Цитогенетика
Предмет цитогенетики — исследование нормального хромосомного набора и хромосомных аномалий, лежащих в основе наследственных болезней.
I. Хромосомные аномалии. Нормальный хромосомный набор человека включает 46 хромосом, в том числе 22 пары аутосом и 1 пару половых хромосом XX или XY. Частота хромосомных аномалий у детей, родившихся живыми, составляет 0,7%; у мертворожденных плодов — 5%; при ранних самопроизвольных абортах — 50%. Известно множество хромосомных аномалий, в том числе — связанных с эндокринными болезнями (см. табл. 4.1). Основные типы аномалий:
А. Численные изменения хромосомного набора.
Б. Структурные изменения (аберрации) отдельных хромосом.
Аномалии могут затрагивать как аутосомы, так и половые хромосомы. Если хромосомная аномалия присутствует в половой клетке, то все клетки будущего организма наследуют эту аномалию (что приводит к развитию полной формы наследственной болезни). Хромосомные аномалии могут возникать и в соматических клетках, особенно на ранних стадиях эмбриогенеза. В таких случаях только часть клеток организма имеет хромосомную аномалию (хромосомный мозаицизм). Часто встречается мозаицизм по половым хромосомам.
Для унификации цитогенетических исследований разработана Международная цитогенетическая номенклатура хромосом человека (ISCN, 1978), основанная на дифференциальном окрашивании хромосом по длине. Эта номенклатура позволяет подробно описать каждую хромосому: ее порядковый номер, плечо (p — короткое плечо, q — длинное плечо), район, полосу и даже субполосу. Например, 2p12 обозначает 2-ю хромосому, короткое плечо, район 1, полосу 2.
II. Дифференциальное окрашивание хромосом. Разработан ряд методов окрашивания (бэндинга), позволяющих выявить комплекс поперечных меток (полос, бэндов) на хромосоме. Каждая хромосома характеризуется специфическим комплексом полос. Гомологичные хромосомы окрашиваются идентично, за исключением полиморфных районов, где локализуются разные аллельные варианты генов. Аллельный полиморфизм характерен для многих генов и встречается в большинстве популяций. Выявление полиморфизмов на цитогенетическом уровне не имеет диагностического значения.
А. Q-окрашивание. Первый метод дифференциального окрашивания хромосом был разработан шведским цитологом Касперссоном, использовавшим с этой целью флюоресцентный краситель акрихин-иприт. Под люминесцентным микроскопом на хромосомах видны участки с неодинаковой интенсивностью флюоресценции — Q-сегменты. Метод лучше всего подходит для исследования Y-хромосом и потому используется для быстрого определения генетического пола, выявления транслокаций (обменов участками) между X- и Y-хромосомами или между Y-хромосомой и аутосомами, а также для просмотра большого числа клеток, когда необходимо выяснить, имеется ли у больного с мозаицизмом по половым хромосомам клон клеток, несущих Y-хромосому.
Б. G-окрашивание. После интенсивной предварительной обработки, часто с применением трипсина, хромосомы окрашивают красителем Гимзы. Под световым микроскопом на хромосомах видны светлые и темные полосы — G-сегменты. Хотя расположение Q-сегментов соответствует расположению G-сегментов, G-окрашивание оказалось более чувствительным и заняло место Q-окрашивания в качестве стандартного метода цитогенетического анализа. G-окрашивание дает наилучшие результаты при выявлении небольших аберраций и маркерных хромосом (сегментированных иначе, чем нормальные гомологичные хромосомы).
В. R-окрашивание дает картину, противоположную G-окрашиванию. Обычно используют краситель Гимзы или флюоресцентный краситель акридиновый оранжевый. Этим методом выявляют различия в окрашивании гомологичных G- или Q-негативных участков сестринских хроматид или гомологичных хромосом.
Г. C-окрашивание используют для анализа центромерных районов хромосом (эти районы содержат конститутивный гетерохроматин) и вариабельной, ярко флюоресцирующей дистальной части Y-хромосомы.
Д. T-окрашивание применяют для анализа теломерных районов хромосом. Эту методику, а также окрашивание районов ядрышковых организаторов азотнокислым серебром (AgNOR-окрашивание) используют для уточнения результатов, полученных путем стандартного окрашивания хромосом.
III. Цитогенетические исследования in vitro. Информативность этих исследований зависит от типа клеток, состава культуральной среды, продолжительности культивирования клеток, а также от применения добавок, синхронизирующих клеточный цикл или подавляющих метаболизм.
А. Метафазный анализ. Чаще всего используют 72-часовые культуры лимфоцитов, стимулированных фитогемагглютинином. На правильно приготовленном препарате метафазной пластинки должно быть видно не менее 500—550 полос в расчете на гаплоидный набор хромосом. Если результат нужно получить быстрее, исследуют 48-часовую культуру лимфоцитов или свежий препарат клеток костного мозга. Указанные методы позволяют обнаружить численные нарушения кариотипа, но их чувствительность недостаточна для анализа небольших аберраций.
Б. Профазный анализ. Путем синхронизации клеточного цикла и применения ингибиторов синтеза веретена деления можно блокировать митоз на стадиях поздней профазы или прометафазы. На этих стадиях хромосомы спирализованы не полностью и на них видно гораздо больше полос, чем на метафазных хромосомах (более 800 полос на гаплоидный набор). Методика очень чувствительна, но сложна, поэтому ее используют только для детального анализа аномалий, предварительно выявленных более простыми методами.
В. Другие методы
1. Культивирование клеток в присутствии кластогенных веществ для исследования разрывов и реагрегации хромосом.
2. Культивирование в среде с недостатком фолиевой кислоты для выявления участков ломкости хромосом.
3. Культивирование фибробластов кожи или клеток других органов для выявления аномалий половых хромосом.
IV. Молекулярная цитогенетика. Это группа методов анализа хромосом с применением молекулярных зондов.
А. Флюоресцентная гибридизация in situ. Зондами служат меченные флюоресцентными красителями олигонуклеотиды, комплементарные повторяющимся последовательностям ДНК. Эти зонды гибридизуются с интерфазными или метафазными хромосомами. Под люминесцентным микроскопом на препаратах интерфазных клеток или метафазных пластинок видны яркие флюоресцирующие пятна. Метод чаще всего применяют для быстрого установления пола, выявления трисомии и других типов анеуплоидии в интерфазных клетках, а также для цитогенетического анализа опухолевых клеток.
Б. Раскрашивание хромосом. Для детального анализа какой-либо одной хромосомы используют набор флюоресцентных олигонуклеотидных зондов, комплементарных разным нуклеотидным последовательностям этой хромосомы. Зонды «раскрашивают» нужную хромосому независимо от ее положения в клетке или структурной целостности. Таким путем выясняют происхождение маркерных хромосом и малых дупликаций.
В. Малокопийные зонды. Зонд, комплементарный уникальной последовательности ДНК, может быть использован для обнаружения известной мутации, связанной с определенным фенотипом (с целью уточнения диагноза). Методика дает хорошие результаты при выявлении субмикроскопических делеций. Такие делеции описаны при синдромах Прадера—Вилли и Ди Джорджи. Применяют флюоресцентные, меченные радиоактивным изотопом или биотинилированные зонды.