Μελέτη καρυότυπου Στα ευκαρυωτικά κύτταρα το γενετικό υλικό (DNA) εντοπίζεται στον πυρήνα τους και σχηματίζει δομές που ονομάζονται χρωμοσώματα. Κάθε χρωμόσωμα δομείται από DNA το οποίο συσπειρώνεται με τη βοήθεια πρωτεϊνών (αυτή η σύνδεση ονομάζεται χρωματίνη). Ο αριθμός των χρωμοσωμάτων είναι χαρακτηριστικός για κάθε είδος οργανισμού, για παράδειγμα στον άνθρωπο κάθε σωματικό κύτταρο έχει 46 χρωμοσώματα τα οποία ανά δύο είναι όμοια δηλ. 23 ζεύγη ομόλογων χρωμοσωμάτων. Το ένα χρωμόσωμα κάθε ζεύγους είναι πατρικής και το άλλο μητρικής προέλευσης. Από τα 23 ζεύγη ομόλογων χρωμοσωμάτων τα 22 (αυτοσωμικά χρωμοσώματα) είναι μορφολογικά ίδια στα αρσενικά και τα θηλυκά άτομα. Το 23ο ζεύγος (φυλετικό) στα θηλυκά άτομα αποτελείται από δύο Χ χρωμοσώματα, ενώ στα αρσενικά από ένα Χ και από ένα Υ χρωμόσωμα που είναι μικρότερο σε μέγεθος από το Χ. Για να τα μελετήσουμε κατασκευάζουμε τον καρυότυπο, δηλαδή απεικονίζουμε τα χρωμοσώματα ενός κυττάρου ταξινομημένα σε ζεύγη κατά ελαττούμενο μέγεθος. Με άλλα λόγια ο καρυότυπος είναι μια φωτογραφία των χρωμοσωμάτων στην οποία τα χρωμοσώματα είναι ταξινομημένα με βάση το μέγεθός τους (από το μεγαλύτερο στο μικρότερο). Ο καρυότυπος μπορεί να μας πληροφορήσει: για το είδος του οργανισμού, αφού ο αριθμός και η μορφολογία των χρωμοσωμάτων είναι ιδιαίτερο χαρακτηριστικό κάθε είδους, για το φύλο του ατόμου και για κληρονομικές ασθένειες που σχετίζονται με τον αριθμό (αριθμητικές χρωμοσωμικές ανωμαλίες) ή/και τη μορφή (δομικές χρωμοσωμικές ανωμαλίες) των χρωμοσωμάτων. Καρυότυπος φυσιολογικής γυναίκας Καρυότυπος φυσιολογικού άνδρα 1
Κατασκευή καρυότυπου Η κολχικίνη είναι φαινανθρενικό παράγωγο (ακετυλτριμεθυλοκολχικινικό οξύ, μοριακός τύπος: C22H25NO6), προερχόμενο από τα φυτά της οικογένειας Lily, Colchicum autumnale και Gloriosa superba (πρόκειται για ουσία που εξάγεται από ένα ενδημικό στη Βρετανία είδος κρόκου, γνωστού ως «σαφράν των λιβαδιών» ή «γυμνή κυρία») και αναφορές σχετικά με αυτήν γίνονται ακόμη και σε αρχαίους οδηγούς που αφορούν ουσίες ενάντια στις φλεγμονές. Η κολχικίνη είναι γνωστό ότι διαθέτει αντικαρκινικές ιδιότητες, ωστόσο είναι πολύ τοξική για τους υγιείς ιστούς, με αποτέλεσμα η χρήση της να είναι άκρως περιορισμένη. H κολχικίνη έχει αντιμιτωτική δράση, συγκεκριμένα δρα διακόπτοντας τη μίτωση των λευκών αιμοσφαιρίων στο στάδιο της μετάφασης. 2
Αριθμός Χρωμοσωμάτων σε διάφορους οργανισμούς Τα ανθρώπινα κύτταρα είναι διπλοειδή (2n) και έχουν 22 διαφορετικούς τύπους αυτοσωμικά χρωμοσώματα. Κάθε χρωμόσωμα έχει δύο αντίγραφα (ζεύγος ομόλογων χρωμοσωμάτων, το ένα χρωμόσωμα είναι μητρικής και το δεύτερο πατρικής προέλευσης) και δύο φυλετικά χρωμοσώματα. Αυτό δίνει 46 χρωμοσώματα στο σύνολο. Διάγραμμα ενός ευκαριωτικού διπλοειδούς χρωμοσώματος (κατά την διάρκεια της μετάφασης μιας από τις φάσεις της κυτταρικής διαίρεσης οπότε και είναι ορατό με το οπτικό μικροσκόπιο). (1): Αδελφή χρωματίδα ένα από τα δύο ίδια μέρη του χρωμοσώματος (2): κεντρομερίδιο το σημείο όπου τα δύο ομόλογα χρωμοσώματα αγγίζουν (3): κοντός βραχίονας (4): μακρύς βραχίονας (5): γονίδιο (gene), το κομμάτι του DNA που κωδικοποιεί κάποιο χαρακτηριστικό του οργανισμού Άλλοι οργανισμοί έχουν περισσότερα από δύο αντίγραφα των χρωμοσωμάτων τους, όπως ο σίτος ψωμιού, ο οποίος είναι εξαπλοειδής και έτσι έχει έξι αντίγραφα επτά διαφορετικών χρωμοσωμάτων - 42 χρωμοσώματα στο σύνολο. Τα προκαρυωτικά κύτταρα (κύτταρα χωρίς σχηματισμένο πυρήνα π.χ. τα βακτήρια) τυπικά έχουν ένα ενιαίο κυκλικό χρωμόσωμα (που ονομάζεται πλασμίδιο), αν και υπάρχουν πολλές εξαιρέσεις σε αυτόν τον κανόνα. Επιπλέον, τόσο τα μιτοχόνδρια στα περισσότερα ευκαρυωτικά κύτταρα, όσο και οι χλωροπλάστες των φυτών διαθέτουν ΚΑΙ το δικό τους DNA (απεικονίζοντας έτσι τη βακτηριακή προέλευσή τους), γι' αυτό και αποκαλούνται ημιαυτόνομα κυτταρικά οργανίδια. 3
Αριθμητικές χρωμοσωμικές ανωμαλίες Απαιτούμενα υλικά: Για την διεξαγωγή της άσκησης παρέχονται φωτογραφίες καρυοτύπων έξι ατόμων. Για την κατασκευή των καρυοτύπων μεταφασικά χρωμοσώματα φωτογραφήθηκαν από ειδική βιντεοκάμερα προσαρμοσμένη στο προσοφθάλμιο φακό του μικροσκοπίου. Στη συνέχεια, έγινε επεξεργασία της εικόνας με ειδικό λογισμικό στον ηλεκτρονικό υπολογιστή και τα χρωμοσώματα ταξινομήθηκαν σε ζεύγη κατά ελαττούμενο μέγεθος. Κυριότερες αριθμητικές χρωμοσωμικές ανωμαλίες Άτομο με σύνδρομο Down: καρυότυπος με τρισωμία 21 (47, +21) Άτομο με σύνδρομο Klinefelter: καρυότυπος με φυλετικό ΧΧΥ (47, ΧΧΥ) Άτομο με σύνδρομο Patau: καρυότυπος με τρισωμία 13 (47, +13) Άτομο με σύνδρομο Edwards: καρυότυπος με τρισωμία 18 (47, +18) Άτομο με σύνδρομο Warkany 2: καρυότυπος με τρισωμία 8 (47, +8) Άτομο με σύνδρομο Turner: καρυότυπος με φυλετικό Χ (45, Χ) ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ 1) Παρατηρείστε προσεκτικά τον αριθμό και το είδος των αυτοσωμικών και των φυλετικών χρωμοσωμάτων στους καρυοτύπους α, β, γ, δ, ε και στ που δίνονται παρακάτω. 2) Προσδιορίστε το φύλο του ατόμου για κάθε καρυότυπο. Αιτιολογήστε τις απαντήσεις σας. 3) Είναι φυσιολογικά τα άτομα και εάν όχι προσδιορίστε το είδος της χρωμοσωμικής ανωμαλίας. Αιτιολογήστε τις απαντήσεις σας. 4) Με κριτήριο τη θέση του κεντρομεριδίου ενός χρωμοσώματος διακρίνουμε τρεις ομάδες χρωμοσωμάτων: τα μετακεντρικά, στα οποία το κεντρομερίδιο βρίσκεται περίπου στο μέσον του χρωμοσώματος π.χ. το χρωμόσωμα 1 του ανθρώπου, τα ακροκεντρικά, όπου το κεντρομερίδιο βρίσκεται κοντά στο άκρο του χρωμοσώματος π.χ. το χρωμόσωμα 13 του ανθρώπου, και τέλος τα υπομετακεντρικά στα οποία το κεντρομερίδιο βρίσκεται σε ενδιάμεση θέση π.χ. το χρωμόσωμα 4 του ανθρώπου. Εντοπίστε στις φωτογραφίες με τους καρυότυπους χρωμοσώματα που ανήκουν στις τρεις αυτές κατηγορίες. 4
α) β) 5
γ) δ) 6
ε) στ) 7
Δομικές χρωμοσωμικές ανωμαλίες Δομικές χρωμοσωμικές ανωμαλίες προκαλούνται όταν μεγάλα τμήματα του DNA λείπουν, προστίθενται ή μετατοπίζονται σε ένα χρωμόσωμα ή και μεταξύ χρωμοσωμάτων. Οι δομικές ανωμαλίες μπορούν να έχουν διάφορες μορφές. Διαγραφή: ανωμαλία που προκαλείται όταν λείπει ένα μέρος του χρωμοσώματος. Διπλασιασμός: ανωμαλία που προκαλείται όταν επαναλαμβάνεται ένα μέρος του χρωμοσώματος, με αποτέλεσμα επιπλέον γενετικό υλικό. Αναστροφή: ανωμαλία που προκαλείται όταν ένα τμήμα κάποιου χρωμοσώματος βρίσκεται με αντίθετο προσανατολισμό (ανεστραμμένο). Δακτύλιος: ανωμαλία που προκαλείται όταν ένα τμήμα κάποιου χρωμοσώματος έχει σπάσει και σχηματίζεται ένας κύκλος/ δακτύλιος. Μετατόπιση: ανωμαλία που προκαλείται από την μετακίνηση ενός τμήματος ενός χρωμοσώματος σε ένα διαφορετικό τμήμα του ίδιου χρωμοσώματος (ενδοχρωμοσωμικό) ή σε ένα άλλο χρωμόσωμα (δηλ. μεταξύ ομόλογων ή και μεταξύ μη ομόλογων χρωμοσωμάτων). Υπάρχουν δύο βασικοί τύποι: - Η αμοιβαία μετατόπιση: όταν ανταλλάσσονται τμήματα από δύο διαφορετικά χρωμοσώματα - Η Robertsonian μετατόπιση: όταν σε δύο χρωμοσώματα σπάνε τα κεντρομερίδιά τους και οι μακροί βραχίονες των δύο χρωμοσωμάτων συνδέονται μεταξύ τους σχηματίζοντας ένα νέο μεγάλο χρωμόσωμα με ένα πλέον κεντρομερίδιο. Περιγράφηκε για πρώτη φορά απ τον αμερικανό γενετιστή William Rees Brebner Robertson το 1916. 8
Πώς εμφανίζονται ανωμαλίες χρωμοσωμάτων; Ανωμαλίες χρωμοσωμάτων συνήθως εμφανίζονται όταν υπάρχει σφάλμα στην κυτταρική διαίρεση με αποτέλεσμα τα κύτταρα με πολύ λίγα ή πάρα πολλά αντίγραφα κάποιου χρωμοσώματος. Οι περισσότερες ανωμαλίες χρωμοσωμάτων προέρχονται από τους γαμέτες δηλ. το ωάριο ή το σπερματοζωάριο, αλλά μερικές συμβαίνουν κατά την ανάπτυξη εμβρύου ή κληρονομούνται από τον έναν γονέα. Ανωμαλίες χρωμοσωμάτων που προέρχονται από γαμέτες υπάρχουν σε κάθε κύτταρο του σώματος. Κατά τη διάρκεια του σχηματισμού των γαμετών, τα δύο ζεύγη χρωμοσωμάτων (ένα από τη μητέρα και το άλλο από τον πατέρα) χωρίζονται σε μια διαδικασία που ονομάζεται μείωση. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα μόνο ένα αντίγραφο του κάθε χρωμοσώματος στους γαμέτες (σε αντίθεση με τα δύο αντίγραφα που βρίσκονται στα υπόλοιπα κύτταρα του σώματος). Λάθη σε αυτή τη διαδικασία διαχωρισμού οδηγούν στο σχηματισμό γαμετών με ατελή σύνολα χρωμοσωμάτων ή επιπρόσθετων ολόκληρων ή μερών χρωμοσωμάτων. Αυτό είναι γνωστό ως μειωτική μη αποδέσμευση δηλ. Αποτυχία δύο μελών ενός ζεύγους χρωμοσωμάτων να διαχωριστούν το ένα από το άλλο κατά τη διάρκεια της μείωσης, προκαλώντας αμφότερα τα χρωμοσώματα να πηγαίνουν σε ένα μόνο θυγατρικό κύτταρο. Η μειωτική μη αποδέσμευση είναι υπεύθυνη για το επιπλέον χρωμόσωμα 21 στην τρισωμία 21 (σύνδρομο Down) και για επιπλέον και ελλείποντα χρωμοσώματα που προκαλούν άλλες γενετικές ανωμαλίες και πολλές αποβολές.. Άλλοι παράγοντες που μπορούν να αυξήσουν τον κίνδυνο ανωμαλιών χρωμοσωμάτων είναι η ηλικία της μητέρας (η συχνότητα της μειωτικής ανεπάρκειας αυξάνεται με την ηλικία της μητέρας) και οι περιβαλλοντικοί παράγοντες όπως η έκθεση σε ορισμένα φάρμακα, αλκοόλ, τσιγάρο ή ακτινοβολίες. Ακόμα και μικροσκοπικές αλλαγές στη δομή χρωμοσώματος μπορούν να επηρεάσουν πολλά γονίδια και να έχουν σημαντικά αποτελέσματα. που εμφανίζονται κατά τη γέννηση και προκαλούν σωματική ή διανοητική αναπηρία. Ορισμένες μπορεί να είναι θανατηφόρες. Οι ερευνητές έχουν εντοπίσει χιλιάδες διαφορετικά γενετικά ελαττώματα. Επί του παρόντος, οι γενετικές ανωμαλίες είναι η κύρια αιτία θανάτου για βρέφη κατά το πρώτο έτος της ζωής τους. 9
Τριπλοειδία Είναι η 3η πιο συχνή θανατηφόρος χρωμοσωματική διαταραχή που παρατηρείται στο προγεννητικό στάδιο. Τα χρωμοσώματα είναι τριπλασιασμένα έτσι ώστε ο πυρήνας των κυττάρων να έχει 69 αντί 46. Περίπου στο 1-2% όλων των συλλήψεων παρατηρούνται τριπλοειδίες. Αυτές οι περιπτώσεις παρουσιάζονται συνήθως σαν αυτόματες αποβολές. Περίπου 6% των εμβρύων που αυτομάτως αποβάλλονται, ηλικίας μέχρι 28 εβδομάδων, παρουσιάζουν τριπλοειδία. Γέννηση ζωντανού νεογνού είναι εξαιρετικά σπάνια. Η εγκυμοσύνη συνήθως τερματίζεται με πρόωρη αποβολή. Διαφορετικά, ο ενδομήτριος θάνατος σε πρώιμο στάδιο είναι το σύνηθες αποτέλεσμα. Σε περίπτωση γέννησης, η επιβίωση μέχρι την πρώιμη παιδική ηλικία είναι σπάνια με σοβαρή διανοητική καθυστέρηση. Οι γονείς πρέπει να γνωρίζουν ότι δεν υπάρχει αυξημένος κίνδυνος υποτροπής σε επόμενη εγκυμοσύνη, σε σχέση με τον γενικό πληθυσμό. 10
Στις παρακάτω σελίδες απεικονίζεται ο καρυότυπος NORMAL A Φυσιολογικής γυναίκας SET A Ατόμου με σύνδρομο Down (τρισωμία 21) SET C Ατόμου με σύνδρομο Edwards (τρισωμία 18) NORMAL B Φυσιολογικού άνδρα SET B Ατόμου με σύνδρομο Klinefelter (ΧΧΥ) SET D Ατόμου με σύνδρομο Patau (τρισωμία 13) A 11
B 12
13
14
15