Каріотип людини і хромосомний аналіз

Каріотип — це сукупність ознак хромосомного набору, характерна для кожного виду: число хромосом, їхні розміри, форма й положення центромери. Для людини нормальний каріотип становить 46 хромосом. Із них 44 — це аутосоми (22 пари, пронумеровані від 1 до 22 за зменшенням розміру), а дві — статеві хромосоми (X та Y). Запис каріотипу жінки — 46,XX, чоловіка — 46,XY.

Каріотип є видовою ознакою: кожен біологічний вид має стале число хромосом. У людини ця стала величина — 46 (2n = 46). Зміна цього числа або будови окремих хромосом призводить до спадкових порушень.

Як отримують каріотип

Для аналізу каріотипу беруть клітини, здатні до поділу, найчастіше лімфоцити периферичної крові. Їх культивують у поживному середовищі й стимулюють до поділу. На стадії метафази мітозу, коли хромосоми максимально спіралізовані й добре видно у світловий мікроскоп, поділ зупиняють колхіцином — речовиною, що руйнує веретено поділу. Потім клітини фарбують (найчастіше методом диференційного фарбування за Гімзою — G-фарбування) і фотографують. На фото хромосоми вирізають, упорядковують парами за розміром, положенням центромери й малюнком смуг — так отримують каріограму.

Ідіограма — це схематичне зображення каріотипу, на якому хромосоми подано не у вигляді фотографій, а як умовні контури з позначенням центромери й смуг.

Денверська класифікація

За Денверською класифікацією (1960 рік) усі аутосоми людини поділяють на 7 груп — від A до G — за розміром і положенням центромери:

Така класифікація допомагає швидко зорієнтуватися в каріограмі: навіть без нумерації кожної хромосоми можна визначити групу за розміром і формою.

Числові порушення каріотипу (геномні мутації) поділяють на анеуплоїдію — зміну кількості окремих хромосом відносно нормального диплоїдного набору — і поліплоїдію — зміну кількості цілих гаплоїдних наборів. Два основні різновиди анеуплоїдії — трисомія (2n + 1 = 47 хромосом, у парі з'являється третя хромосома) і моносомія (2n − 1 = 45 хромосом, одна хромосома з пари відсутня). Причина анеуплоїдії — нерозходження хромосом у мейозі під час утворення гамет: обидві хромосоми пари потрапляють в одну гамету, а інша залишається без цієї хромосоми.

Основні синдроми, спричинені числовими порушеннями

Кожному числовому порушенню відповідає певний клінічний синдром. Найважливіші для НМТ:

Визначення статі за каріотипом

Стать людини визначає наявність Y-хромосоми. Якщо в каріотипі є хоча б одна Y-хромосома — стать чоловіча (46,XY; 47,XXY; 47,XYY). Якщо Y-хромосоми немає — стать жіноча (46,XX; 45,X0; 47,XXX). Кількість X-хромосом на визначення статі не впливає: 47,XXY — чоловік, а 45,X0 — жінка.

Статевий хроматин (тільце Барра)

У клітинах жінки одна з двох X-хромосом інактивується (перетворюється на гетерохроматин) і виглядає в ядрі як темне тільце — тільце Барра, або статевий хроматин. Кількість тілець Барра завжди на одиницю менша від кількості X-хромосом: у нормі XX — одне тільце, XY — жодного, X0 — жодного, XXY — одне, XXX — два. Статевий хроматин виявляють у клітинах епітелію щоки (букальний мазок).

Трисомія чи триплоїдія — не плутай

Трисомія (47 хромосом) — це одна зайва хромосома в диплоїдному наборі. Триплоїдія (3n = 69 хромосом) — це зайвий цілий гаплоїдний набір. Поліплоїдія (триплоїдія, тетраплоїдія) в людини несумісна з життям і трапляється лише в абортивних плодів. На НМТ важливо не плутати ці поняття.

Окрім зміни кількості хромосом, у каріотипі можна побачити зміни будови окремих хромосом — структурні перебудови (хромосомні мутації). Вони виявляються в каріограмі як зміна довжини плеча, положення центромери або малюнка смуг після диференційного фарбування.

Типи структурних перебудов

• Делеція — втрата ділянки хромосоми. Позначається символом del або знаком «−» після номера хромосоми. Класичний приклад — синдром «котячого крику» (cri du chat): втрата частини короткого плеча 5-ї хромосоми. Запис каріотипу: 46,XX,5p− або 46,XY,5p−.

• Дуплікація — подвоєння ділянки хромосоми.

• Інверсія — розворот ділянки хромосоми на 180°.

• Транслокація — перенесення ділянки однієї хромосоми на іншу (негомологічну).

Транслокаційна форма синдрому Дауна

У більшості випадків синдром Дауна спричинений трисомією за 21-ю хромосомою (47 хромосом). Однак існує транслокаційна форма: зайва 21-ша хромосома приєднана до іншої хромосоми (найчастіше до 14-ї). У такому разі загальна кількість хромосом — 46, але генетичного матеріалу 21-ї хромосоми — як за трисомії. Тому на запитання «чи можливий синдром Дауна при 46 хромосомах?» відповідь — так, можливий.

Що каріотип не показує

Каріотип, отриманий у світловому мікроскопі, дає змогу побачити лише зміни кількості й будови хромосом. Генні (точкові) мутації — заміну, вставку чи випадіння одного або кількох нуклеотидів — у світловий мікроскоп не видно. Тому такі хвороби, як фенілкетонурія, гемофілія, альбінізм, муковісцидоз, мають нормальний каріотип. Їх виявляють молекулярно-генетичними методами — аналізом ДНК, ПЛР-діагностикою або секвенуванням.

Хромосомний аналіз дає змогу виявити числові та структурні порушення хромосом, але не показує генних мутацій. Для виявлення змін на рівні ДНК застосовують молекулярно-генетичні методи.

Аналіз ДНК і ДНК-ідентифікація

Аналіз ДНК дає змогу виявити генні мутації, яких не видно в каріотипі, і встановити носійство рецесивних алелів (наприклад, муковісцидозу чи гемофілії). ДНК-ідентифікація ґрунтується на тому, що набір певних ділянок ДНК (мікросателітів) унікальний для кожної людини. Цей метод доводить або виключає батьківство, а також використовується в криміналістиці для ідентифікації особи.

ПЛР-діагностика

Полімеразна ланцюгова реакція (ПЛР) — це метод багаторазового копіювання вибраної ділянки ДНК. ПЛР-діагностика дає змогу виявити наявність певного фрагмента ДНК: мутантного алеля, ДНК або РНК збудника інфекції. Метод надзвичайно чутливий — достатньо навіть кількох копій цільової ДНК у зразку.

Секвенування ДНК

Секвенування — це визначення точної послідовності нуклеотидів у фрагменті ДНК, гені або цілому геномі. Метод дає змогу знайти заміну навіть одного нуклеотида. Міжнародний проєкт «Геном людини» (Human Genome Project), завершений 2003 року, визначив повну послідовність ДНК людини. Секвенування є «золотим стандартом» для виявлення генних мутацій.

Пренатальна діагностика

Пренатальна діагностика — це обстеження плода до народження з метою виявлення спадкових хвороб і вад розвитку. Методи поділяють на неінвазивні та інвазивні.

• Неінвазивні: УЗД плода (виявляє анатомічні вади) і аналіз ДНК плода в крові матері (безпечний, не потребує проколу).

• Інвазивні: біопсія ворсинок хоріона (перший триместр, 10–13 тижнів) — отримують клітини хоріона для аналізу каріотипу й ДНК; амніоцентез (другий триместр, 16–20 тижнів) — забір навколоплідної рідини, яка містить клітини плода, для аналізу каріотипу й ДНК.

Інвазивні методи дають змогу отримати клітини плода, з яких роблять каріотип і виділяють ДНК для молекулярного аналізу. Вони пов'язані з невеликим ризиком, тому призначаються за медичними показаннями.

У цьому розділі розглянемо чотири типові завдання НМТ на тему каріотипу людини та хромосомного аналізу.

Приклад 1. Логічні пари: каріотип → стан

Установи відповідність між записом каріотипу (1–4) і станом, який він описує (А–Д).

Розв'язання: 47,XY,+21 — трисомія за 21-ю хромосомою, тобто синдром Дауна (1 → А). 47,XXY — трисомія за статевими хромосомами, синдром Клайнфельтера, стать чоловіча (2 → Б). 45,X0 — моносомія за X-хромосомою, синдром Тернера — Шерешевського, стать жіноча (3 → В). 46,XY — нормальний каріотип чоловіка (4 → Г). Варіант Д (нормальний каріотип жінки, 46,XX) — зайвий.

Приклад 2. Вибір однієї відповіді: аналіз каріотипу

У каріотипі людини виявлено 44 аутосоми й статеві хромосоми XXY. Яке твердження правильне?

• А) Жіноча стать, моносомія за статевими хромосомами.

• Б) Чоловіча стать, трисомія за статевими хромосомами.

• В) Жіноча стать, триплоїдія.

• Г) Чоловіча стать, трисомія за 21-ю хромосомою.

Розв'язання: 44 аутосоми + XXY = 47 хромосом. Наявна Y-хромосома — стать чоловіча. Зайва хромосома — це X, отже трисомія за статевими хромосомами. Правильна відповідь — Б.

Чому інші варіанти неправильні: А — помилка: дві X-хромосоми не роблять стать жіночою, бо є Y; крім того, 47 хромосом — це трисомія, а не моносомія. В — триплоїдія означала б 69 хромосом (3n), а не 47. Г — трисомія не за 21-ю, а за статевими хромосомами.

Приклад 3. Вибір однієї відповіді: метод виявлення генної мутації

Яким методом можна виявити заміну одного нуклеотида в гені гемоглобіну, що спричиняє серпоподібноклітинну анемію?

• А) Аналіз каріотипу у світловому мікроскопі.

• Б) Визначення статевого хроматину (тілець Барра).

• В) Секвенування ДНК.

• Г) Близнюковий метод.

Розв'язання: Заміна одного нуклеотида — це генна (точкова) мутація. Її не видно в каріотипі (А — неправильно). Визначення тілець Барра (Б) показує лише кількість X-хромосом. Близнюковий метод (Г) оцінює співвідношення спадковості й середовища, а не виявляє конкретні мутації. Секвенування ДНК (В) визначає послідовність нуклеотидів і може виявити заміну навіть одного нуклеотида. Правильна відповідь — В.

Приклад 4. Логічні пари: метод → можливість

Установи відповідність між методом (1–4) і тим, що він дає змогу отримати чи виявити (А–Д).

Розв'язання: Аналіз каріотипу показує зайву чи відсутню хромосому (1 → А). Секвенування визначає послідовність нуклеотидів гена (2 → Б). ПЛР-діагностика багаторазово копіює фрагмент ДНК і виявляє його наявність (3 → В). Амніоцентез дає клітини плода з навколоплідної рідини (4 → Г). Варіант Д (конкордантність близнюків) — зайвий, це показник близнюкового методу.

• Вважають каріотип 47,XXY жіночим, бо в ньому дві X-хромосоми. Насправді стать визначає Y-хромосома: є Y — чоловіча стать. Тому 47,XXY — чоловік із синдромом Клайнфельтера.

• Читають 45,X0 як «хромосому 0» або вважають цей каріотип чоловічим. Позначення X0 означає, що друга статева хромосома відсутня (нуль). Y-хромосоми немає — стать жіноча, синдром Тернера — Шерешевського.

• Плутають кількість хромосом (46) з кількістю пар (23) і рахують статеві хромосоми серед аутосом. Запам'ятай: 22 пари аутосом + 1 пара статевих = 23 пари = 46 хромосом. Статеві хромосоми не входять до складу аутосом.

• Вважають, що генні мутації — фенілкетонурію, гемофілію, альбінізм — видно в каріотипі. Це не так: каріотип у світловому мікроскопі показує лише хромосоми, а не окремі нуклеотиди. Генні мутації виявляють молекулярними методами.

• Плутають трисомію (47 хромосом, одна зайва) з триплоїдією (69 хромосом, зайвий цілий набір). Триплоїдія в людини несумісна з життям.

• Вважають, що синдром Дауна неможливий, якщо в каріотипі 46 хромосом. Транслокаційна форма синдрому Дауна має саме 46 хромосом, але зайвий генетичний матеріал 21-ї хромосоми приєднаний до іншої хромосоми.

Тема «Каріотип людини і хромосомний аналіз» входить до теми 2.2 «Закономірності спадковості організмів» (розділ 2 програми НМТ з біології). Програма передбачає «хромосомний аналіз порушень каріотипу» й «сучасні молекулярно-генетичні методи досліджень спадковості людини» та вимагає вміння аналізувати каріотипи.

На НМТ завдання з цієї теми трапляються у двох формах:

• Вибір однієї відповіді з чотирьох (завдання 1–24, 0 або 1 бал) — наприклад, визначити стать за каріотипом, розпізнати синдром за записом каріотипу, обрати метод для виявлення певної мутації.

• Логічні пари (завдання 25–28, 1–4 → А–Д, одна буква зайва, до 4 балів) — установити відповідність між записом каріотипу й синдромом або між методом дослідження і його можливостями.

У демоваріанті НМТ-2026 рисунок, схема чи фото є в 15 із 30 завдань. Каріограма може бути подана як рисунок: у такому разі аналізуй її так само, як запис, — порахуй кількість хромосом, перевір пару статевих хромосом і визнач, чи є зайві або відсутні хромосоми.

Важливо: довідкових матеріалів на НМТ немає. Записи каріотипів основних синдромів (47,+21 — Дауна, 47,XXY — Клайнфельтера, 45,X0 — Тернера — Шерешевського) треба пам'ятати.

• Нормальний каріотип людини: 46,XX (жінка) і 46,XY (чоловік) — 22 пари аутосом і пара статевих хромосом.

• Каріограма — метафазні хромосоми, упорядковані парами за розміром і положенням центромери.

• 47 хромосом — трисомія, 45 — моносомія. +21 — синдром Дауна, XXY — синдром Клайнфельтера (чоловік), X0 — синдром Тернера — Шерешевського (жінка).

• Є Y-хромосома — чоловіча стать, немає Y — жіноча. Кількість X-хромосом стать не визначає.

• Каріотип показує кількість і будову хромосом, але не генні мутації.

• Генні мутації виявляють аналізом ДНК, ПЛР-діагностикою, секвенуванням.

• Клітини плода для аналізу дають біопсія ворсинок хоріона й амніоцентез.