Кариотип в биологии - методы изучения и анализ генетических мутаций в организме человека

Общие сведения

За хранение и передачу генетической информации отвечают молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты или ДНК, образованные цепочками азотистых оснований или нуклеотидами. В молекулах ДНК их бывает четыре вида:

• тимин;
• цитозин;
• аденин;
• гуанин.

Последовательности определенного числа нуклеотидов ДНК, следующие друг за другом, называются генами. Они способны к мутации и передаче по наследству в виде целостной информационной единицы. Кроме того, в каждом из них закодирован процесс синтеза белка или полипептида, отвечающего за определенную характеристику организма.

Понятие кариотипа

Носители ДНК представляют собой нитевидные структуры, сконцентрированные в ядре каждой клетки любого живого существа, и называются хромосомами. Свое название они получили от греческого слова «хром», что означает «цвет», так как могут очень хорошо поглощать красители. На их концах находятся теломеры, препятствующие слипанию. За движение отвечает первичная перетяжка или центромера. Расстояния от центромеры до концов называются плечами. Ее положение определяется центромерным индексом.

Совокупность всех признаков хромосомного набора (число, размеры, количество перетяжек и др.), характерных для определенного вида, называется в биологии кариотипом. У человека полный набор хромосом равен 46. Таким образом, в человеческих клетках их 23 пары. Первые двадцать две одинаковы у мужчин и женщин и называются аутосомами, а двадцать третья пара — половая. У женщин это две одинаковые крупные Х-хромосомы, у мужчин второй в паре является небольшая Y-хромосома. Одна из X-хромосом получена от матери, отцовская же и определяет пол человека: X женский, Y — мужской.

Гаплоидные и диплоидные клетки

Все органы и ткани человеческого организма состоят из соматических клеток, которые относятся к диплоидным, так как обладают полным набором хромосом. Исключением являются только половые (яйцеклетки и сперматозоиды): они содержат половину хромосом (23), то есть являются гаплоидными.

Когда зарождается новая жизнь, происходит слияние материнской и отцовской гаплоидных клеток в диплоидную зиготу, содержащую 46 хромосом. Будущий ребенок получает генетическую информацию от обоих родителей. При дальнейшем делении зиготы вновь образовавшиеся пары содержат похожие по длине и внешнему виду, но не идентичные пары, которые называются гомологичными. Некоторые участки родительские генов в них меняются местами, что ведет к образованию новых фенотипов у потомства.

Не все изменения хромосом полезны. Как на стадии деления зиготы, так и в процессе соединения или смешивания аллелей генов родителей могут возникать нарушения, приводящие к тяжелым заболеваниям. Сейчас их выявляют путем сравнения кариотипа плода, ребенка или взрослого человека с образцом без патологий.

Возможные патологии

Без исследования кариотипа на соответствие нормальному в некоторых случаях не обойтись: только цитогенетический анализ представит картину возможных изменений наследственной информации. Гены с нарушениями могут как передаться от родителей, так и возникнуть в момент оплодотворения или деления зиготы. Хромосомные патологии бывают количественные и структурные.

Первые вызываются увеличением или уменьшением необходимого числа хромосом (анеуплоидией), что всегда приводит к неправильному развитию плода. Пример такого отклонения — Синдром Дауна. У человека вместо 46 хромосом обнаруживается 47. Третья лишняя примыкает к 21-й паре. При структурных патологиях наблюдаются разные повреждения генов или изменяется их последовательность. Классификация изменений структуры:

• транслокации;
• делеции;
• инсерции;
• дупликации;
• инверсии;
• кольцевые хромосомы.

Транслокационные изменения происходят при обмене небольшими фрагментами между разными хромосомами или прилипании части одной пары к другой. Если количество генного материала не изменилось, то произошла сбалансированная транслокация. Она, как правило, никак не отражается на человеке и несет опасность только будущему ребенку, потому что может стать несбалансированной с гораздо более серьезными последствиями.

Делеция (удаление) затрагивает любую часть каждой из хромосом. От величины и важности утраченной части зависит состояние будущего ребенка. Инсерции (вставки) возникают, если какие-либо участки генов оказались не на положенном месте в своей или другой хромосоме. Значительные перемещения вызывают различные патологии у детей, небольшие бывают и у полностью здоровых людей.

Дупликации возникают при удвоении части хромосомы и приводят к избытку генетической информации. Инверсией называется разворачивание части хромосомы таким образом, что гены на ней оказываются расположенными в обратном порядке. Обычно это никак не сказывается на здоровье носителя. Кольцевые хромосомы образуются при слипании их концов. Чаще всего это происходит с укороченными частями, поэтому отсутствие или тяжесть патологии зависят от ценности утраченного материала.

Методы исследования

В период интерфазы (подготовительной стадии деления) хромосомы не видны в микроскоп, изучение и проведение различных опытов с ними становится доступно на стадии метафазы (деления) клетки, когда они удваиваются и спирализуются. Молекулы такого вида называют хроматидами. Их можно изучать и фотографировать с помощью микроскопа.

Получение визуального отображения кариотипа или кариограммы основано на том, что при окрашивании специальными красителями участки хроматид связываются с ним неравномерно. При этом их тела приобретают характерную поперечно-полосатую структуру, специфичную для каждой пары. Метки в виде полосок называются бэндами, а процесс окрашивания — бэндингом.

У гомологичных хроматид окраска получается идентичной, за исключением областей локализации разных аллелей генов. Способность генетического материала к дифференциальному окрашиванию легла в основу анализа кариотипа, позволяющего обнаружить возможные патологии у супругов и их будущего ребенка. Методы таких исследований:

1. Q-окрашивание с помощью акрихин-иприта выявляет Q-сегменты. Сейчас используется в основном для анализа Y-хромосом, определения участков обмена между X и Y-хромосомами и установления пола ребенка.
2. При G-окрашивании применяется краситель Гимзы, который действует на G-сегменты. Лучше всего выявляет хромосомы, сегментированные иначе, чем нормальные.
3. R-окрашивание противоположно G-окрашиванию. Применяется для определения различий на участках сестринских хроматид.
4. С-окрашивание используют при анализе центромерных районов хромосом, содержащих гетерохромные участки (неоднородности).
5. Т-окрашивание применяют для изучения хромосомных теломер и уточнения результатов, полученных другими методами.

С помощью светового микроскопа делается несколько фотографий, на основании которых составляется рисунок кариограммы — нумерованного набора всех хромосомных пар, расположенных вертикально длинными плечами вниз. В конце изображают половые хромосомы. В последнее время получил развитие метод спектрального кариотипирования SKY и основанный на применении флуоресцентных красок FISH.

Показания к диагностике

В идеальном варианте каждой паре, планирующей завести ребенка, рекомендуется пройти определение числа хромосом методом кариотипирования. Цель анализа — оценить репродуктивные возможности будущих родителей.

Кариотипирование выявит мутации генов у здоровых людей, которые могут быть причиной развития пороков и болезней у детей. Исследования обязательно должны проводиться при проблемах с зачатием и невынашиванием беременности. Другие показания:

• один или обе супруга старше 35 лет;
• бесплодие и гормональные нарушения;
• интоксикация организма из-за условий работы или вредных привычек;
• неблагоприятные экологические условия в месте постоянного проживания;
• близкородственные браки;
• безуспешные попытки искусственного оплодотворения;
• частые самопроизвольные аборты;
• нахождение в группе риска из-за алкоголизма или наркомании в прошлом;
• известные случаи наследственных заболеваний в семьях супругов или у них самих;
• хромосомные мутации у старших детей.

Диагностика проводится один раз в жизни, так как кариотип человека с возрастом не меняется. Расшифровку результатов делает врач-генетик. В норме они выглядят как 46XX для женщин и 46XY для мужчин. При обнаружении патологических изменений она будут отличаться — например, запись 46XY21+ означает лишнюю хромосому в 21-й паре (болезнь Дауна у мальчика). Длинное хромосомное плечо обозначается буквой q, короткое — t, т. е. запись 46ХХ5t расшифровывается как утрата короткого плеча в пятой паре (болезнь кошачьего крика у девочки).

Подготовка к анализу

Во время сдачи биологического материала на кариотипирование пациент должен хорошо себя чувствовать и быть здоровым. Инфекционные болезни и обострение хронических исказят результат. Так как для анализа нужны клетки на определенной стадии деления, подготовка заключается в исключении факторов, замедляющих их рост. За две недели до начала исследования нужно бросить курение, полностью исключить из рациона алкоголь и вредные продукты.

Если пациент проходит медикаментозную терапию, то нужно выяснить у лечащего врача, можно ли от нее отказаться. Перед сдачей крови принимать пищу можно не позднее, чем за 9−11 часов до анализа, питье — за 2−3 часа. Диагностика длится около двух недель. Кроме одноядерных лейкоцитов, извлекаемых из крови, по показаниям могут исследоваться фибробласты кожи или костный мозг.

Остановка процесса деления на стадии метафазы происходит при добавлении колхицина. По полученным клеткам с помощью дифференциального окрашивания составляют кариограмму. Этот метод позволяет выделять не только отдельные гомологичные хромосомы, но их участки, что помогает выявить структурные изменения генов и поставить точный диагноз.

Риски и их последствия

Если кариограмма показывает мутации или аберрации генов, то на стадии планирования беременности врач объясняет паре возможные риски рождения больного ребенка. При обнаружении аномалий у плода женщине могут предложить, но не настаивать на прерывании беременности. Генетические патологии неизлечимы, поэтому супругам придется принять сложное решение.

Когда риски невелики, генетик может назначить курс препаратов, еще больше снижающих вероятность заболевания. Для установления кариотипа при нарушениях в репродуктивной системе взрослых или уточнения диагноза у детей используется венозная кровь, при пренатальных исследованиях — околоплодные воды. Кариограмма позволяет оценить и общее состояние генов. Этим методом можно выявить:

• генные мутации, влияющие на тромбооразование — нарушения в кровотоке мелких сосудов во время формирования плаценты могут быть причиной частых выкидышей и бесплодия;
• патологии Y-хромосомы (исследуется сперма);
• мутации генов, ответственных за детоксикацию организма;
• мутацию гена муковисцидоза.

Кроме того, может устанавливаться генетическая предрасположенность ко многим болезням — сахарному диабету, инфаркту миокарда, заболеваниям суставов, гипертонии.

Кариотипирование помогает решить проблему бесплодия и предотвратить рождение детей с неизлечимыми патологиями.