ZYTOGENETIK: GESCHICHTE, WAS ES STUDIERT, TECHNIKEN, ANWENDUNGEN - BIOLOGIE - 2025

Die Zytogenetik ist die Untersuchung der Morphologie, Struktur und Funktion von Chromosomen, einschließlich ihrer Veränderungen während der somatischen Zellteilung oder Mitose und während der reproduktiven Zellteilung oder Meiose.

Die Zytologie untersucht auch die Faktoren, die chromosomale Veränderungen verursachen, einschließlich pathologischer Veränderungen, die von einer Generation zur nächsten auftreten, und evolutionärer Faktoren, die über viele Generationen wirken.

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Geschichte

Die denkwürdigen Jahre und Ereignisse in der Geschichte der Zytogenetik sind wie folgt:

- Karl Wilhelm von Nägeli beobachtete 1842 „transiente Stammzellen“, später Chromosomen genannt.

- 1875 identifizierte Eduard Strasburger Chromosomen in Pflanzen. 1979 machte Walther Flemming es bei Tieren. Flemming prägte die Begriffe Chromatin, Prophase, Metaphase, Anaphase und Telophase.

- 1888 prägte W. Waldeyer den Begriff Chromosom.

- 1893 veröffentlichte Oscar Hertwig den ersten Text zur Zytogenetik.

- 1902 entdeckten Theodor Boveri und Walter Sutton homologe Chromosomen.

- 1905 identifizierte Nettie Stevens das Y-Chromosom.

- 1937 stoppten Albert Blakeslee und AG Avery die Metaphase mit Colchicin, was die Beobachtung von Chromosomen erheblich erleichterte.

- 1968 beschrieben Torbjörn Caspersson und Mitarbeiter die Q-Bands. 1971 beschrieben Bernard Dutrillaux und Jerome Lejeune die R-Bands.

- 1971 wurden C-Banden auf einer Konferenz zur menschlichen Chromosomennomenklatur diskutiert.

- 1975 beschrieben C. Goodpasture und SE Bloom die Ag-NOR-Färbung.

- 1979 beschrieb Jorge Yunis die hochauflösenden Methoden für G-Banden.

- In den Jahren 1986–1988 entwickelten Daniel Pinkel und Joe Gray die FISH-Technik (Fluorescent In situ Hybridization).

- 1989 mikrodissekten Hermann-Josef-Lüdecke-Chromosomen.

- 1996 beschrieben Evelyn Schröck und Thomas Ried die multichromatische spektrale karyotypische Typisierung.

Entdeckungen beim Menschen

Im Jahr 1914 schlug Theodor Boveri vor, dass Krebs auf chromosomale Veränderungen zurückzuführen sein könnte. Im Jahr 1958 beobachtete Charles E. Ford Chromosomenanomalien während der Leukämie.

1922 veröffentlichte Theophilus Painter, dass Menschen 48 Chromosomen haben. Es dauerte bis 1956, bis Jo Hin Tjio und Albert Levan feststellten, dass sie tatsächlich 46 Chromosomen haben.

1932 schlug PJ Waardenburg vor, ohne es zu beweisen, dass das Down-Syndrom das Ergebnis einer Chromosomenaberration sein könnte. Im Jahr 1959 zeigte Jerome Lejeune das Vorhandensein eines zusätzlichen somatischen Chromosoms bei Patienten mit Down-Syndrom.

Ebenfalls 1959 berichtete Charles E. Ford, dass Frauen mit Turner-Syndrom eines der beiden X-Chromosomen fehlt, während Patricia Jacobs und John Strong bei Männern mit Klinefelter-Syndrom das Vorhandensein eines zusätzlichen X-Chromosoms entdeckten.

1960 beschrieben JA Böök und Berta Santesson die Triploidie, Klaus Patau die Trisomie 13 und John Edwards die Trisomie 18.

1969 entdeckte Herbert Lubs First das Fragile X-Syndrom. Im selben Jahr wurde die Amniozentese für die zytogenetische Diagnose eingesetzt.

Forschungsbereich

Zytogenetiker untersuchen die chromosomale Evolution von Lebewesen und verwenden Karyotypen, um phylogenetische Analysen durchzuführen und taxonomische Probleme zu lösen.

Darüber hinaus untersuchen sie epidemiologische Aspekte menschlicher Chromosomenaberrationen und die Umweltfaktoren, die sie hervorrufen, diagnostizieren und behandeln Patienten, die von Chromosomenanomalien betroffen sind, und entwickeln molekulare Ansätze zur Entschlüsselung der Struktur, Funktion und Entwicklung von Chromosomen.

Chromosomenmorphologie

Jedes Chromosom besteht aus zwei Chromatiden, die durch eine als Zentromer bezeichnete Verengung zusammengehalten werden. Die Chromosomenabschnitte, die vom Zentromer ausgehen, werden als Arme bezeichnet.

Chromosomen werden als metazentrisch bezeichnet, wenn sich das Zentromer in der Mitte befindet. submetazentrisch, wenn sie etwas von der Mitte entfernt sind, so dass die gegenüberliegenden Arme nicht gleich lang sind; akrozentrisch, wenn das Zentromer nahe an einem der Extreme liegt; und telozentrisch, wenn sich das Zentromer nur an einem Ende des Chromosoms befindet.

Techniken: Probenverarbeitung

Die Schritte zur Verarbeitung der Proben sind wie folgt.

Entnahme der Probe

Erfassung des erforderlichen Gewebes, Lagerung im Medium und in geeigneten Fläschchen.

Kultur

Mit Ausnahme von Proben für die FISH-Analyse ist vor der Ernte eine Kulturperiode zwischen einem Tag und mehreren Wochen erforderlich.

Geerntet

Es ist das Erhalten von Zellen in Metaphase.

Mitose stoppen

Bei der zytogenetischen Standardanalyse muss die Mitose gestoppt werden, damit die Zellen mit Colchicin oder Colcemid® in der Metaphase verbleiben.

Hypotonische Behandlung

Es erhöht das Zellvolumen, wodurch sich die Chromosomen ausdehnen können.

Fixierung

3: 1 Methanol - Essigsäure wird verwendet, um Wasser aus den Zellen zu entfernen, die Membranen und das Chromatin zum Färben zu härten.

Blattvorbereitung

Die fixierten Zellen werden auf Objektträgern verteilt und anschließend getrocknet.

Chromosomenfärbung

Es gibt verschiedene Färbemethoden, um Unterschiede zwischen Chromosomen zu erkennen. Am häufigsten ist der G.

Mikroskopische Analyse

Ermöglicht die Auswahl geeigneter Zellen zum Beobachten und Fotografieren von Chromosomen.

Erstellung von Karyogrammen

Basierend auf Fotografien von Zellen in Metaphase werden Bilder des Chromosomensatzes einer repräsentativen Zelle für spätere Untersuchungen zusammengestellt.

Chromosomenbanden

Es gibt vier Arten von Chromosomenbanden: heterochromatische Banden; euchromatische Banden, Nucleolus-Organisationsregionen (NORs); Kinetochoren.

Heterochromatische Banden erscheinen als diskrete Blöcke. Sie entsprechen Heterochromatin, das sich stark wiederholende DNA-Sequenzen enthält, die herkömmliche Gene darstellen und an der Grenzfläche nicht dekondensiert werden.

Euchromatische Banden bestehen aus einer Reihe alternierender Segmente, die von der Färbung betroffen sind oder nicht. Diese Banden unterscheiden sich in der Größe und bilden charakteristische Muster, die für jedes Chromosomenpaar einer Spezies charakteristisch sind, was sie zur Identifizierung chromosomaler Translokationen und Umlagerungen sehr nützlich macht.

NORs sind diejenigen Segmente der Chromosomen, die Hunderte oder Tausende von ribosomalen RNA-Genen enthalten. Sie werden üblicherweise als Verengungen dargestellt.

Kinetochoren sind die Bindungsstellen der Mikrotubuli-Spindel an Chromosomen.

Chromosomenbandfärbung

Die Chromosomenbande besteht aus Färbetechniken, die Muster der Längsdifferenzierung (helle und dunkle Bereiche) aufdecken, die sonst nicht zu sehen wären. Diese Muster ermöglichen es, verschiedene Arten zu vergleichen und evolutionäre und pathologische Veränderungen auf Chromosomenebene zu untersuchen.

Chromosomenbandenverfahren werden in solche unterteilt, die Absorptionsfärbung verwenden, typischerweise Giemsa-Pigmente, und solche, die Fluoreszenz verwenden. Absorptionsfärbemethoden erfordern eine vorläufige physikalisch-chemische Behandlung, wie unter "Probenverarbeitung" beschrieben.

Einige Arten der Bandenbildung ermöglichen den Nachweis von Mustern eingeschränkter Chromosomenregionen im Zusammenhang mit funktionellen Eigenschaften. Andere ermöglichen die Visualisierung von Unterschieden zwischen homologen Chromosomen, die es ermöglichen, Segmente zu identifizieren.

C-Bänder

Die C-Bande färbt die meisten heterochromatischen Banden, was es zur universellen Technik macht, das Vorhandensein von Heterochromatin in Chromosomen zu zeigen. Andere Methoden färben nur einen Teil des gesamten Heterochromatins, was sie nützlicher macht als die C-Bande, um zwischen Heterochromatin-Typen zu unterscheiden.

Q-Bänder

Q-Banding ist die älteste Färbetechnik. Es verdankt seinen Namen der Verwendung von Chinacrin. Es ist unabhängig von der Chromosomenpräparationsmethode wirksam. Es ist eine alternative Methode zum G-Banding. Es wird selten verwendet, aber seine Zuverlässigkeit macht es nützlich, wenn das Material knapp oder schwer zu banding ist.

G-Bänder

Das G-Band, das auf der Verwendung von Giemsa und Trypsin basiert, wird heute am häufigsten verwendet. Es ermöglicht die Erkennung von Translokationen, Inversionen, Löschungen und Duplikationen. Es ist die am häufigsten verwendete Methode zur Charakterisierung von Karyotypen bei Wirbeltieren und zeigt Unterschiede zwischen Chromosomen, die nicht nur anhand ihrer Morphologie unterschieden werden können.

R-Bänder

Die R-Bande erzeugt ein inverses Färbungsmuster in Bezug auf die G-Bande (helle R-Banden entsprechen dunklen G-Banden und umgekehrt). Die R-Bande ist besonders nützlich, um die Enden von Chromosomen hervorzuheben, die bei Verwendung der G-Bande leicht gefärbt sind.

T-Bänder

Die T-Bande ist eine Variante der R-Bande, bei der die meisten interstitiellen Banden der Chromosomen nicht angefärbt werden, so dass die terminalen Regionen der Chromosomen intensiv gefärbt werden.

Ag-NOR-Banden

Die Ag-NOR-Bande wird verwendet, um NORs durch Silberfärbung zu lokalisieren. Bei der Ag-NOR-Bande können inaktive NOR-Gene nicht gefärbt werden. Daher wird diese Bande verwendet, um Veränderungen in der Aktivität ribosomaler Gene während der Gametogenese und der Embryonalentwicklung zu untersuchen.

Fluoreszierende In-situ-Hybridisierung (FISH)

Mit der FISH-Bande können Chromosomen mit fluoreszenzmarkierten Sonden sichtbar gemacht werden. Die FISH-Technologie ermöglicht die karyotypische Analyse von Zellen, die sich nicht teilen.

Die FISH-Bande ermöglicht den Nachweis spezifischer DNA-Sequenzen in Chromosomen, Zellen und Geweben. Daher kann es verwendet werden, um Chromosomenanomalien zu erkennen, an denen kleine DNA-Segmente beteiligt sind.

Das FISH-Banding ebnete den Weg für zwei komplexere verwandte Techniken, die als spektrale Karyotypisierung (SKY) und mehrfarbige FISH (M-FISH) bekannt sind.

In SKY und M-FISH werden fluoreszierende Farbstoffe verwendet, die zusammen Farbkombinationen ergeben, eine für jedes Chromosom. Diese Techniken waren sehr nützlich beim Nachweis komplexer Chromosomenaberrationen, wie sie bei bestimmten Tumoren und bei akuter lymphoblastischer Leukämie auftreten.

Medizinische Anwendungen

- Zytogenetik von Krebs. Chromosomenaberrationen und Aneuploidie sind bei Tumoren häufig. Chromosomale Translokationen können durch die Produktion von Fusionsproteinen krebserregend wirken. Die Zytogenetik wird verwendet, um den Fortschritt von Krebsbehandlungen zu überwachen.

- Fragile Stellen und Chromosomenbruch. Fragile Chromosomenstellen können zu Pathologien wie dem Fragile X-Syndrom führen. Die Exposition gegenüber Zytostatika kann zu Chromosomenbrüchen führen. Träger bestimmter autosomaler Mutationen sind nicht in der Lage, DNA zu reparieren, die während einer Chromosomenfraktur beschädigt wurde.

- Numerische Anomalien der Chromosomen. Die Chromosomenzahl kann Trisomien diagnostizieren, wie die, die Down-, Edwards- und Patau-Syndrome verursachen. Es ermöglicht auch die Diagnose von Turner- und Klinefelter-Syndromen.

- Bei chronischer myeloischer Leukämie haben die weißen Blutkörperchen ein „Philadelphia-Chromosom“. Dieses abnormale Chromosom ist das Ergebnis der Translokation der Chromosomen 9 und 22.

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