Cytogenetyka Konspekt do zajęć z przedmiotu Cytogenetyczna i molekularna diagnostyka chorób genetycznych dla kierunku Biotechnologia dr Anna Skorczyk-Werner Katedra i Zakład Genetyki Medycznej Aberracje chromosomowe - choroby genetyczne związane z widocznymi zmianami liczby lub struktury chromosomów Chromosom struktura znajdująca się w jądrze, zbudowana z liniowej cząsteczki DNA i białek, wzdłuż której ułożone są geny, widoczna pod mikroskopem podczas podziałów komórkowych. Chromatyna DNA w połączeniu z białkami, który wypełnia jądro, a w trakcie podziału (mitozy lub mejozy) zwija się (ulega kondensacji) w pałeczkowate struktury zwane chromosomami. Nukleosom struktura przypominająca koralik, zbudowana z białek histonowych (histony) i nawiniętego dwukrotnie DNA Histony białka zasadowe tworzące z DNA kompleks DNA-białko. Włókno chromatynowe ułożone wzdłuż jednej osi nukleosomy. Budowa morfologiczna chromosomu w stadium metafazy: Centromer miejsce połączenia dwóch chromatyd Chromatyda jedno z dwóch ramion chromosomu po replikacji Telomer odcinek końcowy (terminalny) chromosomu Ramię p krótkie ramię chromosomu (powyżej centromeru) Ramie q długie ramię chromosomu (poniżej centromeru) 1
Typy chromosomów u człowieka: U człowieka nie występują chromosomy telocentryczne! Grupy chromosomów - pary A 1-3 duże chromosomy metacentryczne B 4-5 duże chromosomy submetacentryczne C 6-12 i X średnie chromosomy submetacentryczne D 13-15 duże chromosomy akrocentryczne E 16-18 małe chromosomy submetacentryczne F 19-20 małe chromosomy metacentryczne G 21-22 i Y małe chromosomy akrocentryczne 2
Aberracje chromosomów: - aberracje liczby chromosomów - aberracje struktury chromosomów Aberracje mogą dotyczyć zarówno chromosomów płci, jak i autosomów Aberracje liczby chromosomów - ogólna liczba chromosomów jest różna od prawidłowej liczby 46 chromosomów. - zmiany liczbowe mogą dotyczyć zarówno całego zestawu chromosomów (poliploidie), jak i pojedynczego chromosomu (aneuploidie). Poliploidia - Triploidia (69,XXX,XXY lub XYY) -3% wszystkich poczęć, w większości przypadków poronienia samoistne Aneuploidia (autosomy) - Nullisomia (utrata pary chromosomów homologicznych) - letalne przed implantacją - Monosomia (utrata jednego chromosomu) - letalne w stadium embrionalnym - Trisomia (jeden chromosom dodatkowy) - zwykle letalne, z wyjątkiem trisomii chromosomów 13, 18, 21 Aneuploidia (chromosomy płci) - Dodatkowy chromosom płci - normalna długość życia - Utrata chromosomu płci (45,X) - 99% przypadków-poronienia samoistne, normalna inteligencja, bezpłodność Poliploidie Triploidia - obecność dodatkowego haploidalnego zestawu chromosomów w wyniku czego w jądrze komórkowym zamiast 46 mamy 69 chromosomów. Triploidia powstaje w wyniku: - Zapłodnienia komórki jajowej przez dwa plemniki, czyli tak zwanej dispermii. - Połączenia się nieprawidłowej diploidalnej gamety żeńskiej z prawidłowym plemnikiem, czyli tak zwanej dygynii. - Połączenia się nieprawidłowego diploidalnego plemnika z prawidłową gametą żeńską, czyli tzw. diandrii (najrzadsze). Triploidia obraz kliniczny - Jeśli dodatkowy zestaw chromosomów pochodzi od matki charakterystyczne cechy fenotypowe płodu to: wewnątrzmaciczne ograniczenie wzrostu, bardzo małe łożysko (niski poziom βhcg) i hipoplazja nadnerczy. - Jeśli dodatkowy zestaw chromosomów pochodzi od ojca mamy do czynienia z bardzo dużym łożyskiem i zaśniadem groniastym, przy często normalnych rozmiarach płodu. - Cechy fenotypowe to także: syndaktylia 3. i 4. palca, wady układu płciowego i moczowego, wady rozwojowe mózgu, wady serca. - Triploidia jest aberracją letalną, czyli prowadzi do obumarcia płodu (najczęściej) lub śmierci noworodka. 3
Tetraploidia - obecność dwóch dodatkowych haploidalnych zestawów chromosomów w wyniku czego w jądrze komórkowym zamiast 46 mamy 92 chromosomów. Tetraploidia powstaje w wyniku: - Nieprawidłowego pierwszego podziału zygoty. - Tetraploidia jest aberracja letalną, prowadzącą do obumarcia zarodka/płodu. Aneuploidie Trisomia - występowanie dodatkowego chromosomu homologicznego danej pary. - Trisomia jest wynikiem zjawiska nondysjunkcji, czyli nierozdzielenia się chromosomów homologicznych lub chromatyd w trakcie podziału mejotycznego lub mitotycznego. - Wynikiem nondysjunkcji jest powstanie z jednej strony gamet disomicznych (z dwoma chromosomami) lub z drugiej strony nullisomicznych (bez chromosomu). - Połączenie gamety disomicznej z prawidłową prowadzi do powstania trisomii określonej pary chromosomów. - Połączenie gamety nullisomicznej z gametą prawidłową prowadzi do powstania monosomii określonej pary chromosomów. Monosomia - brak jednego chromosomu homologicznego w danej parze. - Monosomia powstaje w wyniku nondysjunkcji. - Efektem nondysjunkcji jest powstanie gamety nullisomicznej pozbawionej chromosomu danej pary. - Po połączeniu nullisomicznej gamety z gametą prawidłową powstaje monosomia określonej pary chromosomów. - W przypadku zespołu Turnera (45,X) monosomia może być wynikiem opóźnionego ruchu chromosomu Y w stadium anafazy. Aneuploidie skutki: - Większość trisomii i monosomii jest letalna prowadzi do obumarcia zarodka/płodu we wczesnym okresie ciąży, najczęściej w pierwszym trymestrze ciąży. Wyjątek stanowią trisomie chromosomów pary: 13, 18 i 21 oraz monosomia chromosomu X, które spotyka się u żywo urodzonych noworodków. - Także aberracje liczbowe chromosomów płci, takie jak: 47,XXY; 47,XXX; 47,XYY związane są z łagodniejszymi skutkami klinicznymi. - Monosomie są letalne w bardzo wczesnym stadium rozwojowym (embrionu), prowadząc do bardzo wczesnej utraty ciąży, która nie jest klinicznie rozpoznawalna w tym czasie (najczęściej kobieta jeszcze nie wie, że jest w ciąży). - Do nondysjunkcji najczęściej dochodzi w gamecie matczynej, podczas oogenezy (90% przypadków), rzadko nondysjunkcja występuje w trakcie spermatogenezy. - Zjawisko nondysjunkcji jest związane z wiekiem matki (efekt wieku). - U kobiet między 20-29 rokiem życia ryzyko jest stałe, natomiast po ukończeniu 30 roku życia ryzyko nondysjunkcji sukcesywnie rośnie wraz z wiekiem matki. - Ryzyko związane z wiekiem jest takie same dla kobiet, które wcześniej urodziły dziecko, jak i dla kobiet, dla których jest to pierwsza ciąża. 4
Aberracje liczbowe: - powstają najczęściej de novo, a nie w wyniku odziedziczenia od rodziców. - Aberracje liczbowe, poza kilkoma wyjątkami prowadzą do obumarcia zarodka/płodu, martwego porodu lub zgonu okołoporodowego - Aberracje liczbowe chromosomów stanowią około 50% przyczyn poronień samoistnych w pierwszym trymestrze ciąży. Mozaikowość - występowanie w jednym organizmie dwóch lub więcej linii komórkowych o różnym kariotypie, pochodzących z tej samej zygoty. Pochodzenie mozaikowości: - Aberracja chromosomowa powstała po zapłodnieniu, podczas pierwszych podziałów zygoty, w wyniku nieprawidłowego podziału mitotycznego. - Aberracja jest wynikiem ratowania embrionu z aberracją chromosomową, kiedy z tylko z części komórek nadmierny materiał zostaje usunięty. Aberracje struktury chromosomów Zrównoważone Translokacje zrównoważone Inwersje Niezrównoważone Duplikacje Delecje Chromosomy pierścieniowe Izochromosomy Chromosomy markerowe Addycje Aberracje zrównoważone Translokacje Przemieszczenie się materiału genetycznego pomiędzy chromosomami Typy translokacji: - Wzajemne - Robertsonowskie Translokacja wzajemna zrównoważona - Fragmenty chromosomów oderwały się i zamieniły się miejscami. - Nie doszło do utraty materiału genetycznego Translokacja robertsonowska (fuzja centryczna) - Dotyczy chromosomów akrocentrycznych - Dwa chromosomy akrocentryczne tracą ramiona krótkie i łączą się ze sobą powstaje jeden chromosom dwuramiennytranslokacja robertsonowska jest translokacją 5
zrównoważoną, ponieważ utrata ramion krótkich chromosomów akrocentrycznych nie powoduje utraty genów - Inwersja - Chromosom ulega złamaniu w 2 miejscach, a fragment pomiędzy złamaniami ulega odwróceniu o 180 stopni - Inwersja jest aberracją zrównoważoną Aberracje niezrównoważone: Delecja - utrata części chromosomu Duplikacja - podwojenie części chromosomu Delecje i duplikacje są aberracjami niezrównoważonymi łączą się z utratą lub nadmiarem materiału genetycznego Chromosom pierścieniowy - Chromosom pęka w obu ramionach, dystalne części chromosomów ulegają utracie, a pozostała część chromosomu tworzy pierścień - Aberracja chromosomowa niezrównoważona Izochromosom - Nieprawidłowy chromosom, który ma delecję jednego, a duplikację drugiego ramienia - Może powstać wskutek poprzecznego podziału centromeru - Aberracja niezrównoważona Chromosomy markerowe - Małe dodatkowe chromosomy niejasnego pochodzenia, stwierdzane w 1/2500 ciąż - W 90% przypadków pochodzą z krótkich ramion chromosomów akrocentrycznych (około połowa pochodzi z chromosomu 15) - Chromosomy markerowe wymagają identyfikacji metodami cytogenetyki molekularnej (FISH malowanie chromosomów) Kliniczne skutki aberracji chromosomowych: Niezrównoważonych: U zarodka - obumarcie U dzieci żywo urodzonych: - Zespoły wad wrodzonych z upośledzeniem umysłowym - Upośledzenie umysłowe z cechami dysmorfii - Zaburzenia cielesno-płciowe Zrównoważonych nosiciel aberracji jest zdrowy, ale może mieć niepowodzenia rozrodu (brak ciąży, poronienia samoistne, porody martwe, dzieci z zespołem wad i upośledzeniem umysłowym) Fenotyp osoby z niezrównoważoną aberracją chromosomową w zakresie autosomów - Często dystrofia wewnątrzmaciczna - Często nieprawidłowy przebieg ciąży (krwawienie z dróg rodnych, nieprawidłowa ilość płynu owodniowego, wady płodu w badaniu USG) - Wady wrodzone, w tym wady narządów wewnętrznych, często wada serca 6
- Dysmorfia twarzy, dysplastyczne małżowiny uszne - Upośledzenie umysłowe zawsze, nawet przy słabo wyrażonych pozostałych w/w objawach Wskazania do określenia kariotypu: - Zespół wad wrodzonych współistniejący z opóźnieniem rozwoju/upośledzeniem umysłowym - Upośledzenie umysłowe - Podejrzenie zespołu mikrodelecji - Zaburzenia różnicowania płci - Niepowodzenia rozrodu (brak ciąży, poronienia samoistne, obumarcie ciąży, zgon dziecka w okresie perinatalnym) Badanie kariotypu: - można użyć każdej rosnącej tkanki, najczęściej wykorzystuje się limfocyty krwi obwodowej, czasem także na komórki szpiku kostnego lub fibroblasty skóry - w diagnostyce prenatalnej - komórki płynu owodniowego lub kosmówki - limfocyty krwi obwodowej najczęściej stosowane komórki przy określaniu kariotypu - do określenia kariotypu potrzeba 0,5-5 ml krwi - krew pobierana jest do probówki z heparyną!!! - aby uzyskać hodowlę limfocytów krew musi być świeżo pobrana, a komórki żywe i dzielące się. - U noworodka z wadami wrodzonymi, który zmarł zanim zdążono pobrać krew na badanie kariotypu, można jeszcze jak najwcześniej (ew. nawet do jednej godziny po zgonie) pobrać krew bezpośrednio z serca. - W przypadku pobierania krwi do badania cytogenetycznego (lub innej tkanki niż krew), pacjent nie musi być specjalnie przygotowywany (np. na czczo, o określonej porze dnia). - Istotny jest natomiast sposób pobrania i przechowywania krwi lub innego materiału biologicznego. - Jakość materiału biologicznego (pobranie, odpowiednie przechowywanie, czas dostarczenia do laboratorium) wpływa bezpośrednio na powodzenie hodowli!!! Podstawową metodą badania cytogenetycznego jest standardowa ocena kariotypu (najczęściej metoda prążkowa GTG). Jednak w przypadku bardziej złożonych problemów diagnostycznych lub małych zmian w obrębie struktury chromosomów niezbędna jest analiza z zastosowaniem innych technik np. cytogenetyki molekularnej. Kiedy wykonuje się standardową analizę kariotypu? Aberracje liczby: poliploidie, aneuploidie (trisomia, monosomia) Aberracje struktury: delecje, insercje, translokacje, chromosomy pierścieniowe, izochromosomy Badania cytogenetyczne w niepowodzeniach ciąży (poronieniach samoistnych i porodach martwych) W przypadku niepowodzenia ciąży należy jak najszybciej pobrać fragment kosmówki, umieszczając ją w sterylnym pojemniku z płynem hodowlanym lub solą fizjologiczną. 7
Jeśli nie prowadzimy hodowli komórek kosmówki, może ona być przechowywana w lodówce przez około 48-72 h. W zależności od metod stosowanych przez różne ośrodki diagnostyczne najlepszym rozwiązaniem jest wcześniejszy kontakt z laboratorium oraz omówienie szczegółów pobrania i dostarczenia materiału. Zasady zapisu kariotypu: 1) Liczba określająca całkowitą ilość chromosomów w komórce 2) Po przecinku wymienione chromosomy płciowe 3) Po przecinku ewentualny opis aberracji np. 46,XY 47,XX,+21 45,X 47,XXY 46,XX,t(2;6)(p12;q21) Badanie kariotypu: - można użyć każdej rosnącej tkanki, najczęściej wykorzystuje się limfocyty krwi obwodowej, czasem także na komórki szpiku kostnego lub fibroblasty skóry - w diagnostyce prenatalnej - komórki płynu owodniowego lub kosmówki Badanie kariotypu z limfocytów krwi obwodowej: - pobrać jałowo do probówki z heparyną ok. 2-5 ml krwi żylnej (od noworodka 1 ml) i dostarczyć do laboratorium cytogenetycznego - jeśli transport krwi jest następnego dnia, probówkę z krwią przechowywać w lodówce (+4ºC). Można też probówkę z krwią przesyłać szybką pocztą - nie wolno mrozić probówki z krwią przeznaczoną do badania kariotypu Uwaga: u noworodka z wadami wrodzonymi, który zmarł zanim zdążono pobrać krew na badanie kariotypu, można jeszcze jak najwcześniej (ew. nawet do 1 godz. po zgonie) pobrać krew bezpośrednio z serca Hodowla limfocytów krwi obwodowej przygotowanie pożywki do hodowli i dodanie do niej krwi hodowla w cieplarce przez 72 h zatrzymanie podziałów komórkowych kolcemid rozproszenie chromosomów - roztwór hipotoniczny utrwalanie zawiesiny metanol+kwas octowy nałożenie na szkiełka mikroskopowe Podstawową metodą badania cytogenetycznego jest standardowa ocena kariotypu (najczęściej metoda prążkowa GTG). Jednak w przypadku bardziej złożonych problemów diagnostycznych lub małych zmian w obrębie struktury chromosomów niezbędna jest analiza z zastosowaniem innych technik np. cytogenetyki molekularnej. 8
Techniki prążkowe: - prążki G (barwienie GTG) - prążki Q (barwienie OFQ) - prążki C (barwienie CTG) - barwienie AgNOR (barwienie srebrowe) - prążki R (barwienie RBA) (prążkowania odwrotnego, ang. reverse) Kiedy wykonuje się standardową analizę kariotypu? Aberracje liczby: poliploidie, aneuploidie (trisomia, monosomia) Aberracje struktury: delecje, insercje, translokacje, chromosomy pierścieniowe, izochromosomy Postępowanie w przypadku trudności w wykazaniu aberracji chromosomowej przy zastosowaniu standardowego badania kariotypu Analiza większej liczby płytek metafazowych (poszukiwanie mozaikowości) Analiza chromosomów prometafazowych (HRBT high resolution banding technique) Badanie kariotypu na podstawie fibroblastów skóry Metody cytogenetyki molekularnej (FISH) Wskazania do badania kariotypu na podstawie fibroblastów skóry: Kariotyp mozaikowy w badaniu limfocytów Brak aberracji chromosomowej w badaniu standardowym (limfocyty) przy fenotypie wskazującym na aberrację Fenotyp zespołu Pallister-Killian Zasady zapisu kariotypu: 1) Liczba określająca całkowitą ilość chromosomów w komórce 2 )Po przecinku wymienione chromosomy płciowe 3) Po przecinku ewentualny opis aberracji np. 46,XY 47,XX,+21 45,X 47,XXY 46,XX,t(2;6)(p12;q21) FISH fluorescencyjna hybrydyzacja in situ Sondy stosowane w FISH: malujące (wcp. ang. whole chromosome paint)- pokrywające cały chromosom lub poszczególne ramiona alfa-satelitarne (centromerowe, telomerowe) specyficzne (unikalne) dla poszczególnych sekwencji lub określonego locus Materiał do badania FISH: fibroblasty limfocyty komórki szpiku kostnego 9
komórki płynu owodniowego komórki trofoblastu komórki nabłonka jamy ustnej skrawki parafinowe których tkanek Genetyka kliniczna FISH diagnostyka submikroskopowych aberracji chromosomowych identyfikacja złożonych aberracji struktury chromosomów identyfikacja dodatkowego materiału chromosomowego identyfikacja chromosomów markerowych szybka diagnostyka aneuploidii chromosomowych FISH w diagnostyce nowotworów detekcja amplifikacji genu badanie materiału genetycznego w jądrach interfazowych identyfikacja komórek szpiku kostnego dawcy po przeszczepie detekcja wczesnego nawrotu choroby monitorowanie efektu terapii Cytogenetyka molekularna inne techniki M-FISH (ang. multicolour FISH) SKY (SKY-FISH) (ang. spectral karyotyping) CGH (ang. comparative genomic hybridization) - porównawcza hybrydyzacja genomowa acgh (ang. array CGH) - porównawcza hybrydyzacja genomowa do mikromacierzy CGH - Porównawcza hybrydyzacja genomowa zasada metody arraycgh 10
Porównawcza hybrydyzacja ge arraycgh Porównawcza hybrydyzacja genomowa do mikromacierzy 11