کاریوتایپ انسان | چیستی، آماده‌سازی، ناهنجاری و کاریوگرام

هنگامی که به دنیای شگفت‌انگیز ژنتیک ( کاریوتایپ انسان ) نگاه می‌اندازیم، همچون یک سفر به دنیای کوچک و مرموزی است که در آن هر کروموزوم میزبانی از یک حکایت مخفی و حیرت‌انگیز است. کاریوتایپ‌ها نه‌تنها تصویر زیبایی از جهان ژنومی یک فرد ارائه می‌دهند، بلکه به ما امکان می‌دهند تا ویژگی‌های ساختاری و ترکیبی این کروموزوم‌ها را بشناسیم و درک کنیم. هر نقطه و خطی در این تصویر، به ما رازی از زندگی و میراث ژنتیکی را می‌گوید. این روشنگری‌ها، ممکن است معماهای زیستی را حل کنند یا حتی در کشف بیماری‌های ژنتیکی به ما کمک کنند. اما در این داستان‌ها، گاهی ناگهان نقاط تاریکی وجود دارد. این نقاط، نشانه‌ای از ناهنجاری‌هایی می‌باشد که ممکن است در کروموزوم‌ها رخ‌داده باشد. اضافه یا حذف کروموزوم، جهش‌های حذف، درج و حتی جابه‌جایی بخش‌هایی از آن‌ها، تنها چند نمونه از اسراری هستند که کاریوتایپ برای ما فاش می‌کند.

در ادامه با مجله بیوزوم همراه باشید تا بیشتر با کاریوتایپ، آماده‌سازی، انواع و کاربردهای آن، آشنا شویم

آزمون کاریوتایپ انسان چیست؟

آزمون کاریوتایپ انسان، نوعی آزمایش ژنتیکی است که اندازه، شکل و تعداد کروموزوم‌های نمونه‌ای از سلول‌های بدن را مورد مطالعه قرار می‌دهد. کروموزوم‌ها در هسته سلول که مرکز فرماندهی سلول است، یافت می‌شوند. کروموزوم‌ها حاوی ژن‌ها بوده و ژن‌ها حامل اطلاعاتی به نام DNA هستند که ظاهر افراد، نحوه عملکرد بدن و خصوصیات ژنتیکی را کنترل می‌کند.

در فرایند وراثت، کروموزوم‌ها به‌عنوان رسانه‌های انتقالی ژنتیکی عمل می‌کنند. به طور معمول، هر سلول بدن (به‌استثنای تخمک و اسپرم) دارای ۴۶ کروموزوم است که به ۲۳ جفت تقسیم می‌شوند. هر جفت شامل دو کروموزوم است که یکی از هر والد به ارث برده شده است.

آزمون کاریوتایپ انسان کروموزوم‌های سلول را جهت اطلاع از موارد زیر بررسی می‌کند:

آزمایش کاریوتایپ انسان، سلول‌های فرد را برای بررسی کاملی از نظر حضور یا عدم حضور کروموزوم‌های کامل یا قطعات کروموزوم از دست رفته، و همچنین وجود کروموزوم‌های اضافی یا تکه‌های کروموزوم اضافی، مورد بررسی قرار می‌دهد. این بررسی از مجموعه کاملی از ۴۶ کروموزوم در سلول‌های فرد انجام می‌شود، تا مشخص شود که آیا تمامی کروموزوم‌های مورد نیاز حضور دارند یا خیر.

همچنین به دنبال تغییراتی مثل شکستگی، فقدان و یا قسمت‌های اضافی است که در ساختار کروموزوم‌ها ایجاد می‌شوند. این تغییرات ممکن است بسته به اینکه کدام کروموزوم تحت‌تأثیر قرار گرفته، مشکلات مختلفی را ایجاد کنند.

علاوه بر این، تغییرات در برخی بخش‌های کروموزوم مشکلی ایجاد نمی‌کنند. اگزون‌ها توالی‌های کد شونده و اینترون‌ها توالی‌های غیر کد شونده هستند که پس از رونویسی از ژن، طی فرایند پیرایش، اینترون‌ها حذف شده و اگزون‌ها باقی می‌مانند؛ بنابراین بروز تغییرات در اینترون‌ها مشکل‌ساز نخواهد بود.

مشکلات کروموزومی گاهی به‌صورت خاص، مانند وجود یا عدم وجود کروموزوم‌های اضافی از زمان تولد فرد مشخص می‌شوند؛ اما بعضی از این مشکلات ممکن است پس از تولد، در سلول‌های خاصی ظاهر شوند. این تغییرات در ساختار کروموزومی می‌توانند به ایجاد انواع خاصی از سرطان‌ها منجر شوند.

در ادامه، چگونگی آماده‌سازی کاریوتایپ‌ها از سلول‌های میتوزی که در مرحله متافاز یا پرومتافاز چرخه سلولی هستند را بررسی می‌کنیم.

آماده‌سازی کاریوتایپ‌ها از سلول‌های میتوزی

کاریوتایپ انسان، از سلول‌های میتوزی که در بخش متافاز یا پرومتافاز چرخه سلولی متوقف شده‌اند، تهیه می‌شوند. انواع بافت‌ها را می‌توان به‌عنوان منبع این سلول‌ها استفاده کرد. برای تشخیص سرطان، نمونه‌های معمولی شامل بیوپسی تومور یا نمونه‌های مغز استخوان هستند و برای سایر تشخیص‌ها، کاریوتایپ‌ها اغلب از نمونه‌های خون محیطی یا بیوپسی پوست ایجاد می‌شوند. همچنین برای تشخیص قبل از تولد، از نمونه‌های مایع آمنیوتیک یا پرزهای کوریونی به‌عنوان منبع سلول استفاده می‌شود.

مطلب مرتبط: تقسیم سلولی چیست ؟ – به زبان ساده

فرایند تولید کاریوتایپ انسان، با کشت موقت سلول‌های مشتق شده از یک نمونه آغاز می‌شود. پس از یک دوره رشد و تکثیر سلولی، سلول‌های تقسیم شده با افزودن کلشی‌سین (colchicine) که دوک میتوزی را مسموم کرده و از بین می‌برد، در مرحله متافاز متوقف می‌شوند. سلول‌ها در مرحله بعدی با محلول هیپوتونیک (Hypotonic) تیمار می‌شوند.

محلول هیپوتونیک سبب متورم شدن هسته و ترکیدن سلول‌ها می‌گردد. سپس هسته‌ی سلول‌ها با یک تثبیت‌کننده شیمیایی تیمار شده و روی یک لام شیشه‌ای قرار می‌گیرند، پس از آن با رنگ‌های مختلفی مثل گیمسا که ویژگی‌های ساختاری کروموزوم‌ها را نشان می‌دهند، تیمار می‌شوند.

آنیوپلوئیدی (تغییرات در تعداد کروموزوم)

تجزیه‌وتحلیل کاریوتایپ‌ها می‌تواند ناهنجاری‌های کروموزومی، از جمله آنیوپلوئیدی که حذف یا اضافه‌شدن یک کروموزوم نسبت به جفت همولوگ آن (جفت کروموزوم‌هایی که از لحاظ محتوای ژنتیکی، جایگاه کروموزومی، طول و جایگاه سانترومر مشابه هستند) است را شناسایی کند. به طور دقیق‌تر:

عدم وجود یک عضو از یک جفت کروموزوم همولوگ را مونوزومی می‌نامند (فقط یکی باقی می‌ماند).

از سوی دیگر، در تریزومی، به‌جای دو همولوگ (دیزومی)، سه همولوگ از یک کروموزوم خاص وجود دارد.

آشناترین آنئوپلوئیدی انسانی تریزومی ۲۱ (یعنی سه نسخه از کروموزوم ۲۱) است که یکی از علل سندرم داون می‌باشد. بیشتر (و نه همه) آنیوپلوئیدهای انسانی دیگر، در مراحل اولیه رشد جنینی کشنده هستند. آنئوپلوئیدی معمولاً تنها بر یک مجموعه از کروموزوم‌های همولوگ در یک کاریوتایپ انسان تأثیر می‌گذارد، و بنابراین از پلی‌پلوئیدی که در آن کل مجموعه کروموزوم‌ها مضاعف می‌شوند، متمایز است. آنیوپلوئیدی تقریباً همیشه مضر بوده، درحالی‌که به نظر می‌رسد پلی‌پلوئیدی در برخی از موجودات، به‌ویژه بسیاری از گونه‌های گیاهان خوراکی سودمند باشد.

آنیوپلوئیدی می‌تواند به دلیل یک رویداد عدم تفکیک (non-disjunction) ایجاد شود که عبارت است از عدم جداسازی حداقل یک جفت کروموزوم یا کروماتید در طول میتوز یا میوز. عدم تفکیک، سبب ایجاد گامت‌هایی با کروموزوم‌های اضافی و یا از دست رفته، می‌شود.

در بخش بعد، انواع ناهنجاری‌های کروموزومی را یادآوری می‌کنیم.

مطلب مرتبط: کروموزوم چیست؟ _ به زبان ساده

ناهنجاری‌های کروموزومی

نقص‌های ساختاری در کروموزوم‌ها نوع دیگری از ناهنجاری است که می‌تواند در کاریوتایپ‌ها تشخیص داده شود. این نقص‌ها شامل حذف‌، مضاعف‌شدگی و وارونگی است که همگی شامل تغییرات در بخشی از یک کروموزوم منفرد هستند. درج و جابه‌جایی شامل دو کروموزوم غیرهمولوگ است.

در جهش درج یا اضافه‌شدن، بخشی از DNA یک کروموزوم به‌صورت یک طرفه به کروموزوم غیرهمولوگ منتقل می‌شود. در یک جابه‌جایی، انتقال بخش‌های کروموزومی دوطرفه و متقابل است (یک جابه‌جایی متقابل).

نقایص ساختاری تنها بخشی از کروموزوم (زیر مجموعه‌ای از ژن‌ها) را تحت‌تأثیر قرار داده و بنابراین نسبت به آنیوپلوئیدی آسیب کمتری دارد. در واقع، نمونه‌های زیادی از بازآرایی‌های کروموزومی قدیمی در ژنوم گونه‌ها از جمله خود ما وجود دارد. مضاعف شدن برخی از بخش‌های کروموزومی کوچک، ممکن است با ارائه نسخه‌های اضافی از برخی ژن‌ها، مزیت تکاملی داشته باشد که سپس می‌تواند به ادامه مسیر تکامل کمک کند.

ناهنجاری‌های کروموزومی به روش‌های مختلفی ایجاد می‌شوند که برخی از آنها را می‌توان در خطاهای نادر، که احتمال رخداد آن‌ها در فرایندهای سلولی طبیعی مانند همانندسازی DNA بسیار کم است، ردیابی کرد. شکستگی کروموزوم نیز به‌ندرت در نتیجه آسیب فیزیکی (مانند تشعشعات یونیزان)، جابه‌جایی برخی از انواع ترانسپوزون‌ها (Transposons) و عوامل دیگر رخ می‌دهد.

آشکارسازی جزئیات ساختاری کروموزوم‌ها توسط الگوهای نواری

جزئیات ساختاری کروموزوم‌ها در انواع کاریوتایپ‌ها، زیر میکروسکوپ نوری بدون هیچ تیماری، به‌سختی قابل‌تشخیص است؛ بنابراین، برای مؤثرتر و کارآمدتر کردن آنالیز، سیتولوژیست‌ها رنگ‌هایی را ایجاد کرده‌اند که به DNA متصل شده و الگوهای نواری مشخصی را برای کروموزوم‌های مختلف ایجاد می‌کنند. قبل از توسعه این تکنیک‌های نواربندی، تشخیص کروموزوم‌ها از یکدیگر بسیار دشوار بود و کروموزوم‌ها فقط بر اساس اندازه و محل قرارگیری سانترومرهایشان گروه‌بندی می‌شدند.

در سال 1970 Torbjorn Caspersson و همکارانش اولین تکنیک باندینگ را به نام Q-banding توصیف کردند. Q-banding تکنیکی است که با استفاده از رنگ فلورسنت کویناکرین، DNA را آلکیله کرده و در طول زمان خاموش می‌کند. کاسپرسون و همکارانش نشان دادند که کویناکرین الگوهای نواری مشخص و قابل‌تکرار را برای کروموزوم‌های افراد تولید می‌کند.

بنابراین، اولین روشی که برای شناسایی ۴۶ کروموزوم انسانی مورداستفاده قرار گرفت، Q-banding بود که با رنگ‌آمیزی کروموزوم‌ها با کویناکرین و بررسی آنها در زیر نور UV به دست آمد. این روش برای بررسی جابه‌جایی‌های کروموزومی، به‌ویژه آنهایی که کروموزوم Y را درگیر می‌کنند، بسیار مفید است.

از آن زمان، محققان انواع دیگری از تکنیک‌های باندبندی کروموزوم را توسعه داده‌اند که تا حد زیادی جایگزین Q-banding در سیتوژنتیک بالینی شده‌اند. امروزه اکثر کاریوتایپ‌ها با رنگ گیمسا رنگ‌آمیزی می‌شوند که وضوح بهتری از نوارهای جداگانه را ارائه داده، زمینه‌ی پایدارتری ایجاد کرده و می‌تواند با میکروسکوپ میدان روشن معمولی تجزیه‌وتحلیل شود.

علل مولکولی تفاوت رنگ‌آمیزی در طول کروموزوم پیچیده است و شامل ترکیب باز DNA و تفاوت‌های موضعی در ساختار کروماتین می‌باشد. در G-banding، نوع رنگ‌آمیزی گیمسا که بیشتر در آمریکای شمالی استفاده می‌شود، کروموزوم‌های متافاز، قبل از اینکه با گیمسا رنگ‌آمیزی شوند، ابتدا به طور جزئی با تریپسین، آنزیمی که پروتئین‌ها را تجزیه می‌کند، تیمار می‌شوند. تریپسین تا حدی برخی از پروتئین‌های کروموزومی را تجزیه کرده، در نتیجه ساختار کروماتین را شل می‌کند و به رنگ گیمسا امکان دسترسی به DNA را می‌دهد.

به طور کلی، مناطق هتروکروماتیک (heterochromatic region) که مناطق غنی از آدنین و تیمین (AT) و نسبتاً فقیر از نظر ژن هستند، در G-banding تیره‌تر می‌شوند. در مقابل، کروماتین کمتر متراکم که غنی از گوانین و سیتوزین (GC) بوده و از نظر رونویسی فعال‌تر است، رنگ گیمسا کمتری را در خود جای‌داده و این نواحی به‌صورت نوارهای روشن در G-banding ظاهر می‌شوند. مهم‌تر از همه، G-banding الگوهای تکرارپذیری را برای هر کروموزوم تولید می‌کند و این الگوها بین افراد یک‌گونه مشترک است.

نمونه‌ای از کروموزوم‌های انسانی رنگ‌آمیزی شده با گیمسا، در زیر میکروسکوپ نشان می‌دهد که به طور معمول، این رنگ‌آمیزی بین ۴۰۰ تا ۸۰۰ نوار در بین ۲۳ جفت کروموزوم انسانی ایجاد می‌کند. با اندازه‌گیری DNA، یک باند G نشان‌دهنده چندین میلیون تا ۱۰ میلیون جفت باز DNA بوده که به‌اندازه کافی طولانی است که صدها ژن را در خود جای دهد.

بااین‌حال، G-banding تنها تکنیک مورداستفاده برای رنگ‌آمیزی کروموزوم‌ها نیست. R-banding که در بخش‌هایی از اروپا استفاده می‌شود، شامل رنگ گیمسا نیز می‌شود، اما این روش الگوی معکوس را از G-banding ایجاد می‌کند. در R-banding، کروموزوم‌ها قبل از اعمال رنگ گیمسا گرم می‌شوند. تصور می‌شود که تیمار حرارتی، ترجیحاً مارپیچ DNA را در نواحی غنی از AT ذوب می‌کند که معمولاً اتصال قوی‌تری به رنگ گیمسا دارند و تنها مناطق نسبتاً غنی از GC را باقی می‌گذارد تا به رنگ متصل گردند.

روش دیگر C-banding است که می‌تواند به طور خاص برای رنگ‌آمیزی هتروکروماتین ساختاری یا DNA غیرفعال از نظر ژنتیکی استفاده شود، اما امروزه به‌ندرت برای اهداف تشخیصی استفاده می‌گردد. C-banding یک تکنیک تخصصی گیمسا است که در درجه اول کروموزوم‌ها را در سانترومرها که دارای مقادیر زیادی DNA ماهواره‌ای غنی از AT هستند رنگ می‌کند.

روی‌هم‌رفته، این تکنیک‌های باندینگ، روش‌هایی را برای تشخیص ناهنجاری‌های کروموزومی در بیماران ارائه می‌کنند.

سازماندهی کروموزوم‌ها در کاریوگرام برای بررسی

به‌منظور به حداکثر رساندن اطلاعات تشخیصی به‌دست‌آمده از یک آماده‌سازی کروموزوم، تصاویر کروموزوم‌های منفرد در قالب استاندارد شده‌ای به نام کاریوتایپ انسان یا به طور دقیق‌تر، کاریوگرام مرتب می‌شوند. طبق کنوانسیون‌های بین‌المللی، اتوزوم‌های انسان یا کروموزوم‌های غیرجنسی به ترتیب نزولی بر حسب اندازه، از ۱ تا ۲۲ شماره‌گذاری می‌شوند، به‌استثنای کروموزوم‌های ۲۱ و ۲۲ که اولی در واقع کوچک‌ترین اتوزوم است. کروموزوم‌های جنسی معمولاً در انتهای کاریوگرام قرار می‌گیرند.

در کاریوگرام، کروموزوم‌ها در امتداد یک محور افقی که با سانترومرهای آنها مشترک است، همسو می‌شوند. کروموزوم‌های منفرد همیشه با بازوهای کوتاه p در بالا، و بازوهای بلند q در پایین نشان داده می‌شوند. تعیین جایگاه سانترومر همچنین می‌تواند برای شناسایی مورفولوژی یا شکل کروموزوم‌ها استفاده شود. به‌عنوان‌مثال، کروموزوم‌های متاسانتریک (Metacentric chromosome)، مانند کروموزوم‌های ۱، ۳ و ۱۶، دارای بازوهای p و q با طول تقریباً مساوی هستند. کروموزوم‌های ساب‌متاسانتریک (Submetacentric chromosome)، مانند کروموزوم‌های ۲، ۶ و ۱۰، دارای سانترومرهایی هستند که کمی از مرکز جابه‌جا شده‌اند. کروموزوم‌های آکروسانتریک (Acrocentric chromosome) مانند کروموزوم‌های ۱۴، ۱۵ و ۲۱ دارای سانترومرهایی هستند که در نزدیکی انتهای آنها قرار دارند.

مرتب‌کردن کروموزوم‌ها در کاریوگرام می‌تواند شناسایی هر گونه ناهنجاری را ساده کند. الگوهای نواری بین دو نسخه کروموزوم یا همولوگ هر اتوزوم تقریباً یکسان است. برخی از تفاوت‌های جزئی بین همولوگ‌های یک کروموزوم مشخص را می‌توان به تنوع ساختاری طبیعی در بین افراد نسبت داد. گاهی اوقات، موارد فنی مرتبط با پردازش کروموزوم‌ها می‌توانند تفاوت‌های ظاهری بین دو همولوگ را ایجاد کنند، اما این موارد را می‌توان با تجزیه‌وتحلیل ۱۵-۲۰ گسترش متافاز از یک فرد شناسایی کرد. بسیار نادر است که همان موارد فنی به طور مکرر در یک نمونه مشخص رخ دهند.

استفاده از کاریوگرام برای تشخیص ناهنجاری‌های کروموزومی

امروزه به طور معمول کاربرد کاریوتایپ انسانی باند G برای تشخیص طیف گسترده‌ای از ناهنجاری‌های کروموزومی در افراد استفاده می‌شود. اگرچه وضوح تغییرات کروموزومی قابل‌تشخیص با کاریوتایپ انسان معمولاً چند مگاباز است، اما بااین‌وجود G باندینگ می‌تواند برای تشخیص دسته‌های خاصی از ناهنجاری‌ها کافی باشد. به‌عنوان مثال، آنیوپلوئیدی که اغلب به دلیل عدم وجود یا اضافه‌شدن یک کروموزوم ایجاد می‌شود، با تجزیه‌وتحلیل کاریوتایپ انسان به‌سادگی قابل‌تشخیص است. سیتوژنتیک همچنین اغلب می‌توانند حذف‌ها یا درج‌های بسیار ظریف‌تر را به‌عنوان انحراف از الگوهای نواری طبیعی تشخیص دهند. به همین ترتیب، جابه‌جایی‌ها اغلب بر روی کاریوتایپ‌ها به‌راحتی آشکار می‌شوند.

هنگامی که تغییرات ناحیه‌ای در کروموزوم‌ها بر روی کاریوتایپ انسان مشاهده می‌شود، محققان اغلب علاقه‌مند به شناسایی ژن‌های کاندید در بازه حیاتی هستند که بیان نادرست آنها ممکن است باعث ایجاد علائم در بیماران شود. این فرایند جستجو با تکمیل پروژه ژنوم انسانی که نوارهای سیتوژنتیکی را با اطلاعات توالی DNA مرتبط می‌کند، بسیار تسهیل شده است. در نتیجه، محققان اکنون قادر به استفاده از طیف وسیعی از تکنیک‌های سیتوژنتیک مولکولی برای دستیابی به‌وضوح بالاتر تغییرات ژنومی هستند. هیبریداسیون فلورسانس درجا (FISH) و هیبریداسیون ژنومی مقایسه‌ای (CGH) نمونه‌هایی از دو رویکرد بوده که به طور بالقوه می‌توانند ناهنجاری‌ها را در سطح ژن‌های منفرد شناسایی کنند.

سیتوژنتیک مولکولی یک‌رشته پویا است و روش‌های تشخیصی جدید همچنان درحال‌توسعه هستند. همان‌طور که این فناوری‌های جدید در کلینیک پیاده‌سازی می‌شوند، می‌توان انتظار داشت که سیتوژنتیک بتوانند با افزایش کارایی پرشی از کاریوتایپ انسان به ژن را انجام دهند.

 نتایج به‌دست‌آمده از این تست به چه معنایی است؟

یک نتیجه طبیعی یا منفی به این معنی است که ۴۶ کروموزوم در نمونه، بدون هیچ تغییر غیرعادی در ساختار آنها، وجود دارند.

یک نتیجه غیرطبیعی یا مثبت به این معنی است که تغییرات غیرعادی در تعداد یا ساختار کروموزوم‌ها پیدا شده است. نتایج غیرطبیعی بسته به تغییرات کروموزومی پیدا شده، می‌توانند به معنای اطلاعات زیادی در مورد سلامت فرد باشند که پزشک معالج نتایج به‌دست‌آمده را بررسی و تفسیر می‌کند.

جمع‌بندی

همان‌طور که اشاره شد، آزمون کاریوتایپ انسان فرایند به‌تصویرکشیدن مجموعه کروموزوم سلول‌های یک موجود زنده است که به‌منظور بررسی وضعیت کروموزوم‌ها، تعداد آن‌ها و بررسی تغییرات و ناهنجاری‌های کروموزومی انجام می‌گیرد. سیتوژنتیک بالینی، کاریوتایپ انسان را برای تشخیص تغییرات ژنتیکی فاحش یعنی ناهنجاری‌هایی که چندین مگاباز از DNA را شامل می‌شود، مورد بررسی قرار می‌دهد. کاریوتایپ‌ها می‌توانند تغییرات در تعداد کروموزوم‌های مرتبط با شرایط آنیوپلوئیدی، مانند تریزومی ۲۱ (سندرم داون) را نشان دهند. تجزیه‌وتحلیل دقیق کاریوتایپ‌ها همچنین می‌تواند تغییرات ساختاری جزئی‌تر مانند حذف کروموزومی، مضاعف‌شدگی، جابه‌جایی یا وارونگی را نیز نشان دهد. در واقع، کاریوتایپ‌ها منبع اطلاعات تشخیصی مهمی برای نقایص خاص مادرزادی، اختلالات ژنتیکی و حتی سرطان‌ها هستند.