliminazione naturale - rimozione dal corpo della madre.
Un'altra parte di questi embrioni sta aspettando il destino di aborti precoci. Il tasso di sopravvivenza di un feto con cromosomi danneggiati varia in base a vari dati da 0,5 a 2. In questo caso, nasce un bambino con un cariotipo anormale, i cui segni possono essere rilevati immediatamente dopo la nascita. Molto spesso stiamo parlando delle seguenti malattie cromosomiche:
Secondo le statistiche, i bambini nati con anomalie genetiche costituiscono circa l'1% di tutti i bambini. Tuttavia, oggi sono note più di 700 malattie associate a una violazione del cariotipo normale, di cui oltre il 46% è associato a un cambiamento patologico nei cromosomi responsabili del sesso. A causa di deviazioni nella struttura o nel numero di componenti autosomiche, si verifica circa il 25% delle anomalie. Poco più del 10 percento dei disturbi appare a causa di cambiamenti strutturali:
Le malattie causate da violazioni del cariotipo del bambino portano alla comparsa di segni esterni caratteristico di una particolare malattia. Potrebbe trattarsi di una faccia piatta, deformazione dei padiglioni auricolari, pigmentazione della pelle in eccesso e altre proprietà pronunciate. Ci sono anomalie nella struttura dello scheletro, così come malattie degli organi interni: difetti nel sistema cardiovascolare, reni. In alcuni casi, sebbene non in tutto, le patologie cromosomiche sono accompagnate da ritardo mentale.
L'aspettativa di vita dipende dalla specifica anomalia genetica. Molto spesso, i bambini con un cariotipo danneggiato muoiono nei primi anni o addirittura mesi di vita. Tuttavia, ad esempio, i pazienti con sindrome di Orbeli spesso superano i 40 anni.
I risultati scientifici nel campo della medicina e della genetica consentono di analizzare accuratamente il set cromosomico di una persona per le deviazioni. Ciò è indispensabile sia per la cura dell'infertilità che per aiutare un bambino nato con patologie genetiche. Per scoprire cosa mostra il cariotipo, gli esperti raccomandano vivamente nei seguenti casi:
Il cariotipo è studiato con i metodi della citogenetica. Lo studio può essere prenatale quando si tratta dell'insieme dei cromosomi fetali e del biomateriale di un bambino o di un paziente adulto.
Per analizzare il cariotipo di una donna, un uomo o un bambino, i cromosomi vengono utilizzati nella fase metafase della mitosi. In questa fase di divisione, sono facili da osservare. Il materiale è ottenuto dai linfociti: la fonte è il sangue periferico. A volte viene prelevata una coltura primaria di fibroblasti cutanei o cellule del midollo osseo.
Dopo aver preso il materiale, procedono a tre fasi di laboratorio della ricerca citogenetica. Il primo è chiamato coltura cellulare:
La seconda fase dell'analisi del cariotipo dell'organismo è la colorazione del materiale. Sulla base del tipo di ristrutturazione o di altre violazioni che si prevede vengano individuate durante lo studio, è possibile scegliere una metodologia diversa:
Nella terza fase dell'analisi del cariotipo di un bambino o di un adulto, i preparati colorati vengono esaminati utilizzando un microscopio ottico. Per un lavoro efficace e la fiducia in presenza o assenza di anomalie genetiche specifiche, è necessario studiare almeno 30 campioni. Se si sospettano forme a mosaico di patologie, il numero di lastre analizzate aumenta. In questo caso, vengono prelevati non solo i linfociti, ma anche le cellule dei tessuti.
Qualche anno fa lo studio del cariotipo, della sua struttura e delle sue funzioni era prescritto solo per l'infertilità e solo quando tutte le altre analisi erano già state fatte e non davano risultati. Oggi gli scienziati hanno scoperto che un'anomalia genetica può essere la causa della malattia in combinazione con altre cause, rafforzarle e provocare lo sviluppo della malattia. Pertanto, oggi nelle istituzioni mediche avanzate è obbligatorio scoprire cosa mostra il cariotipo: l'analisi viene eseguita nell'ambito di un esame completo.
La clinica NGC è diventata pioniera nell'applicazione di un metodo rivoluzionario di cariotipizzazione. Gli specialisti del Center for Genetics and Reproduction utilizzano la diagnosi genetica preimpianto (PGD), che riconosce le deviazioni nel set cromosomico dell'embrione con una precisione del 99,9%.
Questo metodo di analisi del cariotipo umano è efficace durante la procedura di fecondazione in vitro. Dopotutto, lontano da qualsiasi impianto di un embrione nel grembo di un biologico o madre surrogata si è conclusa con una gravidanza di successo. Ora la probabilità di un risultato positivo tanto atteso è stata aumentata al 74%. Ciò si ottiene eliminando gli embrioni non vitali. Il numero di procedure di fecondazione in vitro che non hanno avuto effetto è significativamente ridotto. in cui:
La tecnologia NGS per lo studio del cariotipo di un organismo nella fase pre-impianto è stata una delle prime ad essere introdotte dalla clinica NGC in Russia e nella CSI. Gli specialisti dell'istituto utilizzano il metodo dal 2015. I pazienti possono sfruttare nuove opportunità grazie all'elevata professionalità dei medici e all'esclusivo sequencer MiSeqDx, che è stato registrato presso la FDA.
Allo stato attuale, il danno al cariotipo di un uomo o di una donna ha cessato di essere un ostacolo insormontabile all'educazione del proprio figlio. Vengono in aiuto ultimi risultati: utilizzo del materiale del donatore, nonché un programma di maternità surrogata.
Oggi la clinica NGC offre:
Il principio fondamentale del nostro lavoro è garantire il massimo risultato e un futuro sano per i genitori e un bambino che apparirà sicuramente, se ci credi.
Introduzione ................................................. ................................................ .. uno
Capitolo 1. Cromosomi mitotici .................................................. .. .............. 2
Capitolo 2. I cromosomi meiotici ............................................. ................... 5
Capitolo 3. Metodo citogenetico ................................................. .. ............... 13
Capitolo 4. La cromatina sessuale ................................................ ................................. venti
Capitolo 5. Mosaicismo ................................................ ................................................... 23
Una delle questioni chiave della genetica umana è la questione della struttura e del funzionamento delle basi materiali dell'eredità. Le informazioni su ciascuno dei tre livelli di organizzazione delle strutture ereditarie (genetica, cromosomica, genomica) si sono accumulate negli ultimi anni con sorprendente velocità e si può sperare che non sia lontano il tempo in cui sarà possibile ottenere un quadro abbastanza completo dell'eredità umana redatto. Anche ora, su questo tema, una persona può essere attribuita al numero degli oggetti meglio studiati insieme a Drosophila, topi e mais.
Per una corretta comprensione del significato dell'ereditarietà nella patologia umana, è necessario disporre di informazioni dettagliate su tre sezioni parzialmente interconnesse:
1) in base alla struttura morfologica e chimica dei cromosomi e del cariotipo nel suo insieme; 2) secondo tratti discreti di una persona controllata da singoli geni (“inventario” di unità di variabilità ereditaria); 3) secondo l'"architettura" dei geni nei cromosomi (legame dei geni e mappe dei cromosomi). Per ciascuna di queste sezioni sono stati accumulati molti dati e il loro intenso sviluppo continua sia negli aspetti teorici che applicativi (clinici).
I principi e le sezioni principali della citogenetica generale si sono formati durante gli anni '20 e '30 principalmente grazie agli studi effettuati sulla Drosophila e alcune piante. La citogepetica dell'uomo e dei mammiferi, che occupa un posto di primo piano nella moderna citogenetica, si è sviluppata in seguito, principalmente a causa di difficoltà metodologiche.
La storia dello sviluppo della citogenetica umana può essere suddivisa in tre periodi. Il primo copre il periodo che va dal secolo scorso alla metà degli anni '50 ed è oggi di interesse prettamente storico. Questi erano la ricerca di approcci metodologici per ottenere preparazioni di cromosomi umani da parte dei citologi dell'epoca, notevoli per la loro perseveranza e diligenza (AG Andres, 1934). Sebbene i nostri citogenetici A. G. Andres e M. S. Navashin abbiano descritto correttamente le prime 10 paia di grandi cromosomi, anche il numero totale di cromosomi nelle cellule umane non è stato stabilito in modo affidabile. Anche la loro morfologia è rimasta sconosciuta.
Il secondo periodo, iniziato dal lavoro di Tjio e Levan nel 1956, è stato caratterizzato dall'emergere e dal rapido sviluppo della moderna citogenetica umana. Abbastanza rapidamente sono stati sviluppati tutti i principali metodi metodologici di analisi cromosomica, sono state ottenute informazioni fondamentali sul cariotipo umano, sulle caratteristiche principali della struttura e del funzionamento dei suoi cromosomi normali. Fu durante questo periodo che nacque la citogenetica medica, che aprì una nuova area della patologia umana, a causa di un cambiamento nel numero o nella struttura dei cromosomi.
Il terzo periodo nello sviluppo della citogenetica umana iniziò negli anni '70. Può essere giustamente considerato l'inizio della fase moderna nello sviluppo della scienza dei fondamenti citologici dell'eredità umana. Numerose innovazioni metodologiche hanno assicurato il passaggio della citogenetica a un livello qualitativamente nuovo. È stata realizzata la possibilità di studiare l'individualità dei cromosomi umani e persino dei loro segmenti. Ciò ha immediatamente innalzato la citogenetica medica a un nuovo livello. È diventato possibile studiare in modo completo la morfologia, la funzione, le caratteristiche chimiche della struttura e l'organizzazione supramolecolare dei cromosomi umani. Lo sviluppo negli stessi anni di metodi per la mappatura genetica dei cromosomi umani ha assicurato la soluzione del problema più difficile: la creazione di mappe genetiche dei cromosomi.
Pertanto, la moderna citogenetica umana è ricca di materiale fattuale, un'area ramificata e indipendente della genetica umana. Allo stato attuale, il problema di identificare tutti gli elementi del cariotipo umano nell'analisi allo stadio della mitosi è stato risolto sulla base dell'uso di colorazioni cromosomiche differenziali.
I cromosomi come singole strutture diventano disponibili per la ricerca dopo un significativo accorciamento e ispessimento, che sperimentano durante la preparazione della cellula per la divisione. Per le cellule somatiche, questa divisione è la mitosi, per le cellule generative prima la mitosi e poi la meiosi.
Le informazioni di base sul set cromosomico umano nel suo insieme e sui singoli cromosomi sono state ottenute come risultato dello studio dei cromosomi nella metafase della mitosi. In questa fase della mitosi, si vede chiaramente che l'insieme diploide dei cromosomi umani è costituito da 46 elementi: 22 coppie di autosomi e una coppia di cromosomi sessuali (XX nelle donne e XY negli uomini). Sulle preparazioni colorate standard, la forma dei cromosomi in metafase è determinata dalla posizione della costrizione primaria, che si forma a causa della decondensazione della regione centromerica funzionante in metafase. Ulteriori costrizioni, chiamate costrizioni secondarie, possono esistere sui singoli cromosomi. Nel caso di localizzazione di tale costrizione all'estremità del cromosoma, il segmento distale del cromosoma separato da esso è chiamato satellite.
In termini di forma e dimensioni complessive, tutti gli autosomi umani sono facilmente divisi in 7 gruppi, indicati con lettere latine dalla A alla G (Fig. 8). Inoltre, tutti gli autosomi sono numerati in ordine decrescente di lunghezza totale (da 1 a 22).
La lunghezza dello stesso cromosoma in mitosi varia considerevolmente, poiché il processo di condensazione naturale del cromosoma continua allo stadio metafase, che è notevolmente potenziato dalla colchicina. Pertanto, un indicatore della lunghezza relativa piuttosto che assoluta del cromosoma serve per l'identificazione. Tuttavia, la sua affidabilità è limitata dal fatto che i cromosomi hanno lunghezze diverse e, in un dato cromosoma, bracci di dimensioni diverse si contraggono in modo diverso: quelli più corti sono più veloci di quelli più corti. Ciò non influisce sulle caratteristiche del gruppo di cui sopra, ma impedisce l'identificazione di cromosomi vicini per dimensioni e forma all'interno dei gruppi. Le difficoltà nell'identificazione individuale dei cromosomi sono anche aggravate dal fatto che la condensazione differenziale può avvenire anche tra cromosomi omologhi, causando eteromorfismo omologo. Allo stato attuale, la necessità di utilizzare il metodo della morfometria e dei parametri lineari del cromosoma determinati con il suo aiuto è di fatto scomparsa a causa dell'introduzione nella pratica dell'analisi cromosomica della colorazione differenziale dei cromosomi.
L'analisi delle costrizioni secondarie spontanee, comprese quelle satelliti, non facilita in modo significativo il riconoscimento dei singoli cromosomi. Con il loro aiuto, l'autosoma 9 può essere identificato più regolarmente, che spesso presenta una costrizione significativa nella regione pericentromerica del braccio lungo. Tutti e dieci i cromosomi acrocentrici umani hanno una costrizione satellitare; i cromosomi aD o G non differiscono in questo tratto all'interno dei gruppi.
L'omogeneità morfologica della lunghezza del cromosoma, come emerge dallo studio microscopico dei cromosomi in metafase su preparati preparati e colorati di routine, risulta infatti fuorviante. Il progresso metodologico nella citogenetica dell'uomo e degli eucarioti superiori in generale, avvenuto negli ultimi 15-20 anni, ha portato alla scoperta di una profonda differenziazione lineare del cromosoma in relazione sia alla struttura che alla funzione. Questa differenziazione, che è individuale per ciascun cromosoma, è relativamente facile da rilevare nella metafase della mitosi. Per questo motivo, nella moderna citogenetica umana è possibile identificare tutti i cromosomi non per caratteristiche separate e casuali, ma per gli aspetti essenziali della loro organizzazione strutturale e funzionale. Nella pratica dell'analisi citogenetica, a questo scopo, vengono studiate la condensazione differenziale dei cromosomi, la cronologia della replicazione del DNA nei cromosomi o la colorazione differenziale dei cromosomi (AF Zakharov, 1977).
La condensazione differenziale dei segmenti cromosomici è una delle sue caratteristiche essenziali, più pienamente espressa nel nucleo interfase. In condizioni naturali del decorso della mitosi, le regioni cromosomiche che differiscono nettamente nel grado di condensazione durante il periodo di interfase sembrano quasi le stesse nella metafase. Solo con metodi speciali di microscopia ottica o elettronica è possibile rilevare una struttura lineare disomogenea di una metafase apparentemente omogenea
cromosomi (Bahr e Larsen, 1974). L'allineamento dei cicli di condensazione in diverse parti dei cromosomi può essere inibito artificialmente. A tale scopo, viene utilizzata con successo in particolare la 5-bromodeossiuridina (A. F. Zakharov, 1973, 1977;
Dutrillaux e Lejeune 1975). In presenza di questa sostanza, i cromosomi entrano in metafase compattati in modo non uniforme lungo la loro lunghezza. Come risultato di uno studio approfondito della loro morfologia, è stato dimostrato che ogni cromosoma umano ha un'alternanza strettamente costante e specifica di regioni normalmente e debolmente condensate e può essere identificato da questa caratteristica.
L'asincronia intracromosomica della replicazione del DNA è la seconda caratteristica più importante dell'eterogeneità lineare del cromosoma, che può essere rilevata nella metafase della mitosi. Per un decennio e mezzo, questa caratteristica dell'organizzazione cromosomica è stata disponibile per lo studio con il metodo dell'autografia cromosomica (sotto la direzione di A. A. Prokofieva-Belgovskaya, 1969; A. F. Zakharov, 1977; Giannelli, 1970, 1974). Sulla base di questo metodo, sono stati rivelati i modelli fondamentali di riproduzione dei cromosomi umani, tra i quali l'asincronia della riproduzione di diverse parti del cromosoma, la costanza e la specificità dell'ordine di riproduzione per un dato cromosoma sono le più importanti. Tuttavia, l'identificazione dei singoli cromosomi è stata meno avanzata dell'autoradiografia del previsto. Sugli autografi, è inoltre possibile distinguere gli autosomi 4 e 5, 13, 14 e 15, 17 e 18. Nelle cellule femminili, uno dei due cromosomi X differisce all'inizio e alla fine tardiva della sintesi del DNA. Nonostante i dati limitati ottenuti dall'autoradiografia, questa tecnica si è rivelata estremamente utile per migliorare l'identificazione di anomalie di questi cromosomi e ha aiutato nell'identificazione di diverse nuove sindromi indipendenti nella patologia cromosomica.
Sono normali progressi significativi nello studio della sequenza di sintesi del DNA lungo la lunghezza di ciascun cromosoma umano, la sua relazione con altre caratteristiche dell'organizzazione cromosomica, il suo stato in caso di cambiamenti numerici o strutturali nell'insieme cromosomico è attualmente in corso a causa di l'uso dell'analogo della timidina come precursore della sintesi del DNA - 5-bromodeossiuridina. La capacità indebolita di colorare le regioni cromosomiche che includevano questo precursore ha fornito ai citogenetisti un metodo accurato per studiare la cronologia della riproduzione cromosomica, le cui possibilità sono limitate solo dalla risoluzione della microscopia ottica. La struttura di replicazione di tutti i cromosomi umani è rivelata con la massima chiarezza e può essere descritta in termini morfologici chiari.
Ogni cromosoma è costituito da regioni che si replicano in momenti diversi. Vi è una chiara alternanza di aree con replicazione precoce e tardiva. Sul cromosoma metafase
tali aree sono chiaramente visibili al microscopio ottico. La specificità della struttura di replicazione di ciascun cromosoma consiste nella dimensione individuale, nel numero e nella disposizione reciproca delle diverse regioni cromosomiche (Fig. 9).
In contrasto con i due fenomeni di cui sopra di colorazione irregolare dei cromosomi lungo la lunghezza causata dall'inclusione della 5-bromodeossiuridina nel DNA, la colorazione differenziale dei cromosomi significa la capacità di colorare selettivamente lungo la lunghezza di un cromosoma che non è stato modificato in vivo da eventuali influenze. La colorazione differenziale dei cromosomi in questo caso è fornita da effetti di sale temperatura relativamente semplici su un cromosoma fisso.
È importante notare che con tutta la varietà di tali trattamenti di preparazioni cromosomiche dopo la fissazione e con i coloranti fluorocromici o non fluorescenti applicati, l'eterogeneità lineare rilevata del cromosoma è sempre la stessa. Il suo schema cambia solo a seconda del grado di compattazione del cromosoma: nei cromosomi più lunghi e più deboli, diventa evidente un'ulteriore eterogeneità di quei segmenti, che sembravano macchiati in modo omogeneo nei cromosomi altamente condensati. La colorazione differenziale può essere osservata lungo l'intera lunghezza del cromosoma (segmenti Q, G e R) o nella sua regione centromerica (segmenti C).
L'idea più chiara del modello di colorazione differenziale dei cromosomi lungo l'intera lunghezza può essere ottenuta colorando i preparati secondo il metodo G usando la colorazione di Giemsa (Fig. 10). Su tali preparazioni, i cromosomi sembrano segmenti striati incrociati e di colore diverso ("banding"). Il modello di ogni coppia di cromosomi è specifico per esso. I segmenti non hanno le stesse dimensioni. Nei piccoli cromosomi dei gruppi F e G, il modello è formato da singoli segmenti, nei grandi cromosomi ce ne sono molti. Il numero totale di segmenti colorati e non colorati in un normale set cromosomico di grado medio di condensazione, secondo la nomenclatura parigina, è 322. Nei cromosomi prometafase, il loro numero aumenta a 1000 o più.
Alla conferenza di Parigi sulla nomenclatura nella citogenetica umana, è stato sviluppato un sistema per designare segmenti di cromosomi normali e cromosomi che hanno subito vari riarrangiamenti strutturali ed è ora entrato nella pratica dell'analisi citogenetica (ParisConference, 1971). Sulla fig. 11 mostra un esempio di questo sistema per l'autosoma 1.
Indipendentemente da come viene risolta la questione della natura della colorazione differenziale dei cromosomi, le mappe citologiche basate su questo fenomeno sono di eccezionale importanza per lo sviluppo della citogenetica umana. Con il loro aiuto, è possibile attribuire marcatori genetici non solo all'uno o all'altro braccio cromosomico, ma a una determinata regione del cromosoma. Nella citogenetica medica, è diventato possibile identificare l'origine dei cromosomi anormali fino alla descrizione esatta delle regioni.
Il secondo tipo di colorazione differenziale dei cromosomi rivela la specificità delle regioni pericentromeriche nei cromosomi umani. In diversi cromosomi, le dimensioni dei segmenti C sono diverse, sono particolarmente grandi negli autosomi 1, 9 e 16. Tuttavia, non è possibile identificare cromosomi simili per dimensioni e forma con questo colore. Nel cromosoma Y, la cromatina C è localizzata nella parte distale del braccio lungo. Nello stesso cromosoma in individui diversi, il suo contenuto può variare.
La meiosi combina una serie di diversi processi mediante i quali le cellule germinali primarie si differenziano in cellule germinali mature. All'inizio di questa serie, gli spermatogoni (oogonia) si trasformano in spermatociti primari (ovociti). L'evento centrale è la prima divisione meiotica dello spermatocita (ovocita), durante la quale i cromosomi subiscono trasformazioni specifiche particolarmente complesse durante il periodo della profase. La prima profase meiotica si divide, come è noto, in cinque stadi: leptotene, zigotene, pachitene, diploten e diacinesi. A differenza della mitosi, la cui profase non è praticamente utilizzata nell'analisi citogenetica, i cromosomi profase della prima divisione meiotica sono di grande interesse per la citogenetica umana. I cromosomi in metafase della prima divisione meiotica, che sono bivalenti dei cromosomi omologhi, sono strutture meno differenziate rispetto ai cromosomi mitotici in metafase. I cromosomi della seconda divisione meiotica non sono quasi mai usati nella citogenetica umana.
Il decorso della meiosi negli organismi maschili e femminili differisce significativamente sotto diversi aspetti: il periodo dell'ontogenesi, la durata delle singole fasi e la morfologia delle trasformazioni mitotiche.
Negli uomini, le divisioni meiotiche iniziano alla pubertà e procedono continuamente durante l'intero successivo stato sessualmente maturo. Questo processo, a differenza della meiosi femminile, non è ciclico. Un gran numero di gameti matura contemporaneamente nei testicoli, quindi le gonadi di un maschio sessualmente maturo possono fungere da fonte di cellule che si dividono meioticamente in qualsiasi momento. Sulle preparazioni cromosomiche è possibile vedere contemporaneamente varie figure meiotiche, dalle metafasi spermatogoniali alle metafasi della seconda divisione meiotica. La durata della trasformazione da spermatogoni a spermatozoi dura circa 8-9 settimane. La durata delle singole fasi è molto diversa, quindi cellule di fasi diverse si verificano con frequenza disuguale. Gli stadi del pachitene e della diacinesia, che sono più importanti per l'analisi citogenetica, sono solitamente rappresentati da un numero sufficiente di cellule.
Nel corpo femminile, la meiosi si verifica in due fasi, separate da un ampio periodo di tempo. Il primo stadio, che comprende la formazione dell'oogonia e il passaggio della prima divisione meiotica, avviene nelle ovaie embrionali. Al momento della nascita della ragazza nelle ovaie, tutti gli oogonia sono differenziati in ovociti e questi ultimi hanno superato gli stadi di leptotene - pachitene e si sono fermati allo stadio di diplotene. Rimanere in questa fase, chiamata dictyoten, continua per tutto il periodo postnatale della vita di una donna. Il successivo sviluppo della cellula dallo stadio di dictyoten in un uovo maturo avviene ciclicamente, una cellula al mese, e termina con l'ovulazione. Quanto sopra spiega perché le prime fasi della prima divisione meiotica in una donna possono essere analizzate solo nel primo periodo embrionale e le fasi successive non sono disponibili per lo studio in condizioni normali.
Le informazioni di base sull'organizzazione dei cromosomi meiotici umani sono state ottenute dallo studio delle cellule del testicolo. Si possono distinguere i seguenti aspetti di questi studi.
Analisi della struttura lineare dei singoli cromosomi. Una caratteristica della struttura dei cromosomi meiotici, espressa principalmente nelle prime fasi della profase della meiosi, è la loro struttura cromomerica (Fig. 12). Dai dati sulla citologia dei cromosomi meiotici di alcune specie vegetali, l'individualità della struttura cromomerica di ciascun cromosoma è ben nota (Cytology and Genetics of Meiosis di V. V. Khvostova e Yu. V. Bogdanov, 1975). Sfortunatamente, i singoli bivalenti nel set cromosomico umano, sia maschili che femminili, possono essere distinti solo nel pachitene tardivo, quando sono significativamente ridotti e la cromomericità della loro struttura è significativamente persa. Tuttavia, a seguito di numerosi tentativi di analisi pachitica dei cromosomi, sono stati ottenuti i primi dati sulla morfologia dei bivalenti di acrocentrici e alcuni altri cromosomi (sotto la direzione di A. A. Prokofieva-Belgovskaya, 1969; Hungeriord, 1973).
Nell'identificazione dei pachitene bivalenti, i metodi C e Q di colorazione differenziale sono stati applicati con un certo successo (Goetz, 1975). È stato trovato un pieno accordo tra i modelli di colorazione G e la struttura cromomerica dei cromosomi pachitenici, nonché tra i modelli di cromosomi meiotici e mitotici colorati con il metodo G (Lucianie. a., 1975).
Coniugazione cromosomica e formazione di chiasmi. Lo studio della diacinesia - metafase I della meiosi nelle cellule maschili ha mostrato che la coniugazione omologa è obbligatoria per tutti i cromosomi umani, compresi quelli corti. Nell'uno o nell'altro bivalente ci sono da 1 a 6 chiasmi; secondo diversi autori, il loro numero totale per set di cromosomi varia da 35 a 66 (Ford, 1973). È stato possibile analizzare la distribuzione dei chiasmi nei singoli bivalenti dopo che ciascun bivalente poteva essere identificato sulla base della colorazione sequenziale utilizzando le tecniche Q e C (Hulten, 1974). Secondo Hulten (1974), la frequenza media dei chiasmi nei singoli autosomi è proporzionale alla lunghezza del cromosoma. Non è influenzato da anomalie numeriche o strutturali in altri cromosomi. Apparentemente, i chiasmi si formano in alcune regioni di ciascun cromosoma. Il chiarimento del numero e della localizzazione dei chiasmi in ciascun cromosoma è importante nella loro mappatura genetica.
Identificazione di anomalie cromosomiche. Il fenomeno della coniugazione dei cromosomi omologhi nella meiosi viene utilizzato per identificare molti riarrangiamenti cromosomici che interessano la struttura lineare del cromosoma. Delezioni, inserimenti, inversioni, traslocazioni reciproche, duplicazioni portano ad un cambiamento nella configurazione del bivalente. Sorgono univalenti, trivalenti, ecc.. In combinazione con l'analisi dei cromosomi mitotici, lo studio della morfologia dei cromosomi meiotici nel pachitene, nella diacinesia e nella metafase I è stato ripetutamente condotto in caso di cambiamenti numerici o strutturali negli autosomi, nei cromosomi sessuali negli uomini con infertilità (A. A. Prokofieva -Belgovskaya e V.K. Bordzhadze, 1971; Kjessler, 1966; Hulten, 1974, ecc.). L'organizzazione submicroscopica o supramolecolare dell'apparato cromosomico è stata studiata in modo abbastanza insufficiente. Mentre sono state ora accumulate ampie informazioni sulla struttura del cromosoma a livello di microscopia ottica e sulla struttura molecolare del materiale ereditario, i passaggi intermedi nell'organizzazione ultrastrutturale del cromosoma rimangono in gran parte sconosciuti. Finora non ci sono prerequisiti effettivi per sollevare la questione delle possibili specificità dell'organizzazione ultrastrutturale dell'apparato genetico umano.
Le informazioni più preziose sulla struttura fine dei cromosomi funzionanti sono arrivate dallo studio dei cromosomi politenici, che sono un modello specifico ma naturale dei cromosomi del nucleo interfase nelle cellule ditteri, e dei cromosomi "lampbrush" che si trovano negli ovociti anfibi in cellule meiotiche profase I. Le grandi dimensioni di questi cromosomi hanno permesso di effettuare il loro attento studio al microscopio ottico. Come risultato di questi studi, sono state formulate disposizioni ritenute fondamentali per l'organizzazione dei cromosomi eucariotici nel loro insieme (I. I. Kiknadze, 1972).
Nel nucleo interfase, le regioni cromosomiche corrispondenti all'eucromatina hanno una struttura cromomerica. Ogni cromomero è un'unità strutturale e funzionale del cromosoma come organello differenziato longitudinalmente. La trascrizione differenziale di queste unità è strutturalmente fornita dalla decondensazione della deossiribonucleoproteina in essa contenuta, che è espressa sotto forma di soffi nei cromosomi di politene o di anse nei cromosomi a spazzola.
Il metodo per studiare la struttura fine dei nuclei interfase che non hanno cromosomi politenici, così come i cromosomi metafase, è la microscopia elettronica (Yu. S. Chentsov, V. Yu. Polyakov, 1974). Sfortunatamente, sulla base dei risultati ottenuti con questo metodo, non è stato ancora possibile formare un quadro completo dell'ultrastruttura del nucleo interfase. Su modelli di diffrazione elettronica di sezioni ultrasottili, la principale unità morfologica rilevabile è un filo in diverse sezioni con un diametro di 10 nm o meno. Sulle preparazioni di cromatina sparse sulla superficie del menisco dell'acqua, si trovano filamenti estesi di circa 23-25 nm di diametro.
Nonostante i numerosi studi sui cromosomi mitotici o meiotici, i dati sulla loro ultrastruttura, che permetterebbero di creare un modello coerente per il confezionamento di un filamento cromosomico elementare durante la divisione cellulare, rimangono scarsi. Le maggiori informazioni sono state ottenute sull'ultrastruttura delle regioni specializzate dei cromosomi: la regione centromerica, il nucleolo, il complesso sinaptonemico nei cromosomi meiotici. Per la loro identificazione sono stati utilizzati dati di microscopia elettronica di interi cromosomi isolati, con particolare attenzione ai cromosomi metafase umani (Bahr e Larsen, 1974). Questo metodo ha permesso di rilevare una densità di impaccamento irregolare dei filamenti cromosomici elementari lungo la lunghezza dei cromosomi e il modello di questa irregolarità si è rivelato coincidere con la differenziazione lineare della struttura cromosomica, rilevata al microscopio ottico. Le fibrille elementari sui modelli di diffrazione elettronica di cromosomi interi diffusi hanno una dimensione di circa 25-30 nm. Uno studio biochimico di tali fibrille e calcoli corrispondenti danno motivo di concludere che le molecole nucleoproteiche in esse contenute sono in uno stato supertwisted e che, oltre agli istoni, le fibrille contengono altre proteine.
Una copertura sufficientemente completa dei problemi della genetica molecolare e dell'organizzazione cromosomica in numerose monografie e manuali speciali (S. E. Bresler, 1973; I. P. Ashmarin, 1974; G. Stent, 1974, ecc.) elimina la necessità di una considerazione dettagliata di questi problemi in questo prenotare. Un aspetto molecolare relativamente nuovo dell'organizzazione cromosomica è emerso in connessione con lo sviluppo di metodi per frazionare il DNA totale del genoma mediante la frequenza di sequenze nucleotidiche simili e metodi per ibridare acidi nucleici su preparazioni cromosomiche. Questi metodi hanno aperto la possibilità di chiarire la localizzazione di diverse frazioni di DNA nel set cromosomico. Importanti scoperte fatte in questo nuovo campo, confine tra genetica molecolare e citologica, sono state: a) la scoperta nel genoma eucariotico, oltre al DNA con sequenze uniche, di una grande proporzione di DNA con sequenze nucleotidiche uguali o simili, ripetute molte centinaia e migliaia di volte (G. P. Georgiev, 1973; S. A. Limborskaya, 1975); b) rilevamento della localizzazione diseguale del DNA con caratteristiche diverse nell'insieme cromosomico: il DNA con il maggior numero di sequenze ripetitive è localizzato nelle regioni eterocromatiche dei cromosomi.
Ad oggi, il frazionamento del DNA e la determinazione della localizzazione cromosomica delle frazioni sono stati effettuati su molti tipi di organismi. Ogni specie è caratterizzata dalla sua specifica struttura del genoma in relazione alla composizione del DNA e dalle specificità della loro distribuzione sui cromosomi dell'insieme. Molti lavori in questa direzione sono stati eseguiti su cellule umane. I risultati ottenuti in essi sono riassunti da AF Zakharov (1977) e Jones (1973).
Il DNA del genoma umano può essere frazionato in DNA con copie uniche (circa il 64%) e DNA con sequenze ripetitive. Secondo il tasso di rinaturazione, che riflette la ripetibilità delle sequenze nucleotidiche, l'ultima frazione può essere suddivisa in DNA con un basso (13,4%), intermedio (12,3%) e alto (10,3%) tasso di rinaturazione delle molecole di DNA. Pertanto, circa il 10% di tutto il DNA nel genoma umano ha un alto tasso di ripetizione di sequenze identiche.
Utilizzando l'ultracentrifugazione a gradiente, almeno quattro tipi di cosiddetti DNA satellite sono stati isolati da un gruppo di DNA altamente ripetitivi. Oltre a questi tipi di DNA, in esperimenti di ibridazione DNA-RNA, è stata studiata la localizzazione cromosomica del DNA che codifica per la sintesi degli RNA ribosomiali 5S, 18S e 28S. Attualmente, la distribuzione dei diversi tipi di DNA nei cromosomi umani è la seguente.
Il DNA con ripetibilità bassa e intermedia delle copie nucleotidiche si trova in tutti i cromosomi ed è localizzato lungo l'intera lunghezza delle loro braccia.
Il DNA con un'alta frequenza di copie nucleotidiche si trova principalmente nelle regioni pericentromeriche e parzialmente telomeriche. I singoli DNA satellite sono distribuiti in modo non uniforme in diversi cromosomi. Pertanto, il cromosoma Y è particolarmente ricco di DNA satellite I e IV, i cromosomi 1 e 16 contengono il DNA più satellite II e il cromosoma 9 - III. Il DNA ribosomiale 18S e 28S è contenuto quasi esclusivamente nelle braccia corte di tutti i 10 cromosomi acrocentrici. La parte distale del braccio lungo dell'autosoma 1 è un sito preferito per i pistroni che codificano per l'RNA 5S. È possibile che il metodo di ibridazione in situ DNA-RNA sia in grado di mappare non solo loci poligenici, ma anche geni strutturali che vengono ripetuti un piccolo numero di volte (Rotterdam. Conference, 1974).
Le due caratteristiche più importanti dell'organizzazione genetica degli eucarioti - l'attività differenziale dei geni strutturali e gran parte dei geni che regolano questo processo - devono basarsi sulla corrispondente organizzazione strutturale del cromosoma. Decenni di duro lavoro da parte dei citogenetisti ci hanno portato oggi molto più vicini alla comprensione di come la struttura e la funzione interagiscono nel cromosoma, come il cromosoma svolga il suo complesso ruolo di integrazione del sistema genico.
La prima caratteristica fondamentale dell'organizzazione strutturale e funzionale del cromosoma è l'esistenza di due diversi tipi funzionali di materiale cromosomico: l'eucromatina e l'eterocromatina, la cui principale differenza risiede nell'attività trascrizionale.
La mancanza di attività genetica nell'eterocromatina è dovuta o alla sua mancanza di geni strutturali (eterocromatina strutturale) o all'esclusione temporanea della regione cromosomica che porta tali geni dalla trascrizione genetica (eterocromatina facoltativa, eterocromatinizzazione).
La seconda caratteristica più importante dell'organizzazione cromosomica è la dissezione lineare del cromosoma in sezioni costituite da diversi tipi di cromatina. Ogni cromosoma si distingue per la sua disposizione unica di regioni etero ed eucromatiche.
La suddivisione della cromatina secondo il significato genetico ben correla con la differenza nei tipi di cromatina e secondo una serie di altre caratteristiche: lo stato di condensazione nel nucleo interfase e la cronologia di condensazione nel ciclo mitotico e meiotico; tempo di replicazione del DNA;
in relazione alla colorazione con fluorocromi o coloranti non fluorescenti; sensibilità all'effetto dannoso di mutageni chimici; caratteristiche chimiche del DNA e, a quanto pare, delle proteine che compongono la cromatina; manifestazioni fenotipiche dei riarrangiamenti cromosomici. L'eterocromatina è caratterizzata da uno stato condensato nel nucleo interfase, una condensazione avanzata nella profase della mitosi e della meiosi e la capacità di rimanere indietro nella condensazione spontaneamente o sotto l'influenza di determinate influenze nella metafase della mitosi. Rispetto all'eucromatina, le regioni eterocromatiche dei cromosomi vengono riprodotte nei segmenti successivi del periodo S. Con la colorazione differenziale secondo il metodo G e C, i segmenti eterocromatici mantengono la capacità di macchiare (segmenti G) e persino colorare intensamente (segmenti C). In citogenetica è ben nota la distribuzione irregolare lungo la lunghezza del cromosoma del suo danno strutturale indotto da sostanze mutagene: sono le regioni dell'eterocromatina che sono caratterizzate da un aumento del danno. Il DNA con sequenze nucleotidiche ripetute ripetutamente è caratteristico dell'eterocromatina. A differenza dell'eucromatina, che contiene geni unici, uno squilibrio in cui influisce negativamente sul fenotipo di un organismo, i cambiamenti nella quantità di eterocromatina non influenzano o influiscono significativamente meno sullo sviluppo dei tratti dell'organismo.
L'interconnessione di varie caratteristiche strutturali e funzionali del cromosoma è la terza caratteristica fondamentale dell'organizzazione cromosomica. La questione delle relazioni di causa ed effetto nel noto complesso di correlazione è attivamente studiata. Una risposta deve essere ottenuta, in particolare, alla domanda se l'intera diversità delle proprietà dei diversi tipi di cromatina possa essere ridotta a differenze nelle caratteristiche chimiche del DNA cromosomico. Tuttavia, indipendentemente dai progressi nella comprensione di queste correlazioni, la loro fenomenologia funge da strumento principale per comprendere la dissezione strutturale e funzionale di ogni specifico cromosoma umano. Nella differenziazione longitudinale dei singoli cromosomi in termini di densità di condensazione, colorazione con determinati coloranti, caratteristiche del loro DNA e altre caratteristiche, non ci sono segni formali di identificazione dei cromosomi o delle loro regioni, ma segni che hanno un significato genetico. Questo nuovo campo della citogenetica umana è in fase di sviluppo attivo e, combinato con i progressi nella mappatura cromosomica, porterà la citogenetica umana a un livello ancora più alto. Delle informazioni già disponibili su questo problema, le seguenti sono di interesse per la genetica.
L'eterocromatina colorata con il metodo della colorazione C si trova in tutti i cromosomi umani ed è chiamata eterocromatina strutturale. In tutti gli autosomi e nel cromosoma X, occupa, come nella maggior parte dei cromosomi di altre specie biologiche, una regione pericentromerica. Nel cromosoma Y è localizzato nella parte distale del braccio lungo. In diversi cromosomi, la quantità di C-eterocromatina è diversa. I suoi blocchi particolarmente grandi, che si estendono principalmente a braccia lunghe, sono contenuti negli autosomi 1, 9 e 16; sono queste regioni che sono conosciute come le costrizioni secondarie più regolari. Blocchi particolarmente piccoli di questa cromatina si osservano nell'autosoma 2 e nel cromosoma X. Nei cromosomi acrocentrici, l'eterocromatina si estende alle braccia corte.
Apparentemente, l'eterocromatina circumcentromerica non è la stessa in diversi cromosomi, il che deriva da una serie di fatti. Questa eterogeneità è già rivelata dal diverso tempo ottimale e pH dell'intervallo alcalino utilizzato nella tecnica di colorazione C, in cui la cromatina C appare in diversi cromosomi. L'eterogeneità è particolarmente dimostrativa quando si colorano i cromosomi con acrichina o senape di acrichina: l'eterocromatina C degli autosomi 1, 9 e 16 non è affatto fluorescente, mentre l'eterocromatina degli autosomi 3, 4, i cromosomi acrocentrici e il cromosoma Y si illumina in modo estremamente luminoso . Il significato genetico dell'eterogeneità della C-eterocromatina umana non è ancora chiaro. Le basi chimiche di questa eterogeneità cominciano a diventare chiare. Esperimenti di ibridazione del DNA con RNA su preparazioni citologiche hanno stabilito che differenze nell'eterocromatina di diversi cromosomi umani possono essere associate a caratteristiche della struttura del DNA. In tutti i casi, si tratta di DNA con sequenze nucleotidiche ripetute, ma apparentemente cromosomi diversi contengono classi diverse di DNA. Pertanto, dei DNA satellite ben caratterizzati, i satelliti I e IV si trovano in gran numero nel cromosoma Y, il satellite II si trova nell'eterocromatina autosomica 1 e 16 e il satellite III si trova nell'eterocromatina autosomica 9. Eterocromatina strutturale dei cromosomi acrocentrici è il principale vettore del DNA ribosomiale.
In piena conformità con i dati della citogenetica generale sul debole effetto negativo di uno squilibrio nel materiale eterocromatico sullo sviluppo di un organismo, ci sono dati sull'esistenza di polimorfismo significativo nella popolazione umana, dovuto alle dimensioni dell'eterocromatina pericentromerica. Il contenuto di eterocromatina strutturale di tipo C varia particolarmente negli autosomi 1, 4, 9, 13-15, 16, 21-22 e nel cromosoma Y. L'assenza di deviazioni fenotipiche dalla norma nella maggior parte dei portatori di tali varianti cariotipiche ci consente di considerarle come varianti della norma. Tuttavia, questo problema è stato messo all'ordine del giorno abbastanza recentemente. Richiede una ricerca approfondita su un vasto materiale di popolazione prima che vengano delineati limiti ragionevoli della norma cromosomica, oltre i quali lo squilibrio dell'eterocromatina non diventa indifferente per l'organismo.
Ci sono molte ragioni per considerare le regioni cromosomiche colorate positivamente dal metodo G come un tipo di eterocromatina strutturale. Oltre alla relazione con i coloranti, questa idea è supportata dalla replicazione tardiva di queste regioni, dalla loro formazione di cromomeri nei cromosomi meiotici profase e dalla capacità di rimanere indietro nella condensazione mitotica sotto l'influenza della 5-bromodeossiuridina o del freddo. È importante notare che uno squilibrio negli autosomi, particolarmente ricchi di cromatina con colorazione G, comporta la comparsa delle anomalie dello sviluppo meno gravi per un individuo, il portatore di tale squilibrio. Pertanto, le trisomie 13, 18 e 21 appartengono a questa categoria di anomalie cromosomiche.Ci sono anche segnalazioni che il DNA con una ripetizione media di sequenze nucleotidiche identiche è localizzato nei segmenti dei cromosomi con colorazione G.
Le domande che la citogenetica umana deve affrontare riguardo alla struttura, alla localizzazione e soprattutto al significato genetico dell'eterocromatina strutturale sono relativamente nuove.
I progressi nella loro risoluzione non possono essere separati dai progressi nella decifrazione della natura dell'eterocromatina negli eucarioti in generale.
Oltre all'eterocromatina strutturale, esiste l'eterocromatina facoltativa, la cui comparsa nel cromosoma è dovuta all'eterocromatinizzazione delle regioni eucromatiche in condizioni speciali. Esistono prove affidabili dell'esistenza di questo fenomeno nei cromosomi umani sull'esempio dell'inattivazione genetica di uno dei cromosomi X nelle cellule somatiche di una donna. Nell'uomo e in altri mammiferi, questo è un caso speciale di un fenomeno scoperto per la prima volta nella Drosophila da Muller nel 1932 e chiamato "compensazione della dose genica". Per i mammiferi, la sua essenza sta nel meccanismo evolutivamente formato di inattivazione della seconda dose di geni localizzati nel cromosoma X, per cui, nonostante il numero disuguale di cromosomi X, gli organismi maschili e femminili sono uguali nel numero di geni funzionanti .
Formulata da Lyon (1961, 1974), l'ipotesi corrispondente, che ha ricevuto il suo nome, si compone di tre disposizioni principali:
1. Nelle cellule somatiche di un normale corpo femminile, uno dei due cromosomi X è inattivato.
2. In diverse cellule del corpo, il cromosoma X materno o paterno è inattivato.
3. L'inattivazione si verifica nel primo periodo embrionale ed è persistentemente trattenuta da questo cromosoma X nelle generazioni cellulari.
L'ipotesi di Lione si basa su un gran numero di fatti genetici e citologici, compresi quelli ottenuti nell'uomo, che sono stati continuamente aggiornati nel corso degli anni dalla sua nomina e le cui informazioni possono essere trovate in una serie di recensioni (AF Zakharov, 1968; Lione, 1972, 1974; Ghandra e Brown, 1975, ecc.).
I fatti genetici si basano sul fatto che negli eterozigoti si trovano due popolazioni cellulari per i tratti legati al cromosoma X. In uno di essi si manifesta l'azione del gene materno del cromosoma X, nell'altro quello paterno, che è associato all'inattivazione rispettivamente degli alleli paterni o materni. Nel formulare la sua ipotesi, Lyon si è basata su casi di colorazione a mosaico del mantello dei topi, dovuta all'inattivazione in diverse parti del corpo del gene selvaggio o del suo allele mutante. Nell'uomo è stata ottenuta una dettagliata evidenza dell'esistenza nel corpo di donne eterozigoti di due popolazioni di cellule, ciascuna delle quali ha inattivato uno dei due alleli del gene localizzato nel cromosoma X, studiando gli effetti dei geni per il glucosio- 6-fosfato deidrogenasi, fosfoglicerato chinasi, ipoxantina-fosforibosiltransferasi, gruppi sanguigni eritrocitari Xg (a), nello studio dell'agammaglobulinemia legata all'X e della mucopolisaccaridosi (sindrome di Hunter), emofilia. Negli eterozigoti per varianti elettroforetiche della glucosio-6-fosfato deidrogenasi, è stato confermato che il cromosoma X umano è inattivato nel primo periodo embrionale (Migeon e Kennedy, 1975). Questi risultati devono essere tenuti a mente quando si interpretano i dati sulle malattie ereditarie legate all'X, specialmente nei gemelli monozigoti.
Molto forte è anche l'evidenza citologica a favore dell'ipotesi di Lione, in quanto nelle normali cellule somatiche femminili, uno dei due cromosomi X corrisponde alle caratteristiche di un cromosoma eterocromatinizzato. Nel nucleo interfase, si trova sotto forma del cosiddetto corpo di Barr (X-cromatina) - un grumo di cromatina densamente condensato e intensamente colorato. In profase, questo cromosoma precede il suo omologo, il secondo cromosoma X, nel ciclo di condensazione. In condizioni di esposizione sperimentale al freddo o alla 5-bromodeossiuridina, uno dei cromosomi X è significativamente indietro nella condensazione, non differendo sotto questo aspetto dall'eterocromatina strutturale degli autosomi 1, 9, 16 e dal cromosoma Y. Il secondo cromosoma X è uno dei più ritardati all'inizio e alla fine della replicazione del DNA.
Uno studio su numerosi casi di anomalie nel sistema del cromosoma X nell'uomo mostra che il fenomeno della compensazione della dose genica si applica anche a tutti i casi di violazione del numero di cromosomi X, lasciando un solo cromosoma X in uno stato attivo in una cellula somatica . Particolarmente dimostrative a questo proposito sono le X-polisomie, quando il numero di cromosomi X inattivati è uguale al numero presente nella cellula meno uno geneticamente funzionante.
Come mostrato sopra, le informazioni sul cariotipo umano sono in costante approfondimento e sempre più ricerche vengono svolte a livello molecolare. Lo studio citologico dei fondamenti materiali dell'ereditarietà umana è ben integrato dall'analisi genetica dei tratti discreti.
La genetica umana utilizza una varietà di metodi di ricerca che vengono utilizzati anche in altre aree della biologia: genetica, fisiologia, citologia, biochimica, ecc. Anche l'antropogenetica ha i suoi metodi di ricerca: citogenetica, gemellare, genealogica, ecc.
I risultati ottenuti in biologia molecolare e biochimica hanno dato un grande contributo allo sviluppo della genetica. Attualmente, i metodi di ricerca genetica biochimica e molecolare svolgono un ruolo di primo piano nella genetica umana e nella genetica medica. Tuttavia, i metodi classici della genetica umana, come i metodi citogenetici, genealogici e gemelli, sono di grande importanza in questo momento, specialmente in materia di diagnostica, consulenza genetica medica e prognosi della prole.
Conosciamo le possibilità del metodo citogenetico.
L'essenza di questo metodo è studiare la struttura dei singoli cromosomi, nonché le caratteristiche dell'insieme dei cromosomi delle cellule umane in condizioni normali e patologiche. I linfociti, le cellule epiteliali buccali e altre cellule facili da ottenere, coltivare e soggette ad analisi cariologiche servono come oggetto conveniente per questo. Questo è un metodo importante per determinare il sesso e le malattie ereditarie cromosomiche di una persona.
La base del metodo citogenetico è lo studio della morfologia dei singoli cromosomi delle cellule umane. La fase moderna della comprensione della struttura dei cromosomi è caratterizzata dalla creazione di modelli molecolari di queste strutture più importanti del nucleo, dallo studio del ruolo dei singoli componenti dei cromosomi nella conservazione e nella trasmissione delle informazioni ereditarie.
Nel Capitolo 1, abbiamo esaminato i componenti dei cromosomi come le proteine e gli acidi nucleici. Qui ci soffermiamo brevemente sulla struttura e la morfologia dei cromosomi.
La struttura dei cromosomi.
La teoria cromosomica dell'ereditarietà è stata creata dallo scienziato americano T. G. Morgan. Dopo aver condotto un gran numero di studi sulla mosca della frutta della Drosophila, Morgan ei suoi studenti hanno scoperto che era nei cromosomi che si trovavano i fattori di ereditarietà scoperti da Mendel, che erano chiamati geni. T. Morgan ei suoi studenti hanno mostrato che i geni sono disposti linearmente lungo la lunghezza del cromosoma.
Dopo che è stato dimostrato che i cromosomi sono i principali genofori (portatori di geni), è iniziato il periodo del loro studio più intenso. I progressi nella biologia molecolare e nella genetica hanno permesso di comprendere alcuni modelli nella struttura e nel funzionamento dei cromosomi nei procarioti e negli eucarioti, ma qui molto rimane sconosciuto. Negli ultimi anni i cromosomi degli eucarioti, soprattutto umani, sono diventati oggetto di studio di vari specialisti, dai genetisti ai fisici.
F. Arrighi e coautori (1971) hanno riscontrato che sequenze uniche occupano più del 56% del DNA dei cromosomi umani, altamente ripetitive - 12,4%, ripetizioni intermedie - 8%. Il numero totale di geni ripetitivi nel DNA del cromosoma umano è del 28%. Il numero di cromosomi negli esseri umani è rimasto a lungo poco chiaro. Il fatto è che era difficile determinare il numero di cromosomi nei mammiferi, specialmente nell'uomo. I cromosomi erano piccoli, molto numerosi, difficili da contare. Quando le cellule sono state fissate, si sono fuse in grumi, il che ha reso difficile determinare il vero numero di cromosomi. Pertanto, i primi ricercatori non sono stati in grado di calcolare in modo accurato e corretto il numero di cromosomi nelle cellule umane. È stato chiamato un numero diverso di cromosomi, da 44 a 50.
Di solito, i cromosomi nelle cellule vengono osservati durante la mitosi nella fase della piastra metafase. Nel nucleo interfase, i cromosomi non sono visibili al microscopio ottico. Nel 1912, G. Winivarter, studiando i cromosomi negli spermatogoni e nell'oogonia delle gonadi umane, rimossi durante l'operazione, scoprì che l'insieme maschile di cromosomi (cariotipo) contiene 47 cromosomi e la femmina - 48. Nel 1922, T. Painter ha ripetuto la ricerca Winivarter e ha scoperto che i cariotipi maschili e femminili contengono 48 cromosomi ciascuno, ma la femmina differisce dal maschio solo per due cromosomi. Le donne hanno 2 cromosomi sessuali grandi, mentre gli uomini hanno un cromosoma X grande e un cromosoma K piccolo. Negli anni successivi, questo punto di vista è stato sostenuto da altri scienziati. P. I. Zhivago e A. G. Andrea (1932) hanno proposto la prima classificazione dei cromosomi in base alla loro lunghezza. Poiché i cromosomi sono molto vicini tra loro ed è molto difficile studiarli, negli anni successivi il numero esatto di cromosomi nell'uomo è stato oggetto di controversia e discussione. Tuttavia, è stato gradualmente raggiunto un accordo tra i ricercatori su questo argomento e per 30 anni la maggior parte dei citogenetisti ha creduto che nell'uomo il numero diploide dei cromosomi fosse 48 e il numero aploide fosse 24. Metodi migliorati per lo studio dei cromosomi hanno permesso di ottenere più informazioni accurate sul numero di cromosomi nelle cellule umane. , nonché identificare normali anomalie del cariotipo responsabili di alcune deformità. Due metodi si sono rivelati particolarmente fruttuosi:
1. Trattamento della coltura cellulare con l'alcaloide colchicina, che porta all'accumulo di cellule in divisione allo stadio metafase;
2. Trattamento delle cellule con soluzioni saline deboli, che causano gonfiore, raddrizzamento dei cromosomi, che facilita il loro studio.
Nel 1956, i citologi svedesi J. Tiyo e A. Levan prepararono colture cellulari da tessuti polmonari prelevati da embrioni umani abortiti e, utilizzando una tecnica di elaborazione cellulare migliorata, ottennero preparazioni insolitamente chiare in cui 46 cromosomi erano chiaramente visibili.
Pochi mesi dopo, C. Ford e J. Hammerton in Inghilterra hanno scoperto che anche i precursori diploidi delle cellule germinali nei testicoli degli uomini (spermatogoni) hanno 46 cromosomi e quelli aploidi (spermatociti della 1a divisione) - 23 cromosomi ciascuno.
Successivamente, sono state studiate molte cellule di diversi organi e tessuti umani e ovunque il numero normale di cromosomi è risultato essere 46.
Il cariotipo femminile differisce dal maschio solo per un cromosoma sessuale. Le restanti 22 paia sono le stesse per uomini e donne. Queste 22 coppie di cromosomi sono chiamate autosomi. Un cariotipo normale è costituito da 44 autosomi (22 coppie) e due cromosomi sessuali - XX nelle donne e XY negli uomini, cioè il cariotipo femminile ha due grandi cromosomi sessuali e quello maschile ne ha uno grande e uno piccolo.
Nelle cellule germinali umane esiste un singolo set (aploide) di cromosomi - 23 e nelle cellule somatiche - un doppio set (diploide) - 46. Queste scoperte hanno stimolato ulteriori studi sui cromosomi. Sono stati sviluppati metodi per studiare i cromosomi in una coltura di linfociti del sangue periferico e su altri oggetti. Attualmente, i cromosomi sono esaminati in modo relativamente semplice nei linfociti del sangue periferico. Il sangue venoso viene posto in uno speciale mezzo nutritivo, viene aggiunta fitoemoagglutinina, che stimola le cellule a dividersi, e posto in un termostato per 72 ore. 6 ore prima della fine dell'incubazione, qui viene aggiunta la colchicina, che ritarda il processo di divisione cellulare nella fase della piastra metafase. Quindi la coltura viene posta in una soluzione ipotonica di NaCl, in cui le cellule si gonfiano, il che porta a una leggera rottura dei gusci del nucleo e alla transizione dei cromosomi nel citoplasma. Successivamente, i preparati vengono colorati con coloranti nucleari, in particolare acetoorceina, ed esaminati al microscopio ottico ad immersione.
Al microscopio, viene preso in considerazione il numero totale di cromosomi, fotografato, quindi ogni cromosoma viene ritagliato dalla foto con le forbici e incollato su un foglio di carta bianco in fila, partendo dal (primo) cromosoma più grande e terminando con il più piccolo (venti secondo) e il cromosoma Y del sesso. La tecnica luminescente consente di condurre rapidamente e facilmente studi di massa al fine di identificare pazienti con vari tipi di anomalie cromosomiche. L'insieme delle caratteristiche quantitative (numero di cromosomi e loro dimensioni) e qualitative (morfologia cromosomica) di un insieme diploide di una singola cellula è indicato con il termine "cariotipo". La struttura dei cromosomi cambia a seconda dello stadio di divisione cellulare (profase, metafase, anafase, telofase).
Già nella profase della mitosi, si può vedere che il cromosoma è formato da due fili dello stesso diametro che si intrecciano tra loro: i cromatidi. In metafase, il cromosoma è già spiralizzato e i suoi due cromatidi giacciono in parallelo, separati da uno stretto spazio. Ogni cromatide è composto da due emicromatidi. Come risultato della mitosi, i cromatidi del cromosoma materno diventano cromosomi fratelli e i semicromatidi diventano i loro cromatidi. I cromatidi sono basati sui cromonemi, i cosiddetti filamenti più sottili di DNP, costituiti da proteine e acidi nucleici.
Nell'interfase (l'intervallo tra due divisioni cellulari), la cromatina è strettamente associata alle membrane nucleari e alla matrice proteica nucleare. Forma anche ampie aree di filamenti despiralizzati di DNP. Poi gradualmente la cromatina si spiralizza, formando la tipica metafase 
cromosomi. Le loro dimensioni variano da 2 a 10 micron.
Attualmente si studiano intensamente le caratteristiche strutturali degli autosomi e dei cromosomi sessuali (su cellule del midollo osseo, linfociti, fibroblasti, cellule della pelle, rigenerazione del fegato).
I cromosomi contengono strutture chiamate cromomeri. Un cromomero è una sezione a spirale di un cromonema. Gli spazi tra i cromomeri sono rappresentati da filamenti cromonici. La posizione dei cromomeri su ciascun cromosoma è rigorosamente fissa, determinata ereditariamente.
Un cromomero è un'unità genetica relativamente grande, paragonabile in lunghezza al cromosoma di E. coli. La struttura e la funzione del cromomero è il mistero principale della genetica moderna. Si presume che alcuni cromomeri siano un locus genetico, dove c'è un gene strutturale e molti geni regolatori. È possibile che diversi geni strutturali si trovino in altri cromomeri.
Cromonemi e cromomeri sono circondati da una sostanza non colorante: una matrice. Si ritiene che la matrice contenga acidi desossiribonucleici e ribonucleici, proteine.
Alcune sezioni dei cromosomi formano nucleoli. I nucleoli sono sezioni di cromosomi più o meno despiralizzate circondate da prodotti dell'attività genica (ribosomi, particelle di RNA, ecc.). Ecco la sintesi dell'RNA ribosomiale e alcune fasi della formazione dei ribosomi. Sintetizza la maggior parte dell'RNA della cellula.
Nel cromosoma metafase si distinguono molte altre formazioni: il centromero, due bracci del cromosoma, i telomeri e un satellite.
La regione centromerica (meros - in greco, parte) del cromosoma è un'interruzione non colorante nel cromosoma, visibile sulla preparazione dei cromosomi. Il centromero contiene 2-3 coppie di cromomeri e ha una struttura complessa. Si ritiene che diriga il movimento del cromosoma nella mitosi. I fili del fuso sono attaccati ai centromeri.
Anche i telomeri, strutture speciali alle estremità dei cromosomi, hanno una struttura complessa. Contengono diversi cromomeri. I telomeri impediscono l'attaccamento terminale dei cromosomi metafase l'uno all'altro. L'assenza di telomeri rende il cromosoma "appiccicoso" - si attacca facilmente ad altri frammenti di cromosomi.
Alcune regioni del cromosoma sono dette eucromatiche, mentre altre sono dette eterocromatiche. Le regioni eucromatiche dei cromosomi sono regioni geneticamente attive; contengono il principale complesso di geni nucleari funzionanti. La perdita anche del più piccolo frammento di eucromatina può causare la morte dell'organismo. Le regioni eterocromatiche dei cromosomi sono generalmente altamente spiralizzate e, di regola, non sono geneticamente attive. L'organizzatore nucleolare si trova nell'eterocromatina. La perdita anche di una parte significativa dell'eterocromatina spesso non porta alla morte dell'organismo. Le regioni eterocromatiche del cromosoma si replicano più tardi delle regioni eucromatiche. Va ricordato che l'eucromatina e l'eterocromatina non sono una sostanza, ma uno stato funzionale di un cromosoma.
Se organizzi fotografie di cromosomi omologhi man mano che le loro dimensioni aumentano, puoi ottenere il cosiddetto ideogramma del cariotipo. Pertanto, un idiogramma è una rappresentazione grafica dei cromosomi. Sull'idiogramma, le coppie di omologhi sono disposte in file in ordine decrescente di grandezza.
Nell'uomo, su un idiogramma, tra 46 cromosomi, si distinguono tre tipi di cromosomi a seconda della posizione del centromero nel cromosoma:
1. Metacentrico: il centromero occupa una posizione centrale nel cromosoma, entrambe le braccia del cromosoma hanno quasi la stessa lunghezza;
2. Submetacentrico: il centromero si trova più vicino a un'estremità del cromosoma, risultando in bracci cromosomici di diversa lunghezza.
| Classificazione dei cromosomi umani in base alla dimensione e posizione del centromero | ||
| Gruppo di cromosomi | Numero di cariotipo | Caratteristiche dei cromosomi |
| A(1) | 1,2,3 | 1 e 3 quasi metacentrici e 2 grandi submetacentrici |
| ALLE 11) | 4,5 | grande subacrocentrico |
| C (III) | 6-12 | submetacentrico medio |
| A(lV) | 13-15 | medio acrocentrico |
| E(V) | 16-18 | piccolo submetacentrico |
| F(VI) | 19-20 | il più piccolo megacentrico |
| G(VII) | 21-22 | il più piccolo acrocentrico |
| cromosoma X (appartiene al gruppo III | 23 | medio quasi metacentrico |
| cromosoma Y | 23 | acrocentrico poco profondo |
3. Acrocentrico: il centromero si trova all'estremità del cromosoma. Una spalla è molto corta, l'altra è lunga. I cromosomi non sono molto facili da distinguere l'uno dall'altro. La citogenetica, al fine di unificare i metodi per l'identificazione dei cromosomi, in una conferenza del 1960 a Denver (USA) propose una classificazione che tenesse conto delle dimensioni dei cromosomi e della posizione dei centromeri. Patau nello stesso anno ha integrato questa classificazione e ha proposto di dividere i cromosomi in 7 gruppi. Secondo questa classificazione, il primo gruppo A comprende grandi cromosomi 1, 2 e 3 sub e acrocentrici. Al secondo gruppo B - grandi coppie submetacentriche 4-5. Il terzo gruppo C comprende subacrocentrico medio (6-12 coppie) e il cromosoma X, che si trova tra i cromosomi 6 e 7 in termini di dimensioni. Il gruppo D (quarto) comprende cromosomi acrocentrici medi (13, 14 e 15 paia). Al gruppo E (quinto) - piccoli cromosomi submetacentrici (16, 17 e 18 paia). Al gruppo F(sesto) piccolo metacentrico (19a e 20a coppia) e gruppo G (settimo) - i più piccoli cromosomi acrocentrici (21a e 22a coppia) e un piccolo cromosoma Y sessuale acrocentrico (Tabella 4).
Esistono altre classificazioni dei cromosomi (Londra, Parigi, Chicago), in cui vengono sviluppate, concretizzate e integrate le disposizioni della classificazione di Denver, che alla fine facilita l'identificazione e la designazione di ciascuno dei cromosomi umani e delle loro parti.
I cromosomi acrocentrici del gruppo IV (D, 13-15 paia) e del gruppo VII (G, 21-22 paia) sul braccio corto portano piccole strutture aggiuntive, i cosiddetti satelliti. In alcuni casi, questi satelliti sono la causa dell'adesione dei cromosomi l'uno all'altro durante la divisione cellulare nella meiosi, con conseguente distribuzione non uniforme dei cromosomi. In una cellula sessuale ci sono 22 cromosomi e nell'altra - 24. È così che sorgono le monosomie e le trisomie per l'una o l'altra coppia di cromosomi. Un frammento di un cromosoma può unirsi a un cromosoma di un altro gruppo (ad esempio, il frammento 21 o 22 unisce 13 o 15). Ecco come avviene la traslocazione. La trisomia del 21° cromosoma o la traslocazione del suo frammento è la causa della malattia di Down.
All'interno di questi sette gruppi di cromosomi, sulla base delle sole differenze esterne visibili al microscopio, è quasi impossibile identificare i cromosomi. Ma quando si elaborano i cromosomi di acrihini, inoltre, e con l'aiuto di una serie di altri metodi di colorazione, possono essere identificati. Vari
metodi di colorazione differenziale dei cromosomi secondo la tecnica Q-, G-, C (A. F. Zakharov, 1973) (Fig. 27). Diamo un nome ad alcuni metodi per identificare i singoli cromosomi umani. Varie modifiche del cosiddetto metodo sono ampiamente utilizzate. Q. Ad esempio, il metodo QF - utilizzando fluorocromi; Metodo QFQ - utilizzando chinacrina; Metodo QFH - utilizzando una speciale società di coloranti "Hext" n. 33258, che rivela sequenze ripetute di nucleotidi nel DNA dei cromosomi (DNA satellitare, ecc.). Le modifiche del metodo della tripsina GT sono un potente strumento per lo studio e la caratterizzazione individuale dei cromosomi. Citiamo, ad esempio, il metodo GTG, che comprende il trattamento dei cromosomi con tripsina e colorazione di Giemsa, il metodo GTL (trattamento con tripsina e colorazione secondo Leitman).
Metodi noti per il trattamento dei cromosomi con sali di acetato e colorante di Giemsa, metodi che utilizzano idrossido di bario, arancio acridina e altri.
Il DNA cromosomico viene rilevato utilizzando la reazione di Feulgen, colorando con verde metile, arancio acridino, colorante n. 33258 della società Hekst. Il colorante acridino-arancione con DNA a filamento singolo forma associati dimeri e dà luminescenza rossa, con DNA elicoidale a doppio filamento forma associati unidimensionali e luminesce di verde.
Misurando l'intensità della luminescenza rossa, si può giudicare il numero di posti liberi nel DNP e nella cromatina e il rapporto tra luminescenza verde - rossa - l'attività funzionale dei cromosomi.
Gli istoni e le proteine acide dei cromosomi vengono rilevati a pH diverso mediante colorazione con blu bromfenodo, verde intenso, argento, metodo immunoluminescente, colorazione dell'RNA con allume di allucianina, colorante Hext n. 1, arancio acridino quando riscaldato a 60 °.
La microscopia elettronica, l'istoautoradiografia e una serie di altri metodi sono ampiamente utilizzati.
Nel 1969, il biologo svedese T. Kaspersson ei suoi collaboratori hanno dimostrato che i cromosomi colorati con chinacrina senape e illuminati al microscopio con la lunghezza d'onda più lunga dello spettro ultravioletto iniziano a luminersi, con alcune parti dei cromosomi più luminose, altre più deboli. La ragione di ciò è la diversa composizione chimica della superficie del cromosoma. Negli anni successivi, i ricercatori hanno scoperto che le estremità del cromosoma Y umano brillavano più luminose di qualsiasi altro cromosoma umano, rendendo il cromosoma Y facile da individuare su un vetrino.
Acryhiniprit si lega preferenzialmente alle coppie GC di DNA. I singoli dischi delle regioni eterocromatiche emettono fluorescenza. Rimuovi il DNA: il bagliore scompare. Sono state compilate mappe di cromosomi fluorescenti. Delle 27 specie di mammiferi, solo umani, scimpanzé, gorilla e oranghi hanno cromosomi Y luminosi. Il bagliore è associato a ripetizioni genetiche apparse nell'evoluzione 20 milioni di anni fa.
Quindi, normalmente nelle cellule somatiche umane ci sono 46 cromosomi (23 paia) e nelle cellule sessuali - 23 cromosomi, un cromosoma di ogni coppia. Quando uno spermatozoo e un uovo si fondono, il numero di cromosomi nello zigote raddoppia. Pertanto, ogni cellula somatica del corpo umano contiene un insieme di cromosomi paterni e un insieme di cromosomi materni. Se una persona ha 46 cromosomi, in varie scimmie il numero di cromosomi è 34, 42, 44, 54, 60, 66.
Sotto l'azione degli ultrasuoni o dell'alta pressione, è possibile rompere i filamenti di DNA che compongono il cromosoma in frammenti separati. Riscaldando le soluzioni di DNA ad una temperatura di 80-100°,
puoi causare la denaturazione del DNA, la divergenza dei due filamenti che lo compongono. In determinate condizioni, i filamenti di DNA disconnessi possono riassociarsi in una molecola di DNA stabile a doppio filamento (riassociazione o rinaturazione del DNA). La denaturazione e la rinaturazione del DNA possono essere ottenute anche su preparazioni di cromosomi fissi, elaborandoli di conseguenza. Se in seguito i cromosomi vengono colorati con il colorante Giemsa, in essi viene rivelata una chiara striatura trasversale, costituita da strisce chiare e scure. La posizione di queste bande su ciascun cromosoma è diversa. Pertanto, i dischi Giemsa possono anche identificare ciascuna delle 23 coppie di cromosomi.
Questi e altri metodi, in particolare l'ibridazione di cellule somatiche di vari animali e umani, sono usati per mappare i cromosomi, cioè per determinare la posizione di diversi geni in uno o nell'altro cromosoma. Attualmente, circa 200 geni sono stati mappati negli autosomi umani e nei cromosomi sessuali.
Alla fine del 1975, il seguente numero di geni era localizzato in diversi cromosomi umani (AF Zakharov, 1977): 1 cromosoma - 24 geni; 2 cromosomi - 10, 3-2, 4-3, 5-3, 6-14, 7-4, 8-1, 9-8, 10-5, 11-4, 12-10, 13-3, 14 -3, 15-6, 16-4, 17-14, 18-1, 19-4, 20-3, 21-4, 22-1; Y-cromosoma - 2; Cromosoma X - 95 geni.
Nel 1949, M. Barr e C. Bertram, studiando i neuroni del gatto, hanno attirato l'attenzione sul fatto che il nucleo cellulare interfase contiene un corpo intensamente colorato ed è presente solo nei nuclei delle cellule femminili e assente nei maschi. È stato trovato in molti animali e sempre solo nelle femmine. Questo piccolo corpo è chiamato cromatina sessuale, o corpo di Barr. In un certo numero di vertebrati e nell'uomo, appare nella prima ontogenesi allo stadio di gastrula, ma prima dello sviluppo delle gonadi (ghiandole sessuali). La posizione, la forma e la struttura della cromatina sessuale non è influenzata dagli ormoni sessuali, quindi non è una caratteristica sessuale secondaria. Tra il numero dei corpi della cromatina sessuale e il numero X- i cromosomi nel nucleo sono direttamente collegati. La cromatina sessuale nei nuclei interfase è dovuta alla spiralizzazione di uno dei cromosomi X, la cui inattivazione è un meccanismo che equalizza l'equilibrio dei geni dei cromosomi sessuali nelle cellule di maschi e femmine (cioè, questo è uno dei meccanismi per la dose compensazione dei geni).
Nel 1961, diversi ricercatori hanno suggerito contemporaneamente che uno dei cromosomi X nelle donne normali è geneticamente relativamente inattivo. Nel 1961, il ricercatore inglese M. Lyon ha avanzato un'ipotesi sui meccanismi di inattivazione di uno dei cromosomi X nelle cellule del corpo femminile. I punti principali di questa ipotesi sono i seguenti:
1. Uno dei due cromosomi X delle cellule di una donna è inattivo.
2. Un cromosoma inattivo può essere dell'organismo paterno o materno.
3. L'inattivazione si verifica all'inizio dell'embriogenesi e persiste durante l'ulteriore riproduzione e sviluppo della linea cellulare. Questo processo di inattivazione del cromosoma X è reversibile in diverse generazioni:
XX*->- wow ->XX* ecc. (qui l'asterisco indica il cromosoma X elicoidale). Il genetista portoghese Serra ha proposto di chiamare questo tipo di cambiamenti reversibili nel trepto del materiale genetico (dal greco treptos - cambiamento).
Il cromosoma X spiralizzato nella cellula forma la cromatina sessuale o corpo di Barr. Se le donne hanno diversi cromosomi X nel nucleo cellulare, allora ci sono diversi corpi di Barr nelle cellule, solo un cromosoma X rimane attivo. Il cromosoma X non è completamente inattivato, parte del braccio corto rimane geneticamente attiva. L'inattivazione del cromosoma X in una certa misura dipende dallo stadio del ciclo cellulare e dallo stato fisiologico dell'organismo. Con la presenza di un eccesso o di un'assenza di un corpo di Barr, possono essere diagnosticati alcuni tipi di malattie ereditarie (ad esempio la sindrome di Klinefelter, la sindrome di Shereshevsky-Turner). Le cellule che non contengono la cromatina sessuale (cellule negative per la cromatina) si trovano in individui con una serie di cromosomi 45, XO (sindrome di Shereshevsky-Turner);
46,XY(uomini normali); 47, XYY(Sindrome di Klinefelter con due cromosomi Y). Solitamente, nelle cellule di un normale corpo maschile, si trova un certo numero di pseudocorpi Barr (sezioni condensate di autosomi) e cromosomi Y spiralizzati, pertanto, quando si diagnosticano varie malattie cromosomiche, è necessario essere in grado di distinguere queste formazioni dal tipica cromatina sessuale formata da un cromosoma X extra spiralizzato. Il corpo di Barr si trova sul cromosoma 46,XX (donne normali); 47,XXY e 48,XXYU (sindrome di Klinefelter classica). Due corpi di Barr si trovano in una persona con tre cromosomi X, (47, XXX); tre cromosomi X e uno Y (48, XXXY, sindrome di Klinefelter); 49, XXXXY (sindrome di Klinefelter). Tre corpi di Barr si trovano nei cariotipi 48, XXXX e 49, XXXXY (sindrome di Klinefelter grave).
Nelle cellule poliploidi, il numero di corpi della cromatina sessuale corrisponde alla ploidia. Secondo la formula di Gardner, il numero di corpi di Barr (B)
è uguale a B = X - , dove X - il numero di cromosomi X, R - ploidia cellulare. Nelle cellule non poliploidi, il numero dei corpi della cromatina sessuale è uguale al numero dei cromosomi X meno uno. (A = X - 1).
Cambiamenti strutturali nei cromosomi
I cromosomi possono subire vari cambiamenti strutturali. Particolarmente importanti sono la perdita di singoli frammenti di cromosomi (divisione) o il trasferimento di una sezione di un cromosoma all'altro (traslocazione). La traslocazione è indicata dalla lettera latina /, tra parentesi accanto è scritto l'indice del gruppo o il numero del cromosoma del donatore, la designazione del sito trasferito. Le stesse designazioni sono indicate per il cromosoma ricevente, ad esempio 46, XXt (Mer+ + B4 q-). Lettere tra parentesi R e q indicare le braccia cromosomiche interessate dalla traslocazione. Il braccio corto di un cromosoma è indicato dalla lettera R, lunga - lettera q, il satellite è indicato dalla lettera s, ecc. Un aumento della lunghezza del braccio è indicato da un segno più e una diminuzione da un segno meno (entrambi sono posizionati dopo il simbolo del cromosoma).
La comparsa di un cromosoma in più nel cariotipo porta alla trisomia. Un aumento multiplo del numero di tutti i cromosomi è chiamato poliploidia (potrebbero esserci triploidi, tetraploidi, ecc.). La perdita di uno di una coppia di cromosomi omologhi provoca una condizione chiamata monosomia. I cambiamenti nel numero o nella struttura dei cromosomi sono chiamati aberrazioni cromosomiche.
Consideriamo i tipi più frequenti di disturbi strutturali dei cromosomi: delezioni e traslocazioni. Con una cancellazione, il numero totale di cromosomi non viene modificato. Tuttavia, alcuni cromosomi mancano di materiale genetico, che provoca vari cambiamenti nel fenotipo. La delezione più comune è il 5° e il 18° autosoma e il cromosoma X. Le eliminazioni portano allo sviluppo di varie malattie e sindromi ereditarie.
Nel 1963, J. Lejeune descrisse la sindrome del "grido di gatto". Il grido di questi bambini ricorda il "miagolio di un gatto". I bambini hanno un forte sottosviluppo della laringe, una faccia rotonda a forma di luna, microcefalia, micrognazia, un'incisione mongoloide degli occhi, orecchiette deformi basse, ipotensione muscolare e lievi caratteristiche sessuali secondarie. Questi bambini sono mentalmente ritardati. Nel cariotipo dei bambini si nota una cancellazione del braccio corto della 5a coppia di cromosomi.
La divisione delle braccia lunghe e corte del 18° cromosoma è accompagnata da vari disturbi strutturali del viso, dello scheletro e degli organi interni. I bambini hanno ritardo mentale, malnutrizione, ipotensione, microcefalia, sottosviluppo del viso, voce bassa e ruvida, sottosviluppo dei genitali esterni, orecchio medio, atresia del canale uditivo esterno e altre anomalie.
Con una delezione del braccio corto del 18° cromosoma, i pazienti hanno anche vari difetti nello scheletro, negli organi interni e nel ritardo mentale.
Una delezione del braccio corto del cromosoma X può essere interpretata come una monosomia parziale del cromosoma X. Descritto in donne con ritardo della crescita, sottosviluppo ovarico senza gravi anomalie somatiche. Sebbene in essi venga rilevata la cromatina sessuale, tuttavia, le sue dimensioni sono molto più piccole del normale.
Nella leucemia mieloide cronica si nota un accorciamento del braccio corto del 21° cromosoma (il cosiddetto cromosoma Philadelphia). Tuttavia, questo cromosoma si trova solo nei globuli e nel midollo osseo puntato. Altre cellule hanno un cariotipo normale.
Come risultato di due carenze terminali, seguite dalla connessione di estremità rotte, si formano i cromosomi ad anello. Pertanto, questa violazione della struttura dei cromosomi è in realtà un caso speciale di eliminazione. Il quadro clinico dei pazienti - portatori di cromosomi ad anello - ricorda quello della delezione del cromosoma corrispondente. Quindi, con il cromosoma ad anello del gruppo B (5a coppia), si sviluppa il quadro clinico della sindrome del "grido di gatto" e con il cromosoma X ad anello il quadro clinico è vicino alla sindrome di Shereshevsky-Turner.
Le traslocazioni sono riarrangiamenti strutturali in cui il materiale genetico viene scambiato tra i cromosomi. Sono possibili vari tipi di traslocazioni: reciproche, in cui vi è uno scambio reciproco di frammenti; non reciproche, quando il materiale genetico di un cromosoma viene trasferito a un altro, e infine connessioni centriche. Le ultime traslocazioni tra cromosomi acrocentrici sono le più comuni. In questo caso si perde solo un piccolo frammento delle braccia corte dei cromosomi acrocentrici. La maggior parte di questi riarrangiamenti può essere considerata bilanciata, poiché non causano gravi deviazioni nel fenotipo del portatore di traslocazione. Tuttavia, la progenie di tali portatori ha difetti clinicamente pronunciati caratteristici di un insieme anormale di cromosomi.
È noto che la malattia di Down può essere osservata sia nella trisomia del 21o autosoma, sia nella traslocazione di un frammento di questo cromosoma ad altri. Tali pazienti hanno 46 cromosomi, ma uno dei cromosomi è in realtà doppio, poiché un frammento del 21° cromosoma è ancora attaccato ad esso e, di conseguenza, tale riarrangiamento risulta sbilanciato. Nei genitori di questi pazienti, il cariotipo comprendeva 45 cromosomi, ma uno dei cromosomi era in realtà doppio (con una traslocazione). Quando un uovo contenente questo cromosoma viene fecondato, lo sperma normale nello zigote avrà effettivamente tre 21° cromosoma, che è fenotipicamente manifestato dalla malattia di Down.
Il 21° cromosoma si trasloca più spesso nel 15° o in altri cromosomi del gruppo D (13°, 14°) nelle donne, o nel 22° negli uomini. In questo caso, i giovani genitori sani possono avere un figlio con la malattia di Down, contrariamente alla trisomia 21, che è più comune nei bambini nati da madri anziane. È praticamente impossibile determinare la presenza di una traslocazione in un individuo prima della nascita di un bambino con malattia di Down senza esaminare il cariotipo, poiché il fenotipo di questi portatori non è molto diverso dai fenotipi di individui con genotipi normali. Pertanto, in tutti questi casi, lo studio del cariotipo è di particolare importanza.
Il meccanismo di sviluppo della malattia di Down durante la traslocazione in uno dei genitori può essere rappresentato come segue. Nella traslocazione, il cariotipo di un individuo è costituito da 45 cromosomi, poiché un cromosoma viene ingrandito. La traslocazione colpisce tutte le cellule, inclusi oogonia e spermatogonia. Durante la formazione delle cellule germinali (gameti), 23 cromosomi cadono in un gamete e 22 nell'altro, ma il cromosoma traslocato può finire sia in un gamete con 22 cromosomi che in un gamete con 23 cromosomi. Pertanto, sono teoricamente possibili 4 varianti di gameti: 23 cromosomi normali, 23 con traslocazione, 22 cromosomi normali e 22 con traslocazione. Se la traslocazione è indicata da un apostrofo, si otterrà la seguente serie di gameti: 23 23 1 22 22 1 .
Se questi gameti sono fecondati da un normale gamete del sesso opposto, si ottengono le seguenti combinazioni: 1) 23 + 23 = 46 cromosomi (cariotipo normale); 2) 23 1 + 23 = 46 1 cromosomi, ma in realtà 47 cromosomi (in questo caso si svilupperà la malattia di Down); 3) 22 + 23 = 45 cromosomi (un tale zigote non è vitale e muore); 4) 22 1 +23 = 45 1 cromosomi (in questo caso, un individuo nasce con una traslocazione, come uno dei suoi genitori).
Le probabilità di dare alla luce un bambino con la malattia di Down (con una traslocazione in uno dei genitori) sono del 33%. Questo è un rischio molto grande e, in questo caso, non è auspicabile un'ulteriore gravidanza, soprattutto perché esiste il rischio di traslocazione nei nipoti. Se un bambino con sindrome di Down causata dalla trisomia 21 nasce da genitori con un cariotipo normale, le possibilità di partorire di nuovo lo stesso bambino sono molto ridotte. Tuttavia, non in tutti i casi alla nascita di un bambino con malattia di Down a causa della traslocazione del 21° cromosoma, la traslocazione è presente nelle cellule somatiche della madre. In circa la metà delle madri, il cariotipo è normale e la traslocazione è avvenuta durante la meiosi, prima della formazione dell'uovo da cui si è sviluppato l'organismo del bambino malato.
Questa è una condizione in cui le cellule con cariotipi normali e anormali sono mescolate nel corpo, diciamo, 46/47 o 46/45. Sorge a causa della non disgiunzione dei cromosomi nelle fasi iniziali dello sviluppo embrionale. Il mosaicismo dà sintomi lievi e cancellati della malattia rispetto ai pazienti che hanno un cariotipo modificato in tutte le cellule. Una persona con una variante a mosaico della malattia di Down può avere solo alcuni dei segni fisici della malattia. Lo sviluppo dell'intelligenza non è disturbato. Con il mosaicismo 45XO / 46XX, la sindrome di Shereshevsky-Turner è espressa in modo più lieve. Queste pazienti possono sviluppare tessuto ovarico e ovulare. Con il cariotipo 46XY/47XXY, la sindrome di Klinefelter è espressa in modo più lieve. Tra i pazienti, i mosaici femminili e maschili con i cariotipi indicati sono più comuni dei casi "puri" della sindrome di Shereshevsky-Turner o della sindrome di Klinefelter. Con l'età, il clone di cellule anormali viene gradualmente eliminato, e quindi è difficile stabilire il mosaicismo nell'anziano, sebbene nel periodo embrionale e postembrionale precoce fosse sufficientemente pronunciato e potesse portare allo sviluppo di segni fenotipici della malattia. Meno cellule anormali nel corpo, più deboli sono i segni della malattia. Questo può spiegare le forme cancellate e rudimentali di queste malattie.
Con le malattie del sangue, può verificarsi un aumento multiplo (poliploidia) o non piegato (aneuploidia) del numero di cromosomi. Tuttavia, si osserva solo nelle cellule del sangue, mentre in altre cellule somatiche il cariotipo è normale.
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