Цитогенетический метод изучения генетики. Медицинская биология. Окрашивание хромосом в гематологии

Цитогенетический метод основан на микроскопическом изучении хромосом в клетках человека. Его стали широко применять в исследованиях генетики человека с 1956 г., когда шведские ученые Дж. Тийо и А. Леван, предложив новую методику изучения хромосом, установили, что в кариотипе человека 46, а не 48 хромосом, как считали ранее.

Современный этап в применении цитогенетического метода связан с разработанным в 1969 г. Т. Касперсоном методом дифференциального окрашивания хромосом, который расширил -возможности цитогенетического анализа, позволив точно идентифицировать хромосомы по характеру распределения в них окрашиваемых сегментов (см. разд. 3.5.2.3).

Применение цитогенетического метода позволяет не только изучать нормальную морфологию хромосом и кариотипа в целом, определять генетический пол организма, но, главное, диагностировать различные хромосомные болезни, связанные с изменением числа хромосом или с нарушением их структуры. Кроме того, этот метод позволяет изучать процессы мутагенеза на уровне хромосом и кариотипа. Применение его в медико-генетическом консультировании для целей пренатальной диагностики хромосомных болезней дает возможность путем своевременного прерывания беременности предупредить появление потомства с грубыми нарушениями развития.

Материалом для цитогенетических исследований служат клетки человека, получаемые из разных тканей,-лимфоциты периферической крови, клетки костного мозга, фибробласты, клетки опухолей и эмбриональных тканей и др. Непременным требованием для изучения хромосом является наличие делящихся клеток. Непосредственное получение таких клеток из организма затруднено, поэтому чаще используют легкодоступный материал, каковым являются лимфоциты периферической крови.

В норме эти клетки не делятся, однако специальная обработка их культуры фитогемагглютинином возвращает их в митотический цикл. Накопление делящихся клеток в стадии метафазы, когда хромосомы максимально спирализованы и хорошо видны в микроскоп, достигается обработкой культуры колхицином или колцемидом, разрушающим веретено деления и препятствующим расхождению хроматид.

Микроскопирование мазков, приготовленных из культуры таких клеток, позволяет визуально наблюдать хромосомы. Фотографирование метафазных пластинок и последующая обработка фотографий с составлением кариограмм, в которых хромосомы выстроены парами и распределены по группам, позволяют установить общее число хромосом и обнаружить изменения их количества и структуры в отдельных парах (рис. 6.33). Кариотипы человека при некоторых хромосомных болезнях представлены на рис. 4.3-4.12.

Рис. 6.33. Нормальные кариотипы человка. А - женщины; Б - мужчины Вверху представлены хромосомные комплексы, внизу - кариограммы

В качестве экспресс-метода, выявляющего изменение числа половых хромосом, используют метод определения полового хроматина в неделящихся клетках слизистой оболочки щеки. Половой хроматин, или тельце Барра, образуется в клетках женского организма одной из двух Х-хромосом. Оно выглядит как интенсивно окрашенная глыбка, расположенная у ядерной оболочки (см. рис. 3.77). При увеличении количества Х-хромосом в кариотипе организма в его клетках образуются тельца Барра в количестве на единицу меньше числа Х-хромосом. При уменьшении числа Х-хромосом (моносомия X) тельце Барра отсутствует.

В мужском кариотипе Y-хромосома может быть обнаружена по более интенсивной по сравнению с другими хромосомами люминесценции при обработке их акрихинипритом и изучении в ультрафиолетовом свете.

Для определения изменений в хромосомном аппарате, связанных с неправильным набором Х-хромосом, часто применяют относительно простой, но довольно информативный метод исследования полового хроматина. Для этого шпателем делают легкий соскоб со слизистой внутренней поверхности щеки, который наносят на стекло. Попавшие туда слущенные клетки соответствующим образом обрабатывают и рассматривают под микроскопом. В эпителиальных клетках женщин обычно обнаруживается одно темное пятнышко - тельце Барра. У мужчин, которые имеют только одну Х-хромосому, его нет. Отсутствует тельце Барра и у женщин с синдромом Шерешевского-Тернера. При наличии в кариотипе женщины двух дополнительных хромосом (при трисомии-Х) в клетках таких телец два и т. д.

Однако диагноз хромосомного заболевания считается установленным только в случае, если проведено кариологическое обследование, то есть изучен кариотип. Определение кариотипа трудоемко и дорого.

Показаниями для кариотипирования являются:

Выявленная патология полового хроматина;
наличие у больного множественных пороков развития;
задержка психоречевого и умственного развития в сочетании с повышением числа микроаномалий;
повторные самопроизвольные аборты, мертворождения, рождение детей с пороками развития, хромосомной патологией (во всех этих случаях обследуется семейная пара, то есть обязательно муж и жена);
возраст беременной 35 лет и старше.

Однако при таком подходе оставался недифференцированным ряд сложных случаев хромосомной патологии, таких как добавочная маркерная хромосома, сложные случаи хромосомного мозаицизма (в организме больного имеется несколько клонов клеток - нормальных и аномальных). На основе классических методов дифференцированного окрашивания были разработаны микроцитогенетические методы. Они основаны на анализе хромосом на ранних стадиях их деления - прометафазе и профазе. С помощью микроцитогенетичес-ких методов удалось выявлять до 2000-3000 дискретных сегментов на хромосомах, в отличие от классического анализа, при котором выявлялось до 300-400 сегментов.
Эти методы с использованием светового микроскопа широко применяются в практике цитогенетических лабораторий и позволяют выявлять более 100 хромосомных синдромов.Методы FISH-диагностики стали широко использовать для исследования хромосомных аномалий в интерфазных ядрах, что особенно важно с практической точки зрения, так как метод экономичен и занимает мало времени. В норме, если например у пациента или плода есть дисомия по 21-й хромосоме, к ядре будут видны две флюоресцирующие цветные точки. При наличии трисомии хромосомы 21 (синдром Дауна) будут видны три точки.

Полимеразную цепную реакцию (ПЦР, PCR) изобрел в 1983 году американский ученый Кэри Мюллис . Впоследствии он получил за это изобретение Нобелевскую премию. В настоящее время ПЦР-диагностика является, пожалуй, самым точным и чувствительным методом диагностики инфекционных заболеваний.

В основе метода ПЦР лежит многократное удвоение определенного участка ДНК . В результате нарабатываются количества ДНК , достаточные для визуальной детекции. Также, этим методом проводят диагностику вирусных инфекций, таких как гепатиты, ВИЧ и др. Чувствительность метода значительно превосходит таковую у иммунохомических и микробиологических методов, а принцип метода позволяет диагностировать наличие инфекций со значительной антигенной изменчивостью.

Специфичность ПЦР при использовании технологии PCR даже для всех вирусных, хламидийных, микоплазменных, уреаплазменных и большинства других бактериальных инфекций достигает 100%. Метод ПЦР позволяет выявлять даже единичные клетки бактерий или вирусов. ПЦР-диагностика обнаруживает наличие возбудителей инфекционных заболеваний в тех случаях, когда другими методами (иммунологическими, бактериологическими, микроскопическими) это сделать невозможно.

Для определения генетического дефекта нужно знать, какой из генов затронут и где расположен этот ген. Мощным инструментом для определения пораженных генов и скрининга популяции людей на наличие измененного гена считается анализ полиморфизма длины рестрикционных фрагментов (ПДРФ). Широкое использование различных рестрикционных эндонуклеаз для анализа хромосомной ДНК выявило огромную вариабельность генома человека. Даже небольшие изменения в кодирующих и регуляторных областях структурных генов могут привести к прекращению синтеза определённого белка или к потере его функции в организме человека, что, как правило, сказывается на фенотипе пациента. Однако приблизительно 90% генома человека состоит из некодирующих последовательностей, которые более изменчивы и содержат множество так называемых нейтральных мутаций, или полиморфизмов, и не имеют фенотипического выражения. Такие полиморфные участки (локусы) используются в диагностике наследственных заболеваний в качестве генетических маркёров. Полиморфные локусы присутствуют во всех хромосомах и сцеплены с определённым участком

гена. Определив локализацию полиморфного локуса, можно установить, с каким геном связана мутация, вызвавшая заболевание у пациента.

Для выделения полиморфных участков ДНК применяются бактериальные ферменты - рестриктазы, продуктом которых являются сайты рестрикции. Спонтанные мутации, возникающие в полиморфных сайтах, делают их резистентными или, наоборот, чувствительными к действию специфичной рестриктазы.

Мутационная изменчивость в сайтах рестрикции может быть обнаружена по изменению длины рестрикцированных фрагментов ДНК, путём разделения их с использованием электрофореза и последующей гибридизации со специфическими ДНК-зондами. При отсутствии рестрикции в полиморфном сайте на электрофореграммах будет выявляться один крупный фрагмент, а при её наличии будет присутствовать меньший по размеру фрагмент. Наличие или отсутствие сайта рестрикции в тождественных ло-кусах гомологичных хромосом позволяет достаточно надёжно маркировать мутантный и нормальный ген и проследить его передачу потомству. Таким образом, при исследовании ДНК пациентов, в обеих хромосомах которых присутствует сайт рестрикции в полиморфной области, на электрофоре-грамме будут выявляться короткие фрагменты ДНК. У пациентов, гомозиготных по мутации, изменяющей полиморфный сайт рестрикции, будут выявляться фрагменты большей длины, а у гетерозиготных - короткие и длинные фрагменты.

БИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЧЕЛОВЕКА

Цитогенетический метод, его значение

Цитогенетический анализ позволяет записывать диагноз наследственного заболевания в виде каріотипічної формулы.

Цитогенетический метод (метод хромосомного анализа) основывается на микроскопическом исследовании структуры и количества хромосом. Он получил широкое применение в 20-е годы XX века, когда были получены первые сведения о количестве хромосом у человека. В 30-х годах были идентифицированы первые 10 пар хромосом.

В 1956 г. шведские ученые Дж. Тийо и А. Леван впервые доказали, что у человека 46 хромосом.

Цитогенетический метод используют для:

Изучение кариотипов организмов;

Уточнение числа хромосомных наборов, количества и морфологии хромосом для диагностики хромосомных болезней;

Составление карт хромосом;

Для изучения геномного и хромосомного мутационного процесса;

Изучение хромосомного полиморфизма в человеческих популяциях.

Хромосомный набор человека содержит большое количество хромосом, основные сведения о которых можно получить при изучении их в метафазе митоза и профазе - метафазе мейоза. Клетки человека для прямого хромосомного анализа получают путем пункции костного мозга и биопсии гонад, или косвенным методом - путем культивирования клеток периферической крови (лимфоциты), когда получают значительное количество метафаз. Косвенным методом исследуют также клетки амниотической жидкости или фибробласты, полученные при амніоцентезі или биопсии хориона, клетки абортусів, мертворожденных и др.

Чаще исследуют хромосомы в лимфоцитах периферической гепаринізованої крови. Для стимуляции митоза добавляют фитогемагглютинин, а для остановки митоза - колхицин. Препарат окрашивают ядерными красителями: 2 % раствором ацеторсеїну, азуреозином, красителем Унна, раствором Гимза и др. Накрывают покровным стеклышком, удаляют избыток красителя фильтровальной бумагой, рассматривают под микроскопом с масляной імерсією.

В последнее время все исследования в цитогенетиці человека проводят с применением методов дифференциального окраска хромосом, которые позволяют отличить каждую хромосомную пару. Существует несколько способов окраски: Q , G , С, R (рис. 1.42). В решении вопросов диагностики хромосомных болезней разные методы дифференциальной окраски применяют в комбинации. Благодаря дифференциальному окраске хромосом можно обнаружить незначительные хромосомные поломки: небольшие делеции, транслокаціїта др.

Получив мікропрепарат, изучают его визуально и составляют ідіограму кариотипа, то есть упорядоченное размещение каждой пары хромосом по индивидуальным признакам различий: общая длина хромосомы, форма, расположение центромеры.

Большинство хромосом по такому методу можно только отнести к определенным группам согласно Денверской классификации (см. раздел 1.2.2.12).

Этот метод позволяет диагностировать много наследственных болезней, изучать мутационный процесс, сложные перестройки и малейшие хромосомные аномалии в клетках, которые вступили в фазу деления и вне делением.

На хромосомный анализ направляются пациенты с множественными врожденными пороками развития, дети с задержкой физического и психомоторного развития, пациенты с недиференційованими формами олигофрении (слабоумия), с нарушением половой дифференцировки, женщины с нарушением менструального цикла (первичная или вторичная аменорея), семьи с бесплодием, женщины с привычным невынашиванием беременности (выкидыши, мертворожденные).

Цитогенетика – раздел генетики, изучающий закономерности наследственности и изменчивости на уровне клетки и субклеточных структур, главным образом хромосом. Цитогенетические методы предназначены для изучения структуры хромосомного набора или отдельных хромосом. Основа цитогенетических методов - микроскопическое изучение хромосом человека. Микроскопические методы исследования хромосом человека начали использоваться в конце XIX века. Термин «цитогенетика» введен в 1903 г. Уильямом Саттоном.

Цитогенетические исследования стали широко использоваться с начала 20 -х гг. XX в. для изучения морфологии хромосом человека, подсчета хромосом, культивирования лейкоцитов для получения метафазных пластинок. В 1959 г. французские ученые Д. Лежен, Р. Тюрпен и М. Готье установили хромосомную природу болезни Дауна. В последующие годы были описаны многие другие хромосомные синдромы, часто встречающиеся у человека. В 1960 году Р. Мурхед с соавт. разработали метод культивирования лимфоцитов периферической крови для получения метафазных хромосом человека, что позволило обнаруживать мутации хромосом, характерные для определенных наследственных болезней.

Применение цитогенетических методов: изучение нормального кариотипа человека, диагностика наследственных заболеваний, связанных с геномными и хромосомными мутациями, исследование мутагенного действия различных химических веществ, пестицидов, инсектицидов, лекарственных препаратов и др. Обьектом цитогенетичеких исследований могут быть делящиеся соматические, мейотические и интерфазные клетки.

ЦИТОГЕНЕТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ Световая микроскопия Электронная микроскопия Конфокальная микроскопия Люминесцентная микроскопия Флуоресцентная микроскопия

Показания для проведения цитогенетических исследований Подозрение на хромосомную болезнь по клинической симптоматике (для подтверждения диагноза) Наличие у ребенка множественных ВПР, не относящихся к генному синдрому Многократные спонтанные аборты, мертворождения или рождения детей с ВПР Нарушение репродуктивной функции неясного генеза у женщин и мужчин Существенная задержка умственного и физического развития у ребенка

Пренатальная диагностика (по возрасту, в связи с наличием транслокации у родителей, при рождении предыдущего ребенка с хромосомной болезнью) Подозрение на синдромы, характеризующиеся хромосомной нестабильностью Лейкозы (для дифференциальной диагностики, оценки эффективности лечения и прогноза лечения) Оценка мутагенных воздействий различных химических веществ, пестицидов, инсектицидов, лекарственных препаратов и др.

В период деления клеток на стадии метафазы хромосомы имеют более четкую структуру и доступны для изучения. Обычно исследуют лейкоциты периферической крови человека, которые помещают в специальную питательную среду, где они делятся. Затем готовят препараты и анализируют число и строение хромосом.

Цитогенетичекие исследования соматических клеток Получение препаратов митотических хромосом Окраска препаратов (простые, дифференциальные и флуоресцентные) Молекулярно-цитогенетические методы – метод цветной гибридизации in situ (FISH)

К цитогенетическим методам, применяемым в клинической практике, относятся: - классические методы кариотипирования; - молекулярно-цитогенетические методы. До недавнего времени диагностика хромосомных болезней базировалась на использовании традиционных методов цитогенетического анализа.

Для изучения хромосом чаще всего используют препараты кратковременной культуры крови, а также клетки костного мозга и культуры фибробластов. Кровь с антикоагулянтом центрифугированиют для осаждения эритроцитов, а лейкоциты инкубируют в культуральной среде 2 -3 дня. К образцу крови добавляют фитогемагглютинин, так как он ускоряет агглютинацию эритроцитов и стимулирует деление лимфоцитов. Наиболее подходящая фаза для исследования хромосом - метафаза митоза, поэтому для остановки деления лимфоцитов на этой стадии используют колхицин. Добавление этого препарата к культуре приводит к увеличению доли клеток, находящихся в метафазе, то есть в той стадии клеточного цикла, когда хромосомы видны лучше всего. Каждая хромосома реплицируется и после соответствующей окраски видна в виде двух хроматид, прикреплённых к центромере, или центральной перетяжке. Затем клетки обрабатывают гипотоническим раствором хлорида натрия, фиксируют и окрашивают. Для окраски хромосом чаще используют краситель Романовского -Гимзы, 2% ацеткармин или 2% ацетарсеин. Они окрашивают хромосомы целиком, равномерно (рутинный метод) и могут быть использованы для выявления численных аномалий хромосом

Денверская классификация хромосом человека (1960). Группа А (1 -3) – три пары самых крупных хромосом: две метацентрические и 1 субметацентрическая. Группа В – (4 -5) – две пары длинных субметацентрических хромосом. Группа С (6 -12) – 7 пар субметацентрических аутосом среднего размера и Х-хромосома. Группа D (13 -15) – три пары средних акроцентрических хромосом. Группа E (16 -18) – три пары метацинтрическая и субметацентрические хромосомы. Группа F (19 -20) – две пары маленьких метацентрических хромосом. Группа G (21 -22 и Y) – две пары мелких акроцентрических хромосом и Y-хромосома.

1. Рутинная (равномерная) окраска 2. Используется для анализа числа хромосом и выявления структурных нарушений (аберраций). При рутинной окраске достоверно можно идентифицировать только группу хромосом, при дифференциальной – все хромосомы

Идиограмма хромосом человека в соответствии с Денверской и Парижской классификациями A B C E D F G

Методы дифференциальной окраски хромосом Q-окрашивание - окрашивание по Касперссону акрихинипритом с исследованием под флуоресцентным микроскопом. Чаще всего применяется для исследования Y-хромосом. G-окрашивание - модифицированное окрашивание по Романовскому - Гимзе. Чувствительность выше, чем у Qокрашивания, поэтому используется как стандартный метод цитогенетического анализа. Применяется при выявлении небольших аберраций и маркерных хромосом (сегментированных иначе, чем нормальные гомологичные хромосомы) R-окрашивание - используется акридиновый оранжевый и подобные красители, при этом окрашиваются участки хромосом, нечувствительные к G-окрашиванию. C-окрашивание - применяется для анализа центромерных районов хромосом, содержащих конститутивный гетерохроматин. T-окрашивание - применяют для анализа теломерных районов хромосом.

Участки сильной и слабой конденсации по длине хромосомы специфичны для каждой хромосомы и имеют разную интенсивность окраски.

Флюоресцентная гибридизация in situ (Fluorescence in situ hybridization, FISH) - спектральное кариотипирование, состоящее в окрашивании хромосом набором флуоресцентных красителей, связывающихся со специфическими областями хромосом. В результате такого окрашивания гомологичные пары хромосом приобретают идентичные спектральные характеристики, что существенно облегчает выявление таких пар и обнаружение межхромосомных транслокаций, то есть перемещений участков между хромосомами - транслоцированные участки имеют спектр, отличающийся от спектра остальной хромосомы.

Флюоресцентная гибридизация in situ (Fluorescence in situ hybridization, FISH) Флюоресце нтная гибридиза ция in situ, или метод FISH - цитогенетический метод, который применяют для детекции и определения положения специфической последовательности ДНК на метафазных хромосомах или в интерфазных ядрах in situ. При флюоресцентной гибридизации in situ используют ДНК-зонды (ДНК-пробы), которые связываются с комплементарными мишенями в образце. В состав ДНК-зондов входят нуклеозиды, меченные флюорофорами (прямое мечение) или такими конъюгатами, как биотин или дигоксигенин (непрямое мечение).

Определение транслокации t(9; 22)(q 34; q 11) при хроническом миелолейкозе методом FISH ген ABL 1 (хромосомa 9) объединяется с геном BCR (хромосомы 22) – образуется химерный ген BCR-ABL 1. Метафазная пластинка с филадельфийской хромосомой. Хромосомы окрашены в синий цвет, локус ABL 1 - красный цвет, локус BCR - зелёный цвет. Вверху слева - хромосома с перестройкой, отмечена красно-зеленой точкой.

Многоцветная FISH - спектральное кариотипирование, состоящее в окрашивании хромосом набором флуоресцентных красителей, связывающихся со специфическими областями хромосом. В результате такого окрашивания гомологичные пары хромосом приобретают идентичные спектральные характеристики, что существенно облегчает выявление таких пар и обнаружение межхромосомных транслокаций, то есть перемещений участков между хромосомами - транслоцированные участки имеют спектр, отличающийся от спектра остальной хромосомы.

Кариотип 46, XY, t(1; 3)(p 21; q 21), del(9)(q 22) Транслокация между 1 -й и 3 -й хромосомами, делеция 9 -й хромосомы. Маркировка участков хромосом дана как по комплексам поперечных меток (классическая кариотипизация, полоски), так и по спектру флуоресценции (цвет, спектральная кариотипизация).

Цитогенетика представляет собой самостоятельный раздел учения о наследственности, в котором исследуются различные, прежде всего, наблюдаемые (эксплицированные) носители, содержащие в себе информацию о генетической наследственности. Такими носителями выступают хромосомы различных типов (политенные, митотические и мейотические), пластиды, интерфазные ядра, и, в наименьшей степени - митохондрии.

Исходя из этого, цитогенетический метод представляет собой совокупность способов и технологий изучения, прежде всего, хромосом, в ходе которых устанавливается их количественный параметр, производится их химико-биологическое описание, исследуется структура и режимы поведения во время клеточного деления. Научной задачей данного исследования является установление связи между характером и динамикой изменения структуры хромосом и картиной, отражающей изменчивость признаков.

Одним из важнейших направлений исследования, которое предполагает цитогенетический метод, является проведение анализа кариотипа человека. Данное исследование, как правило, проводят на культурах, в которых происходит деление половых и соматических клеток.

Самая распространенная культура для такого рода исследований - клетки периферической крови, такие как лимфоциты, фибробласты и клетки костного мозга. Самой доступной культурой, используемой в медицинской цитогенетике, являются лимфоциты крови. Причина этого состоит в том, что, как правило, они являются предметом анализа и в При плода цитогенетический метод предполагает использование клеточных культур, выбор которых обусловлен рядом факторов. Главным из них является срок беременности. Например, при этом сроке менее 12 недель, цитогенетический анализ хромосом лучше всего производить с участием клеток хориона, а при сроках беременности более 12 недель, целесообразно для исследования рассматривать клетки самого плода. Для этой цели они специально выделяются из плаценты и крови плода.

Для установления кариотипа цитогенетический наследственности требует получения образца крови в количестве не менее 1-2 мл. При этом сам метод предполагает ведение исследования, состоящего из трех основных этапов:

Выделение и на которых будет осуществляться анализ;

Окраска препарата;

Проведение тщательного анализа препарата под микроскопом.

Эффективным цитогенетический метод генетики может быть только тогда, когда будут соблюдены следующие условия. Во-первых, должно быть определенное количество клеток, находящихся в метафазной стадии. Во-вторых, культивирование должно проводиться в строгом соответствии с установленными правилами и в течение периода не менее 72 часов. В-третьих, фиксация клеток должна производиться раствором и метанола в строгом соотношении этих веществ 3: 1.

На этапе окраски препарата для выбор цветов производится с учетом самой цели исследования, то есть, какой тип перестроек необходимо изучить. Чаще всего, используют метод сплошного окрашивания, так как он наиболее прост для определения количественного параметра хромосом. Современные исследования больше всего применяют данный метод окрашивания для определения аномалий кариотипа в их количественном выражении. Но такой цитогенетический метод не дает возможности определить и выявить структурную динамику хромосом. Поэтому применяют другие, специальные методы, которые позволяют нивелировать данный недостаток метода сплошного окрашивания. Наиболее распространенные из них, такие как метод дифференцированной окраски, G-метод, R-метод и иные.

И, наконец, третий этап исследования состоит в микроскопическом изучении окрашенных хромосом, находящихся в метафазной стадии. В ходе него устанавливается количество нормальных и аномальных по своему состоянию клеток организма плода человека. Для этого, как правило, проводится анализ нескольких тканей.