Karyotyp (řecký karyon = jádro, semeno nebo jádro) je počet a vzhled chromozomů v jádru eukaryotické buňky. Tento termín se používá také pro kompletní sadu chromozomů v určitém druhu nebo jednotlivém organismu.
Karyotyp popisuje počet chromozomů a to, jak vypadají pod světelným mikroskopem. Pozornost je věnována jejich délce, poloze centromer, vzoru pruhování, případným rozdílům mezi pohlavními chromozomy a dalším fyzikálním vlastnostem. Příprava a studium karyotypů je součástí cytogenetiky.
Karyogram lidského muže pomocí Giemsa barvení
Studium celých sad chromozomů je někdy známé jako karyologie. Chromozomy jsou zobrazeny (přeskupením mikrofotografie) ve standardním formátu známém jako karyogram nebo idiogram: v párech, seřazených podle velikosti a pozice centromery pro chromozomy stejné velikosti.
Základní počet chromozomů v somatických buňkách jedince nebo druhu se nazývá somatické číslo a označuje se 2n. Tedy u člověka 2n = 46. V zárodečné linii (pohlavních buňkách) je číslo chromozomu n (člověk: n = 23).p28.
U normálních diploidních organismů jsou tedy autozomální chromozomy přítomny ve dvou kopiích. Mohou, ale také nemusí, být pohlavní chromozomy. Polyploidní buňky mají více kopií chromozomů a haploidní buňky mají jednotlivé kopie.
Studium karyotypů je důležité pro buněčnou biologii a genetiku a výsledky mohou být použity v evoluční biologii a medicíně. Karyotypy mohou být použity pro mnoho účelů; například pro studium chromozomálních aberací, buněčných funkcí, taxonomických vztahů a pro shromažďování informací o minulých evolučních událostech.
Historie karyotypových studií
Chromozomy byly poprvé pozorovány v rostlinných buňkách Karlem Wilhelmem von Nägelim v roce 1842. Jejich chování v živočišných (salamandrových) buňkách popsal Walther Flemming, objevitel mitózy, v roce 1882. Jméno vymyslel jiný německý anatom, von Waldeyer v roce 1888.
Další etapa nastala po vývoji genetiky na počátku 20. století, kdy se oceňovalo, že nositelem genů je sada chromozomů (karyotyp). Zdá se, že Levitsky byl první, kdo definoval karyotyp jako fenotypický vzhled somatických chromozomů, na rozdíl od jejich genního obsahu. Následnou historii tohoto konceptu lze sledovat v dílech Darlingtona a Whitea.
Výzkum lidského karyotypu trval mnoho let, než se vyřešila nejzákladnější otázka: kolik chromozomů obsahuje normální diploidní lidská buňka? V roce 1912 Hans von Winiwarter nahlásil 47 chromozomů ve spermatogonii a 48 v oogonii, čímž uzavřel XX/XO mechanismus určování pohlaví. Malíř v roce 1922 si nebyl jistý, zda diploidní počet lidí byl 46 nebo 48, zpočátku upřednostňoval 46, ale přehodnotil svůj názor ze 46 na 48 a správně trval na tom, aby lidé měli XX/XY systém. Vzhledem k tehdejším technikám byly tyto výsledky pozoruhodné.
Fúze chromozomů předků zanechala výrazné zbytky telomer a zbytkovou centromeru
V učebnicích zůstával počet lidských chromozomů přes třicet let na 48. K nápravě této chyby byly zapotřebí nové techniky. Albert Levan byl zodpovědný za nalezení přístupu:
Práce se konala v roce 1955 a byla publikována v roce 1956. Karyotyp člověka zahrnuje pouze 46 chromozomů. Zajímavé je, že lidoopi mají 48 chromozomů. Nyní je známo, že lidský chromozom 2 je výsledkem end-to-end fúze dvou rodových opičích chromozomů.
Pozorování karyotypů
Studium karyotypů je umožněno barvením. Vhodné barvivo, jako je Giemsa, se obvykle aplikuje poté, co byly buňky při dělení buněk zastaveny roztokem kolchicinu. U lidí se nejčastěji používají bílé krvinky, protože jsou snadno navozeny k dělení a růstu v tkáňové kultuře. Někdy mohou být pozorována na nedělících se (mezifázových) buňkách. Pohlaví nenarozeného plodu může být určeno pozorováním mezifázových buněk (viz amniotická centéza a Barrovo tělo).
Obvykle je pozorováno a porovnáváno šest různých charakteristik karyotypů:
Úplný popis karyotypu proto může obsahovat počet, typ, tvar a pruhování chromozomů, jakož i další cytogenetické informace.
Variace se často vyskytuje:
Normální lidské karyotypy obsahují 22 párů autozomálních chromozomů a jeden pár pohlavních chromozomů. Normální karyotypy u žen obsahují dva chromozomy X a jsou označeny 46,XX; muži mají chromozom X i Y označený 46,XY. Jakákoliv odchylka od standardního karyotypu může vést k vývojovým abnormalitám.
Rozmanitost a vývoj karyotypů
I když je replikace a transkripce DNA u eukaryot vysoce standardizovaná, totéž nelze říci o jejich karyotypech, které jsou vysoce variabilní. Existují variace mezi druhy v počtu chromozomů a v detailní organizaci, navzdory jejich konstrukci ze stejných makromolekul. Tato variace poskytuje základ pro řadu studií v evoluční cytologii.
Ačkoli je o karyotypech na popisné úrovni známo mnoho a je zřejmé, že změny v organizaci karyotypů měly vliv na evoluční vývoj mnoha druhů, je zcela nejasné, jaký by mohl být obecný význam.
Změny během vývoje
Místo obvyklé genové represe dochází u některých organismů k rozsáhlé eliminaci heterochromatinu nebo k jiným druhům viditelné úpravy karyotypu.
Počet chromozomů v sadě
Velkolepým příkladem variability mezi blízce příbuznými druhy je muntžak, který zkoumal Kurt Benirschke a jeho kolegyně Doris Wursterová. Zjistilo se, že diploidní číslo čínského muntžaku Muntiacus reevesi je 46, všechny telocentrické. Když se podívali na karyotyp blízce příbuzného indického muntžaku Muntiacus muntjak, s úžasem zjistili, že má samice = 6, samec = 7 chromozomů.
Počet chromozomů v karyotypu mezi (relativně) nepříbuznými druhy je velmi proměnlivý. Nízký rekord drží hlístice Parascaris univalens, kde haploid n = 1; a mravenec: Myrmecia pilosula. Vysoký rekord by byl někde mezi kapradinami, s Adder’s Tongue Fern Ophioglossum vpředu s průměrem 1262 chromozomů. Nejlepším skóre pro zvířata by mohl být jeseter krátkonosý Acipenser brevirostrum s pouhými 372 chromozomy. Existence nadpočetných nebo B chromozomů znamená, že počet chromozomů se může lišit i v rámci jedné křížící se populace; a aneuploidy jsou dalším příkladem, i když v tomto případě by nebyly považovány za normální členy populace.
Základní číslo, FN, karyotypu je počet viditelných hlavních chromozomových ramen na sadu chromozomů. Tedy FN ≤ 2 x 2n, rozdíl v závislosti na počtu chromozomů považovaných za jednoruké (akrocentrické nebo telocentrické) přítomné. Lidé mají FN = 82, vzhledem k přítomnosti pěti akrocentrických chromozomových párů: 13, 14, 15, 21 a 22. Základní autozomální číslo nebo autozomální základní číslo, FNa nebo AN, karyotypu je počet viditelných hlavních chromozomových ramen na sadu autosomů (chromozomů nespojených na pohlaví).
Ploidie je počet kompletních sad chromozomů v buňce.
Aneuploidie je stav, při kterém počet chromozomů v buňkách není typickým číslem pro daný druh. To by vedlo ke vzniku chromozomové abnormality, jako je například jeden chromozom navíc nebo jeden nebo více chromozomů ztracených. Abnormality v počtu chromozomů obvykle způsobují poruchu ve vývoji. Příkladem jsou Downův syndrom a Turnerův syndrom.
Aneuploidie se může objevit i ve skupině blízce příbuzných druhů. Klasickým příkladem u rostlin je rod Crepis, kde gametická (= haploidní)
čísla tvoří řady x = 3, 4, 5, 6 a 7; a Crocus, kde každé číslo od x = 3 do x = 15 je zastoupeno alespoň jedním druhem. Důkazy různých druhů ukazují, že vývojové trendy se v různých skupinách ubíraly různými směry. Blíže k domovu mají lidoopi chromozomy 24×2, zatímco lidé 23×2. Lidský chromozom 2 vznikl sloučením chromozomů předků, čímž se jejich počet snížil.
Některé živočišné druhy jsou polymorfní pro fúze nebo disociace chromozomů. Když k tomu dojde, počet chromozomů je u jednotlivých jedinců proměnlivý. Dobře prozkoumanými příklady jsou brouk beruška Chilocorus stigma, některé kudlanky rodu Ameles, rejsek evropský Sorex araneus. Existují určité důkazy z případu měkkýše Thais lapillus (psího syrečka) na bretaňském pobřeží, že oba chromozomové morfy jsou přizpůsobeny různým biotopům.
Polytenové pruhování skupiny ‚obrazového křídla‘, nejlépe studované skupiny havajských drosofilů, umožnilo Carsonovi vypracovat evoluční strom dávno předtím, než byla analýza genomu proveditelná. V jistém smyslu je genové uspořádání viditelné v pruhovacích vzorcích každého chromozomu. Chromozomové přesmyky, zejména inverze, umožňují zjistit, které druhy jsou si blízce příbuzné.
Výsledky jsou jasné. Inverze, pokud jsou zakresleny ve formě stromů (a nezávislé na všech ostatních informacích), vykazují jasný „tok“ druhů ze starších na novější ostrovy. Existují také případy kolonizace zpět na starší ostrovy a přeskakování ostrovů, ale ty jsou mnohem méně časté. Pomocí K-Ar datování, současné ostrovy pocházejí z doby před 0,4 miliony let (mya) (Mauna Kea) až 10mya (Necker). Nejstarším členem Havajského souostroví stále nad mořem je atol Kure, který může být datován do 30 mya. Samotné souostroví (produkované tichomořskou deskou pohybující se nad horkým místem) existuje mnohem déle, alespoň do křídy. Předchozí ostrovy nyní pod mořem (guyoty) tvoří řetěz císařské mořské hory.
Všechny původní druhy Drosophila a Scaptomyza na Havaji zřejmě pocházejí z jednoho původního druhu, který ostrovy kolonizoval pravděpodobně před 20 miliony let. Následné adaptivní záření bylo podníceno nedostatkem konkurence a širokou škálou výklenků. Ačkoli by bylo možné, aby jeden gravidní samec kolonizoval ostrov, je pravděpodobnější, že se jednalo o skupinu stejného druhu.
Na havajském souostroví žijí další živočichové a rostliny, které prošly podobným, i když méně efektním adaptivním zářením.
Klasická karyotypová cytogenetika
Karyogram z lidského ženského lymfocytu sondoval Alu sekvenci pomocí FISH.
V „klasickém“ (vyobrazeném) karyotypu se k barvení pásů na chromozomech používá barvivo, často Giemsa (G-pás), méně často Quinacrine. Giemsa je specifická pro fosfátové skupiny DNA. Quinacrine se váže na oblasti bohaté na adenin-thymin. Každý chromozom má charakteristický páskový vzor, který pomáhá je identifikovat; oba chromozomy v páru budou mít stejný pásový vzor.
Karyotypy jsou uspořádány s krátkým ramenem chromozomu nahoře a dlouhým ramenem dole. Některé karyotypy nazývají krátké a dlouhé rameno p, respektive q. Kromě toho různě zbarvené oblasti a podoblasti mají na chromozomových ramenech číselná označení od proximálního po distální. Například syndrom Cri du chat zahrnuje deleci na krátkém rameni chromozomu 5. Je zapsán jako 46,XX,5p-. Kritickou oblastí pro tento syndrom je deleci 15,2, která je zapsána jako 46,XX,del(5)(p15,2).
Spektrální karyotyp (technika SKY)
Spektrální karyogram lidské ženy
Spektrální karyotypizace je molekulární cytogenetická technika používaná k současné vizualizaci všech dvojic chromozomů v organismu v různých barvách. Fluorescentně značené sondy pro každý chromozom se provádějí značením chromozomově specifické DNA různými fluorofory. Protože existuje omezený počet spektrálně odlišných fluoroforů, používá se kombinatorická metoda značení ke generování mnoha různých barev. Spektrální rozdíly generované kombinatorickým značením jsou zachyceny a analyzovány pomocí interferometru připojeného k fluorescenčnímu mikroskopu. Software pro zpracování obrazu pak přiřadí každé spektrálně odlišné kombinaci pseudobarvu, což umožňuje vizualizaci jednotlivě barevných chromozomů.
Tato technika se používá k identifikaci strukturních chromozomových aberací v nádorových buňkách a dalších chorobných stavů, kdy nejsou dostatečně přesné Giemsovy bandáže nebo jiné techniky.
Digitální karyotypizace je technika používaná ke kvantifikaci počtu kopií DNA v genomovém měřítku. Krátké sekvence DNA ze specifických lokusů v celém genomu jsou izolovány a vyjmenovány. Tato metoda je také známá jako virtuální karyotypizace.
Chromozomové abnormality mohou být numerické, jako v přítomnosti extra nebo chybějících chromozomů, nebo strukturní, jako v derivačních chromozomech, translokacích, inverzích, velkoplošných delecích nebo duplicitách. Numerické abnormality, také známé jako aneuploidie, se často vyskytují v důsledku nerozdělení během meiózy při tvorbě gamet; trisomie, ve kterých jsou přítomny tři kopie chromozomu místo obvyklých dvou, jsou běžné numerické abnormality. Strukturální abnormality často vznikají z chyb v homologní rekombinaci. Oba typy abnormalit se mohou objevit v gametách, a proto budou přítomny ve všech buňkách těla postiženého člověka, nebo se mohou objevit během mitózy a dát vzniknout jedinci s genetickou mozaikou, který má nějaké normální a nějaké abnormální buňky.
Chromozomální abnormality, které vedou k onemocnění u lidí patří
Některé poruchy vznikají ze ztráty jen kusu jednoho chromozomu, včetně
Chromozomální abnormality se mohou objevit i v rakovinných buňkách jinak geneticky normálního jedince; jedním z dobře zdokumentovaných příkladů je chromozom Philadelphia, translokační mutace běžně spojovaná s chronickou myeloidní leukémií a méně často s akutní lymfoblastickou leukémií.
Karyotyp – Ploidy – Meiosis
Autosome – Pohlavní chromozom
Chromozomální inverze – Chromozomální translokace – Polyploidie – Paleopolyploidie
Chromatin (euchromatin, heterochromatin)
Histon (H1, H2A, H2B, H3, H4)
Centromera (A, B, C1, C2, E, F, H, I, J, K, M, N, O, P, Q, T)
Nukleozom – Telomera – Chromatid