KARYOTYPE: WOFÜR IST ES, TYPEN, WIE WIRD ES GEMACHT, ÄNDERUNGEN - BIOLOGIE - 2025

Der Karyotyp ist eine Fotografie des vollständigen Satzes von Metaphasenchromosomen, die Aspekte ihrer Anzahl und Struktur detailliert. Der Zweig der medizinischen und biologischen Wissenschaften, der sich mit der Untersuchung von Chromosomen und verwandten Krankheiten befasst, ist als Zytogenetik bekannt.

Chromosomen sind die Strukturen, in denen die in Desoxyribonukleinsäuremolekülen (DNA) enthaltenen Gene organisiert sind. In Eukaryoten bestehen sie aus Chromatin, einem Komplex aus Histonproteinen und DNA, der im Zellkern aller Zellen verpackt ist.

Mit fluoreszierenden Farbstoffen erhaltener menschlicher Karyotyp (Quelle: Plociam ~ commonswiki über Wikimedia Commons

Die Zellen aller Lebewesen auf der Erde haben eine bestimmte Anzahl von Chromosomen. Bakterien haben zum Beispiel nur ein Kreis, während Menschen 46 in 23 Paaren organisiert haben; und einige Vogelarten haben bis zu 80 Chromosomen.

Im Gegensatz zum Menschen weisen Pflanzenzellen im Allgemeinen mehr als zwei homologe (identische) Chromosomensätze auf. Dieses Phänomen ist als Polyploidie bekannt.

Alle Anweisungen, die für das Wachstum und die Entwicklung von einzelligen oder mehrzelligen Lebewesen erforderlich sind, sind in den DNA-Molekülen enthalten, die auf den Chromosomen gewickelt sind. Daher ist es wichtig, seine Struktur und Eigenschaften bei einer Art oder einem ihrer Individuen zu kennen.

Der Begriff Karyotyp wurde erstmals in den 1920er Jahren von Delaunay und Levitsky verwendet, um die Summe der charakteristischen physikalischen Eigenschaften von Chromosomen zu bezeichnen: Anzahl, Größe und strukturelle Besonderheiten.

Seitdem wird es im Kontext der modernen Wissenschaft für denselben Zweck verwendet; und das Studium davon begleitet viele Prozesse der klinischen Diagnose verschiedener Krankheiten beim Menschen.

Menschlicher Karyotyp

Der Satz von 46 Chromosomen (23 Paare), aus denen das menschliche Genom besteht, wird als menschlicher Karyotyp bezeichnet und ist grafisch nach Merkmalen wie Größe und Bandenmuster angeordnet, was dank der Verwendung spezieller Färbetechniken offensichtlich ist.

Schematische Darstellung des menschlichen Karyotyps (Quelle: Mikael Häggström über Wikimedia Commons)

Von den 23 Chromosomenpaaren sind nur 1 bis 22 in der Reihenfolge ihrer Größe angeordnet. In somatischen Zellen, dh in nicht-sexuellen Zellen, werden diese 22 Paare gefunden, und je nach Geschlecht des Individuums, ob männlich oder weiblich, wird ein Paar X-Chromosomen (Frauen) oder das XY-Paar (Männer) hinzugefügt. .

Die Paare 1 bis 22 werden als autosomale Chromosomen bezeichnet und sind bei beiden Geschlechtern (männlich und weiblich) gleich, während sich die Geschlechtschromosomen X und Y voneinander unterscheiden.

Wofür ist der Karyotyp?

Der Hauptnutzen eines Karyotyps ist die detaillierte Kenntnis der Chromosomenlast einer Art und der Eigenschaften jedes ihrer Chromosomen.

Obwohl einige Arten in Bezug auf ihre Chromosomen polymorph und polyploid sind, dh während ihres gesamten Lebenszyklus unterschiedliche Formen und Anzahlen aufweisen, können wir aufgrund der Kenntnis des Karyotyps in der Regel viele wichtige Informationen über sie ableiten.

Dank des Karyotyps können chromosomale Veränderungen im „großen Maßstab“ mit großen DNA-Stücken diagnostiziert werden. Beim Menschen hängen viele geistig behinderte Krankheiten oder Zustände und andere körperliche Defekte mit schweren Chromosomenanomalien zusammen.

Arten von Karyotypen

Karyotypen werden gemäß der vom Internationalen System der menschlichen zytogenetischen Nomenklatur (ISCN) gebilligten Notation beschrieben.

In diesem System hat die jedem Chromosom zugewiesene Nummer mit seiner Größe zu tun, und sie werden normalerweise vom größten zum kleinsten geordnet. Chromosomen werden in Karyotypen als Paare von Schwesterchromatiden mit dem kleinen Arm (p) nach oben dargestellt.

Die Arten von Karyotypen unterscheiden sich durch die Techniken, mit denen sie erhalten werden. Normalerweise liegt der Unterschied in den Arten der Färbung oder "Markierung", mit denen ein Chromosom von einem anderen unterschieden wird.

Hier ist eine kurze Zusammenfassung einiger der bisher bekannten Techniken:

Feste Färbung

Dabei werden Farbstoffe wie Giemsa und Orcein verwendet, um die Chromosomen gleichmäßig zu färben. Es war bis in die frühen 1970er Jahre weit verbreitet, da es zu dieser Zeit die einzigen bekannten Farbstoffe waren.

G-Band oder Giemsa-Färbung

Es ist die am häufigsten verwendete Technik in der klassischen Zytogenetik. Chromosomen werden zuvor mit Trypsin verdaut und dann gefärbt. Das Muster der nach der Färbung erhaltenen Banden ist für jedes Chromosom spezifisch und ermöglicht detaillierte Untersuchungen seiner Struktur.

Es gibt alternative Methoden zur Giemsa-Färbung, aber sie liefern sehr ähnliche Ergebnisse, wie Q-Banden und umgekehrte R-Banden (wobei die beobachteten dunklen Banden die mit G-Banden erhaltenen hellen Banden sind).

Konstitutive C-Band

Es färbt spezifisch Heterochromatin, insbesondere das in den Zentromeren gefundene. Es färbt auch etwas Material in den kurzen Armen der akrozentrischen Chromosomen und im distalen Bereich des langen Arms des Y-Chromosoms.

Replikationsbanding

Es wird zur Identifizierung des inaktiven X-Chromosoms verwendet und beinhaltet die Zugabe eines Nukleotidanalogons (BrdU).

Silberfleck

Es wurde historisch verwendet, um nukleolare Organisationsregionen zu identifizieren, die viele Kopien von ribosomaler RNA enthalten und in den zentromeren Regionen gefunden werden.

Distamycin A / DAPI-Färbung

Es ist eine Fluoreszenzfärbungstechnik, die Heterochromatin von den Chromosomen 1, 9, 15, 16 und vom Y-Chromosom beim Menschen unterscheidet. Es wird insbesondere verwendet, um die invertierte Vervielfältigung von Chromosom 15 zu unterscheiden.

Fluoreszierende In-situ- Hybridisierung (FISH)

Als der größte zytogenetische Fortschritt nach den 1990er Jahren anerkannt, ist es eine leistungsstarke Technik, mit der submikroskopische Deletionen unterschieden werden können. Es werden fluoreszierende Sonden verwendet, die spezifisch an chromosomale DNA-Moleküle binden, und es gibt mehrere Varianten der Technik.

Vergleichende genomische Hybridisierung (CGH)

Es werden auch fluoreszierende Sonden verwendet, um DNA unterschiedlich zu markieren, es werden jedoch bekannte Vergleichsstandards verwendet.

Andere Techniken

Andere modernere Techniken beinhalten nicht direkt die Analyse der Chromosomenstruktur, sondern die direkte Untersuchung der DNA-Sequenz. Dazu gehören Microarrays, Sequenzierung und andere Techniken, die auf der PCR-Amplifikation (Polymerasekettenreaktion) basieren.

Wie wird ein Karyotyp durchgeführt?

Es gibt verschiedene Techniken, um die Untersuchung von Chromosomen oder Karyotypen durchzuführen. Einige sind ausgefeilter als andere, da sie die Erkennung kleiner, nicht wahrnehmbarer Veränderungen mit den am häufigsten verwendeten Methoden ermöglichen.

Zytogenetische Analysen zur Ermittlung des Karyotyps werden üblicherweise an Zellen durchgeführt, die in der Mundschleimhaut oder im Blut vorhanden sind (unter Verwendung von Lymphozyten). Bei Studien an Neugeborenen werden Proben aus dem Fruchtwasser (invasive Techniken) oder aus fetalen Blutzellen (nicht-invasive Techniken) entnommen.

Die Gründe, warum ein Karyotyp durchgeführt wird, sind vielfältig, werden jedoch häufig unter anderem zur Diagnose von Krankheiten, Fruchtbarkeitsstudien oder zur Ermittlung der Ursachen für wiederkehrende Fehlgeburten oder Todesfälle und Krebserkrankungen des Fötus durchgeführt.

Die Schritte zum Durchführen eines Karyotyp-Tests sind wie folgt:

1-Entnahme der Probe (unabhängig von ihrer Quelle).

2-Zelltrennung, ein lebenswichtiger Schritt, insbesondere in Blutproben. In vielen Fällen ist es notwendig, sich teilende Zellen von sich teilenden Zellen unter Verwendung spezieller chemischer Reagenzien zu trennen.

3-Zell-Wachstum. Manchmal ist es notwendig, die Zellen in einem geeigneten Kulturmedium zu züchten, um eine größere Menge davon zu erhalten. Dies kann je nach Art der Probe länger als ein paar Tage dauern.

4-Synchronisation von Zellen. Um die kondensierten Chromosomen in allen kultivierten Zellen gleichzeitig zu beobachten, müssen sie durch chemische Behandlungen „synchronisiert“ werden, die die Zellteilung stoppen, wenn die Chromosomen kompakter und daher sichtbar sind.

5-Gewinnung von Chromosomen aus Zellen. Um sie unter dem Mikroskop zu sehen, müssen die Chromosomen aus den Zellen "herausgezogen" werden. Dies wird normalerweise erreicht, indem diese mit Lösungen behandelt werden, die dazu führen, dass sie platzen und zerfallen, wodurch die Chromosomen freigesetzt werden.

6-Färbung. Wie oben hervorgehoben, müssen Chromosomen mit einer von vielen verfügbaren Techniken angefärbt werden, um sie unter dem Mikroskop beobachten und die entsprechende Untersuchung durchführen zu können.

7-Analyse und Zählung. Chromosomen werden im Detail beobachtet, um ihre Identität (falls sie im Voraus bekannt sind), ihre morphologischen Eigenschaften wie Größe, Position des Zentromers und Bandenmuster, Anzahl der Chromosomen in der Probe usw. zu bestimmen.

8-Klassifizierung. Eine der schwierigsten Aufgaben von Zytogenetikern ist die Klassifizierung von Chromosomen durch Vergleich ihrer Eigenschaften, da bestimmt werden muss, welches Chromosom welches ist. Dies liegt daran, dass mehr als eine Zelle in der Probe vorhanden ist und mehr als ein Paar desselben Chromosoms vorhanden ist.

Chromosomenanomalien

Bevor die verschiedenen möglichen Chromosomenveränderungen und ihre Folgen für die menschliche Gesundheit beschrieben werden, müssen Sie sich mit der allgemeinen Morphologie der Chromosomen vertraut machen.

Chromosomenmorphologie

Chromosomen sind Strukturen, die linear erscheinen und zwei „Arme“ haben, einen kleinen (p) und einen größeren (q), die durch eine als Centromer bekannte Region voneinander getrennt sind, eine spezialisierte DNA-Stelle, die an der Spindelverankerung beteiligt ist. mitotisch während der mitotischen Zellteilung.

Das Zentromer kann sich in der Mitte der beiden Arme p und q befinden, weit von der Mitte entfernt oder nahe an einem ihrer Enden (metazentrisch, submetazentrisch oder akrozentrisch).

An den Enden der kurzen und langen Arme haben die Chromosomen "Kappen", sogenannte Telomere, bei denen es sich um bestimmte DNA-Sequenzen handelt, die reich an TTAGGG-Wiederholungen sind und die für den Schutz der DNA und die Verhinderung der Fusion zwischen Chromosomen verantwortlich sind.

Zu Beginn des Zellzyklus werden Chromosomen als einzelne Chromatiden angesehen, aber während sich die Zelle repliziert, bilden sich zwei Schwesterchromatiden, die dasselbe genetische Material teilen. Es sind diese Chromosomenpaare, die auf den Karyotyp-Fotografien zu sehen sind.

Chromosomen weisen unterschiedliche Grade an "Packung" oder "Kondensation" auf: Heterochromatin ist die am stärksten kondensierte Form und transkriptionell inaktiv, während Euchromatin den lockereren Regionen entspricht und transkriptionell aktiv ist.

In einem Karyotyp unterscheidet sich jedes Chromosom, wie oben hervorgehoben, durch seine Größe, die Position seines Zentromers und das Bandenmuster, wenn es mit verschiedenen Techniken gefärbt wird.

Chromosomenanomalien

Aus pathologischer Sicht können spezifische chromosomale Veränderungen spezifiziert werden, die regelmäßig in menschlichen Populationen beobachtet werden, obwohl andere Tiere, Pflanzen und Insekten davon nicht ausgenommen sind.

Abnormalitäten haben oft mit Deletionen und Duplikationen von Regionen eines Chromosoms oder ganzen Chromosomen zu tun.

Diese Defekte werden als Aneuploidien bezeichnet. Hierbei handelt es sich um chromosomale Veränderungen, bei denen ein vollständiges Chromosom oder Teile davon verloren gehen oder gewinnen. Die Verluste sind als Monosomien und die Gewinne als Trisomien bekannt, und viele davon sind für die Entwicklung von Feten tödlich.

Es kann auch Fälle von Chromosomeninversionen geben, bei denen sich die Reihenfolge der Gensequenz aufgrund gleichzeitiger Brüche und fehlerhafter Reparaturen einer Region des Chromosoms ändert.

Translokationen sind auch chromosomale Veränderungen, die Veränderungen in großen Teilen von Chromosomen beinhalten, die zwischen nicht homologen Chromosomen ausgetauscht werden und wechselseitig sein können oder nicht.

Es gibt auch Veränderungen, die mit einer direkten Schädigung der in der chromosomalen DNA enthaltenen Gensequenz zusammenhängen. und es gibt sogar einige, die mit den Auswirkungen genomischer "Markierungen" zusammenhängen, die Material, das von einem der beiden Elternteile geerbt wurde, mit sich bringen kann.

Mit Karyotypen nachgewiesene Erkrankungen des Menschen

Die zytogenetische Analyse chromosomaler Veränderungen vor und nach der Geburt ist für die umfassende klinische Versorgung von Säuglingen unabhängig von der für diesen Zweck verwendeten Technik von wesentlicher Bedeutung.

Das Down-Syndrom ist eine der am häufigsten nachgewiesenen Pathologien aus der Karyotyp-Studie und hat mit der Nicht-Disjunktion von Chromosom 21 zu tun, weshalb es auch als Trisomie 21 bezeichnet wird.

Karyotyp eines Menschen mit Trisomie auf Chromosom 21 (Quelle: Humangenomprogramm des US-Energieministeriums. Über Wikimedia Commons)

Einige Krebsarten werden durch Untersuchung des Karyotyps entdeckt, da sie mit chromosomalen Veränderungen zusammenhängen, insbesondere mit der Deletion oder Duplikation von Genen, die direkt an onkogenen Prozessen beteiligt sind.

Bestimmte Arten von Autismus werden durch Karyotypanalyse diagnostiziert, und es wurde gezeigt, dass die Duplikation von Chromosom 15 an einigen dieser Zustände beim Menschen beteiligt ist.

Unter anderen Pathologien, die mit Deletionen auf Chromosom 15 verbunden sind, ist das Prader-Willi-Syndrom, das bei Säuglingen Symptome wie mangelnden Muskeltonus und Atemstörungen verursacht.

Das "Crying Cat" -Syndrom (aus dem französischen Cri-du-Chat) impliziert den Verlust des kurzen Arms von Chromosom 5, und eine der direktesten Methoden für seine Diagnose ist die zytogenetische Untersuchung des Karyotyps.

Die Translokation von Teilen zwischen den Chromosomen 9 und 11 charakterisiert Patienten, die an einer bipolaren Störung leiden, insbesondere im Zusammenhang mit der Störung eines Gens auf Chromosom 11. Andere Defekte auf diesem Chromosom wurden auch bei verschiedenen Geburtsfehlern beobachtet.

Laut einer Studie von Weh et al. Im Jahr 1993 haben mehr als 30% der Patienten mit multiplem Myelom und Plasmazell-Leukämie Karyotypen mit Chromosomen, deren Strukturen aberrant oder abnormal sind, insbesondere auf den Chromosomen 1, 11 und 14 .

Verweise

1. Alberts, B., Dennis, B., Hopkin, K., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., … Walter, P. (2004). Essentielle Zellbiologie. Abingdon: Garland Science, Taylor & Francis Group.
2. Battaglia, E. (1994). Nukleosom und Nukleotyp: eine terminologische Kritik. Caryologia, 47 (3–4), 37–41.
3. M. Elsheikh, JAH Wass & G. Conway (2001). Autoimmunes Schilddrüsen-Syndrom bei Frauen mit Turner-Syndrom - die Assoziation mit dem Karyotyp. Clinical Endocrinology, 223–226.
4. Fergus, K. (2018). Sehr gute Gesundheit. Abgerufen von www.verywellhealth.com/how-to-how-is-a-karyotype-test-done-1120402
5. Gardner, R. & Amor, D. (2018). Chromosomenanomalien und genetische Beratung von Gardner und Sutherland (5. Aufl.). New York: Oxford University Press.
6. Griffiths, A., Wessler, S., Lewontin, R., Gelbart, W., Suzuki, D. & Miller, J. (2005). Eine Einführung in die genetische Analyse (8. Aufl.). Freeman, WH & Company.
7. Rodden, T. (2010). Genetics For Dummies (2. Aufl.). Indianapolis: Wiley Publishing, Inc.
8. Schrock, E., Manoir, S., Veldman, T., Schoell, B., Wienberg, J., Ning, Y., … Ried, T. (1996). Mehrfarbige spektrale Karyotypisierung menschlicher Chromosomen. Science, 273, 494 & ndash; 498.
9. Wang, T., Maierhofer, C., Speicher, MR, Lengauer, C., Vogelstein, B., Kinzler, KW & Velculescu, VE (2002). Digitale Karyotypisierung. PNAS, 99 (25), 16156 & ndash; 16161.