Liczba chromosomówchromosomchromosomów to stała i charakterystyczna cecha biologiczna każdego gatunku, a zmiany w liczbie chromosomów mogą prowadzić do zaburzeń rozwojowych. Istotne jest także utrzymanie prawidłowej budowy chromosomów, pozwalającej na skuteczne podziały komórek.

U człowieka występują 23 pary chromosomów w komórkach diploidalnychkomórka diploidalnakomórkach diploidalnych. Są to komórki, w których występują pary chromosomów homologicznych o tej samej długości i pozycji centromeru, zawierające podobną informację genetyczną.

Gen kodujący daną cechę znajduje się w konkretnym locuslocus (l. mn. loci)locus na określonym chromosomie. Chromosom homologiczny również ma gen kodujący tę cechę, zlokalizowany w równoważnym locus. Gdy organizm ma dwa zestawy chromosomów (czyli jest diploidem), liczbę tę zapisuje się jako 2n, np. u człowieka jest to: 2n = 46.

W organizmie ludzkim występują także komórki haploidalnekomórka haploidalnahaploidalne (n), które zawierają po jednym chromosomie z każdej pary chromosomów homologicznych. Komórkami haploidalnymi są gamety, które powstają na drodze podziałów mejotycznych. Redukcja liczby chromosomów na etapie tworzenia się gamet pozwala na utrzymanie stałej liczby chromosomów w komórkach somatycznych organizmu potomnego.

W trakcie mitotycznego podziału komórkowego chromatyna ulega silnej kondensacji i przybiera postać chromosomów – są one najlepiej widoczne podczas metafazy. Obserwacje mikroskopowe wybarwionych chromosomów pozwalają zauważyć ciemne i jasne prążki, będące wynikiem różnego stopnia upakowania chromatyny. Ciemnym prążkom odpowiada bardziej upakowana heterochromatyna, a jasnym – rozluźniona struktura euchromatyny. Układ prążków jest charakterystyczny dla danego chromosomu i pozwala na identyfikację par chromosomów homologicznych.

RI8Psqgeuol16

Ilustracja przedstawia kariotyp chromosomów mitotycznych metafazy aloesu zwyczajnego. Na ilustracji jest 14 par chromosomów. Mają bardzo krótkie ramiona w górnej części i długie w dolnej. Osiem chromosomów jest długich, sześć par jest znacznie krótszych.

W chromosomie mitotycznym można wyróżnić regiony, takie jak:

• ramiona, oznaczane jako p (krótkie) lub q (długie);

• centromer, dzielący chromosom na ramiona i odpowiedzialny za segregację chromosomów podczas podziału;

• telomery, będące strukturalnym zakończeniem ramion chromosomu, zapewniającym im stabilność.

Klasyczny podział chromosomów ze względu na ich budowę oraz lokalizację centromeru wyróżnia cztery typy:

• chromosomy metacentryczne – centromer umieszczony jest w połowie długości chromosomu;
  u człowieka należą do nich chromosomy: 1, 3, 16, 19, 20;

• chromosomy submetacentryczne – centromer dzieli ramiona chromosomu na nierówne odcinki;
  stanowią największą grupę ludzkich chromosomów, w tym: 2, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 17, 18 oraz X i Y;

• chromosomy akrocentryczne – centromer zlokalizowany jest w pobliżu końca chromatyd;
  w kariotypiekariotypkariotypie człowieka to chromosomy: 13, 14, 15, 21, 22;

• chromosomy telocentryczne – centromer ulokowany jest na końcu ramion chromosomu;
  nie występują w prawidłowym kariotypie człowieka.

Więcej informacji o chromosomach znajdziesz w e‑materiale pt. Budowa i rodzaje chromosomów eukariotycznychP42xo0RW0Budowa i rodzaje chromosomów eukariotycznych.

Pełny zestaw chromosomów organizmu to kariotyp. Różnice w kariotypie zależą nie tylko od gatunku, lecz także od płci organizmu.

REegtnyGMKarI

Zdjęcie przedstawia kariotyp żyta zwyczajnego. Pary chromosomów są oznaczone cyframi od 1 do 7. Chromosomy są wybarwione na kolor fioletowy. Na końcach chromatyd są różowe kropki. Chromosomy mają postać złączonych ze sobą w pary laseczek. Mają tę samą długość.

U człowieka występują 23 pary chromosomów, z których 22 pary to tzw. autosomychromosomy autosomalneautosomy, a para 23 – ostatnia – to chromosomy płci (allosomy, heterosomychromosomy heterosomalne (płciowy)heterosomy), odpowiedzialne za determinację płci i cechy sprzężone z płcią. Organizmy żeńskie ssaków mają homologiczną parę chromosomów XX, a u organizmów męskich występuje para XY. Większość genów znajdujących się na chromosomie X ostatniej pary nie ma odpowiedników na niewielkim chromosomie Y.

Badanie kariotypu

Badanie kariotypu – tzw. kariotypowaniekariotypowaniekariotypowanie – pozwala na wykrycie aberracji liczbowych oraz aberracji strukturalnych.

RNcQXK61aGCXX

Na zdjęciu widoczny kariotyp mężczyzny – 22 chromosomy ułożone w parach oraz chromosom X i Y. Chromosomy mają postać pionowych, podłużnych laseczek, jedna laseczka to chromatyda. Czasami jedna z chromatyd jest nieco wygięta. W parze są podobnej długości. Niektóre chromosomy są długie, inne krótkie.

• Badanie kariotypu u człowieka wykonuje się zwykle z limfocytów krwi obwodowej oraz komórek szpiku kostnego lub skóry.

• Kariotypy przygotowuje się z wyizolowanych komórek somatycznych, które następnie inkubuje się przez kilka dni z substancjami chemicznymi stymulującymi podziały mitotyczne.

• Do hodowli komórkowej dodaje się substancję blokującą podziały w stadium metafazy, np. kolchicynękolchicynakolchicynę.

• Komórki umieszczane są w roztworze hipotonicznym, w którym następuje osmotyczny napływ wody do ich wnętrza – w efekcie komórki pęcznieją, dzięki czemu chromosomy się rozsuwają i stają się lepiej widoczne.

• Następnie komórki się wybarwia, w celu uwidocznienia charakterystycznego dla każdej pary chromosomów homologicznych wzoru prążków.

• Chromosomy obserwuje się przez mikroskop, fotografuje i zestawia parami według rozmiaru i kształtu. Największy chromosom jest na ogół kilkukrotnie dłuższy od najmniejszego.

• Po zestawieniu chromosomów w pary układa się je w kolejności od największych do najmniejszych – to najczęściej spotykany układ prezentacji kariotypu.

W 1960 r. Peter Nowell i David Hungerford z Uniwersytetu Pensylwanii w Filadelfii odkryli mały chromosom w białych krwinkach pacjentów chorujących na przewlekłą białaczkę szpikową. Ten anormalnyanormalnośćanormalny chromosom nazwali chromosomem Filadelfia. Rozwój technik cytogenetycznych pozwolił amerykańskiej genetyczce Janet Rowley na identyfikację tego chromosomu jako efektu translokacji między chromosomami 9 i 22. Współcześnie badania w kierunku obecności chromosomu Filadelfia stanowią podstawę do diagnozy przewlekłej białaczki szpikowej.

Więcej informacji o aberracjach liczbowych i strukturalnych znajdziesz w e‑materiałach:

• Mutacje chromosomowe strukturalnePa5rZyd9kMutacje chromosomowe strukturalne;

• Mutacje chromosomowe liczboweP1A71bTdnMutacje chromosomowe liczbowe.

Wnikliwą analizę budowy chromosomów oraz ich identyfikację umożliwiły techniki barwienia chromosomów. Jedną z podstawowych metod jest barwienie odczynnikiem Giemsy (Lazur B, eozyna i błękit metylenowy). W jego wyniku chromosomy uzyskują widoczne prążkowanie, odzwierciedlające regiony heterochromatyny (bogate w pary AT) i euchromatyny (zawierające więcej par GC). Graficzne przedstawienie kariotypu uwzględniające liczbę, budowę oraz prążkowanie chromosomów to idiogramidiogramidiogram.

Efekt działania barwnika zależy od obróbki materiału bezpośrednio przed barwieniem:

• Prążki G – technika bazująca na odczynniku Giemsy odpowiada za wyznaczanie prążków G i wymaga wcześniejszego trawienia materiału enzymem protelitycznym. Rejony bogate w pary AT silnie wiążą barwnik, tworząc prążki G ciemne; rejony bogate w pary GC wybarwiają się słabiej, tworząc prążki G jasne.

• Prążki R – przez zastosowanie denaturacji termicznej DNA w kwaśnym roztworze promowana jest denaturacja sekwencji bogatych w pary AT. Umożliwia to wybarwienie w większym stopniu sekwencji bogatych w pary GC, stąd prążki R stanowią odwrotność prążków G.

• Prążki C – barwienie odczynnikiem Giemsy po wcześniejszej denaturacji w środowisku zasadowym pozwala na wybarwienie regionów heterochromatyny konstytutywnej, która jest nieaktywna transkrypcyjnie. W wyniku tego barwienia wyznaczona zostaje lokalizacja centromerów pochłaniających barwnik mocniej niż pozostałe części chromosomów.

R1F3Xej9HX7Cy

Zdjęcie przedstawia kariotyp kukurydzy zwyczajnej. Chromosomy ponumerowano do 1 do 10. Ostatni chromosom jest znacznie krótszy od pozostałych. W chromosomach widoczne są paski w różnych odcieniach szarości.

Rewolucją w badaniach cytogenetycznych było zastosowanie techniki wykorzystującej zjawisko fluorescencji – fluorescencyjnej hybrydyzacji in situ (FISH). W analizie kariotypu metoda ta polega na użyciu sond wyznakowanych barwnikami fluorescencyjnymi (fluorochromamifluorochromfluorochromami) – np. rodaminą, fluoresceiną lub kumaryną. Wyznakowane sondy łączą się z komplementarnymi sekwencjami DNA. Po wzbudzeniu fluorochromy emitują fale o danych długościach, które obserwuje się w mikroskopie fluorescencyjnym jako sygnał świetlny.

Metoda FISH wykorzystywana w cytogenetyce pozwala na wskazanie dokładnych miejsc mutacji, duplikacji regionów chromosomów oraz translokacji ich fragmentów, a tym samym na dokładne i szybkie wykrywanie chorób spowodowanych zaburzeniami w budowie chromosomów. Połączenie sond z różnymi fluorochromami umożliwia jednoczesną analizę kariotypu pod kątem wielu chorób, a także wyznakowanie całych chromosomów na różne kolory. Dzięki temu możliwa jest np. szybka analiza zjawisk związanych ze zwielokrotnieniem chromosomów w genomie lub wizualizacja procesu duplikacji całego garnituru chromosomów.

RwwKs8TBHPrNT

Zdjęcie przedstawia kariotyp chromosomów mitotycznych metafazy eukaliptusa kamaldulskiego. Chromosomy ustawione są w jednym rzędzie od najwyższych par do najniższych. Wybarwione są na niebiesko. Niektóre z nich mają świecące miejsca - głównie na dolnych lub górnych końcach ramion.

Zastosowanie nowoczesnych technik analizy kariotypu pozwala na określenie zmian w budowie oraz liczbie chromosomów, a co za tym idzie – na przewidywanie wpływu tych zmian na organizm. Ma to ogromne znaczenie w przypadku człowieka, u którego zwielokrotnienie lub brak danego chromosomu skutkuje wadami rozwojowymi.

Analiza kariotypu nie ogranicza się jednak tylko do człowieka. Od lat prowadzone są obserwacje skupiające się na kariotypach roślin. Jednymi z najczęściej wykorzystywanych organizmów są bobik (Vicia faba var. minorcebula) i cebula (Allium cepa). Korzenie tych roślin służą jako bioindykatory w testach toksyczności i genotoksyczności próbek pobranych ze środowiska. Testy te są bardzo czułe, a przy tym stosunkowo niedrogie. Obserwacje mikroskopowe dzielących się komórek, a także analiza kariotypu, w tym liczby i budowy chromosomów, pozwalają na ustalenie zagrożenia związanego z długotrwałym przebywaniem organizmów na danym terenie. Wyniki uzyskane tą metodą są jednak trudne do przeniesienia na ewentualny wpływ danego czynnika na organizm zwierzęcy, ze względu na odmienną budowę komórkową.

Obserwacje bioindykacyjne z wykorzystaniem analizy kariotypu pozwalają na ustalenie mechanizmu działania substancji, które uważane są za potencjalnie niebezpieczne. Ekspozycja na związek danego typu może bowiem prowadzić do zmian w budowie chromosomów, ich nieprawidłowego łączenia się lub zaburzeń w podziale komórkowym, co może skutkować zwielokrotnieniem chromosomów.

Podsumowując: analiza kariotypu stanowi cenne źródło wiedzy oraz ważne narzędzie do oceny stanu środowiska naturalnego, a także wpływu człowieka na zmiany poziomu ploidii roślin.

Słownik