La citogenética es esencialmente una rama de la genética , pero también es parte de la biología / citología celular (una subdivisión de la anatomía humana), que se ocupa de cómo los cromosomas se relacionan con el comportamiento celular, particularmente con su comportamiento durante la mitosis y la meiosis . [1] Las técnicas utilizadas incluyen cariotipado , análisis de cromosomas con bandas G , otras técnicas de bandas citogenéticas, así como citogenética molecular como la hibridación fluorescente in situ (FISH) y la hibridación genómica comparativa (CGH).
Historia
Principios
Los cromosomas fueron observados por primera vez en células vegetales por Karl Wilhelm von Nägeli en 1842. Su comportamiento en células animales ( salamandras ) fue descrito por Walther Flemming , el descubridor de la mitosis , en 1882. El nombre fue acuñado por otro anatomista alemán, von Waldeyer en 1888 .
La siguiente etapa tuvo lugar tras el desarrollo de la genética a principios del siglo XX, cuando se apreció que el conjunto de cromosomas (el cariotipo ) era el portador de los genes. Levitsky parece haber sido el primero en definir el cariotipo como la apariencia fenotípica de los cromosomas somáticos , en contraste con su contenido génico . [2] [3] La investigación sobre el cariotipo humano tomó muchos años para resolver la pregunta más básica: ¿cuántos cromosomas contiene una célula humana diploide normal ? [4] En 1912, Hans von Winiwarter informó 47 cromosomas en espermatogonias y 48 en ovogonias , concluyendo un mecanismo de determinación del sexo XX / XO . [5] Pintor en 1922 no estaba seguro de si el número diploide de humanos era 46 o 48, al principio favoreciendo a 46. [6] Revisó su opinión más tarde de 46 a 48, e insistió correctamente en que los humanos tuvieran un sistema XX / XY. de la determinación del sexo. [7] Teniendo en cuenta sus técnicas, estos resultados fueron bastante notables. En los libros de ciencia, el número de cromosomas humanos se mantuvo en 48 durante más de treinta años. Se necesitaban nuevas técnicas para corregir este error. Joe Hin Tjio, que trabaja en el laboratorio de Albert Levan [8] [9], fue el responsable de encontrar el enfoque:
- Usando células en cultivo
- Pretratar las células en una solución hipotónica , que las hincha y esparce los cromosomas.
- Detención de la mitosis en metafase mediante una solución de colchicina.
- Aplastando la preparación en el portaobjetos forzando los cromosomas a un solo plano
- Cortar una microfotografía y ordenar el resultado en un cariograma indiscutible.
Fue necesario hasta 1956 para que se aceptara generalmente que el cariotipo del hombre incluía solo 46 cromosomas. [10] [11] [12] Los grandes simios tienen 48 cromosomas. El cromosoma 2 humano se formó mediante una fusión de cromosomas ancestrales, reduciendo el número. [13]
Aplicaciones en citogenética
El trabajo de McClintock sobre el maíz
Barbara McClintock comenzó su carrera como citogenetista de maíz . En 1931, McClintock y Harriet Creighton demostraron que la recombinación citológica de cromosomas marcados se correlacionaba con la recombinación de rasgos genéticos ( genes ). McClintock, mientras estaba en la Carnegie Institution , continuó estudios previos sobre los mecanismos de rotura de cromosomas y destellos de fusión en el maíz. Ella identificó un evento particular de rotura de cromosomas que siempre ocurría en el mismo locus en el cromosoma 9 del maíz, al que llamó locus " Ds" o "disociación". [14] McClintock continuó su carrera en citogenética estudiando la mecánica y la herencia de los cromosomas rotos y anulares (circulares) del maíz. Durante su trabajo citogenético, McClintock descubrió los transposones , un hallazgo que finalmente la llevó al Premio Nobel en 1983.
Poblaciones naturales de Drosophila
En la década de 1930, Dobzhansky y sus compañeros de trabajo recolectaron Drosophila pseudoobscura y D. persimilis de poblaciones silvestres en California y estados vecinos. Utilizando la técnica de Painter [15] , estudiaron los cromosomas politénicos y descubrieron que las poblaciones silvestres eran polimórficas para las inversiones cromosómicas . Todas las moscas se parecen independientemente de las inversiones que lleven: este es un ejemplo de polimorfismo críptico.
La evidencia se acumuló rápidamente para demostrar que la selección natural era la responsable. Utilizando un método inventado por L'Héritier y Teissier, Dobzhansky crió poblaciones en jaulas de población , lo que permitió la alimentación, la reproducción y el muestreo al tiempo que evitaba el escape. Esto tuvo el beneficio de eliminar la migración como posible explicación de los resultados. Las poblaciones que contienen inversiones a una frecuencia inicial conocida pueden mantenerse en condiciones controladas. Se encontró que los diversos tipos de cromosomas no fluctúan al azar, como lo harían si fueran selectivamente neutrales, sino que se ajustan a ciertas frecuencias en las que se estabilizan. Cuando Dobzhansky publicó la tercera edición de su libro en 1951 [16] , estaba convencido de que los morfos cromosómicos se mantenían en la población gracias a la ventaja selectiva de los heterocigotos, como ocurre con la mayoría de los polimorfismos . [17] [18]
Lirio y ratón
El lirio es un organismo favorecido para el examen citológico de la meiosis, ya que los cromosomas son grandes y cada etapa morfológica de la meiosis puede identificarse microscópicamente fácilmente. Hotta y col. [19] presentó evidencia de un patrón común de síntesis de reparación y corte de ADN en células meióticas masculinas de lirios y roedores durante las etapas de meiosis cigoteno-paquiteno cuando se presume que ocurre el cruce. La presencia de un patrón común entre organismos tan filogenéticamente distantes como el lirio y el ratón llevó a los autores a concluir que la organización del cruce meiótico en al menos eucariotas superiores es probablemente de distribución universal.
Anormalidades humanas y aplicaciones médicas.
Tras el advenimiento de los procedimientos que permitieron una fácil enumeración de los cromosomas, se hicieron rápidamente descubrimientos relacionados con los cromosomas aberrantes o el número de cromosomas. En algunos trastornos congénitos, como el síndrome de Down , la citogenética reveló la naturaleza del defecto cromosómico: una trisomía "simple". Las anomalías que surgen de eventos de no disyunción pueden causar células con aneuploidía (adiciones o deleciones de cromosomas completos) en uno de los padres o en el feto. En 1959, Lejeune [20] descubrió que los pacientes con síndrome de Down tenían una copia extra del cromosoma 21. El síndrome de Down también se conoce como trisomía 21.
Otras anomalías numéricas descubiertas incluyen anomalías de los cromosomas sexuales. Una mujer con un solo cromosoma X tiene síndrome de Turner , mientras que un cromosoma X adicional en un hombre, que da como resultado 47 cromosomas totales, tiene síndrome de Klinefelter . Muchas otras combinaciones de cromosomas sexuales son compatibles con los nacidos vivos, incluidos XXX, XYY y XXXX. La capacidad de los mamíferos para tolerar aneuploidías en los cromosomas sexuales surge de la capacidad de inactivarlos , lo que se requiere en las hembras normales para compensar el hecho de tener dos copias del cromosoma. No todos los genes del cromosoma X están inactivados, por lo que se observa un efecto fenotípico en individuos con cromosomas X adicionales.
La trisomía 13 se asoció con el síndrome de Patau y la trisomía 18 con el síndrome de Edwards .
En 1960, Peter Nowell y David Hungerford [21] descubrieron un pequeño cromosoma en los glóbulos blancos de pacientes con leucemia mielógena crónica (LMC). Este cromosoma anormal se denominó cromosoma Filadelfia , ya que ambos científicos estaban investigando en Filadelfia, Pensilvania . Trece años más tarde, con el desarrollo de técnicas más avanzadas, Janet Rowley demostró que el cromosoma anormal era el resultado de una translocación de los cromosomas 9 y 22. La identificación del cromosoma Filadelfia mediante citogenética es un diagnóstico de LMC.
Advenimiento de las técnicas de anillado
A finales de la década de 1960, Torbjörn Caspersson desarrolló una técnica de tinción fluorescente de quinacrina (bandas Q) que reveló patrones de bandas únicos para cada par de cromosomas. Esto permitió diferenciar pares de cromosomas de igual tamaño mediante distintos patrones de bandas horizontales. Los patrones de bandas ahora se utilizan para dilucidar los puntos de corte y los cromosomas constituyentes involucrados en las translocaciones cromosómicas . Las deleciones e inversiones dentro de un cromosoma individual también pueden identificarse y describirse con mayor precisión utilizando nomenclatura de bandas estandarizada. Las bandas G (que utilizan tripsina y tinción de Giemsa / Wright) se desarrollaron simultáneamente a principios de la década de 1970 y permiten la visualización de patrones de bandas utilizando un microscopio de campo brillante.
Los diagramas que identifican los cromosomas basados en los patrones de bandas se conocen como idiogramas . Estos mapas se convirtieron en la base de los campos prenatal y oncológico para trasladar rápidamente la citogenética al laboratorio clínico donde el cariotipo permitió a los científicos buscar alteraciones cromosómicas. Las técnicas se ampliaron para permitir el cultivo de amniocitos libres recuperados del líquido amniótico y las técnicas de elongación para todos los tipos de cultivos que permiten bandas de mayor resolución.
Inicios de la citogenética molecular
En la década de 1980, se realizaron avances en la citogenética molecular . Si bien las sondas marcadas con radioisótopos se habían hibridado con ADN desde 1969, ahora se movió el uso de sondas marcadas con fluorescencia. Hibridarlos en preparaciones cromosómicas utilizando técnicas existentes llegó a conocerse como hibridación fluorescente in situ (FISH). [22] Este cambio aumentó significativamente el uso de técnicas de sondeo, ya que las sondas marcadas con fluorescencia son más seguras. Los nuevos avances en la micromanipulación y el examen de los cromosomas llevaron a la técnica de la microdisección cromosómica mediante la cual las aberraciones en la estructura cromosómica podían aislarse, clonarse y estudiarse con mayor detalle.
Técnicas
Cariotipo
El análisis de cromosomas de rutina ( cariotipo ) se refiere al análisis de cromosomas en metafase que se han anillado usando tripsina seguida de Giemsa , Leishmanns o una mezcla de los dos. Esto crea patrones de bandas únicos en los cromosomas. Se desconoce el mecanismo molecular y la razón de estos patrones, aunque probablemente esté relacionado con el tiempo de replicación y el empaquetamiento de la cromatina.
En los laboratorios de citogenética se utilizan varias técnicas de bandas cromosómicas. Las bandas de quinacrina (bandas Q) fueron el primer método de tinción utilizado para producir patrones de bandas específicos. Este método requiere un microscopio de fluorescencia y ya no se usa tan ampliamente como las bandas de Giemsa (bandas G). Las bandas inversas, o bandas R, requieren un tratamiento térmico e invierten el patrón habitual en blanco y negro que se ve en las bandas G y Q. Este método es particularmente útil para teñir los extremos distales de los cromosomas. Otras técnicas de tinción incluyen tinciones de la región organizadora nucleolar y de bandas C (tinciones NOR). Estos últimos métodos tiñen específicamente ciertas partes del cromosoma. Las bandas C tiñen la heterocromatina constitutiva , que generalmente se encuentra cerca del centrómero, y la tinción NOR resalta los satélites y los tallos de los cromosomas acrocéntricos .
Las bandas de alta resolución implican la tinción de los cromosomas durante la profase o metafase temprana (prometafase), antes de que alcancen la condensación máxima. Debido a que los cromosomas profase y prometafase están más extendidos que los cromosomas metafase, el número de bandas observables para todos los cromosomas aumenta de aproximadamente 300 a 450 hasta 800. Esto permite la detección de anomalías menos obvias que generalmente no se ven con las bandas convencionales.
Preparación de diapositivas
Las células de la médula ósea , la sangre, el líquido amniótico, la sangre del cordón , el tumor y los tejidos (incluida la piel, el cordón umbilical , las vellosidades coriónicas, el hígado y muchos otros órganos) se pueden cultivar utilizando técnicas de cultivo celular estándar para aumentar su número. Luego se agrega al cultivo un inhibidor mitótico ( colchicina , colcemid ). Esto detiene la división celular en la mitosis, lo que permite un mayor rendimiento de células mitóticas para el análisis. A continuación, las células se centrifugan y el medio y el inhibidor mitótico se eliminan y se reemplazan con una solución hipotónica. Esto hace que los glóbulos blancos o los fibroblastos se hinchen para que los cromosomas se propaguen cuando se agreguen a un portaobjetos y también lisan los glóbulos rojos. Una vez que las células se han dejado reposar en una solución hipotónica, se añade el fijador de Carnoy ( metanol a ácido acético glacial 3: 1 ). Esto mata las células y endurece los núcleos de los glóbulos blancos restantes. Las células generalmente se fijan repetidamente para eliminar cualquier residuo o glóbulos rojos restantes. A continuación, se deja caer la suspensión celular sobre portaobjetos de muestras. Después de envejecer los portaobjetos en un horno o esperar unos días, están listos para su análisis y bandas.
Análisis
Un laboratorio clínico especialista en citogenética (CLSp (CG)) realiza el análisis de los cromosomas en bandas al microscopio . Generalmente se analizan 20 celdas lo que es suficiente para descartar mosaicismo a un nivel aceptable. Los resultados se resumen y se entregan a un citogenetista certificado por la junta para que los revise y redacte una interpretación teniendo en cuenta la historia previa del paciente y otros hallazgos clínicos. Los resultados luego se dan a conocer en un Sistema Internacional de Nomenclatura Citogenética Humana 2009 (ISCN2009).
Hibridación fluorescente in situ
La hibridación fluorescente in situ (FISH) se refiere al uso de una sonda marcada con fluorescencia para hibridar con preparaciones de células citogenéticas.
Además de las preparaciones estándar, el FISH también se puede realizar en:
- frotis de médula ósea
- frotis de sangre
- preparaciones de tejido incluidas en parafina
- muestras de tejido disociadas enzimáticamente
- médula ósea sin cultivar
- amniocitos no cultivados
- cytospin preparativos
Preparación de diapositivas
Esta sección se refiere a la preparación de preparaciones citogenéticas estándar.
El portaobjetos se envejece usando una solución salina que generalmente consta de 2X SSC (sal, citrato de sodio). A continuación, se deshidratan los portaobjetos en etanol y se añade la mezcla de sondas. A continuación, el ADN de la muestra y el ADN de la sonda se desnaturalizan conjuntamente usando una placa calentada y se dejan volver a templar durante al menos 4 horas. A continuación, los portaobjetos se lavan para eliminar el exceso de sonda no unida y se contratiñen con 4 ', 6-diamidino-2-fenilindol ( DAPI ) o yoduro de propidio.
Análisis
El análisis de las muestras FISH se realiza mediante microscopía de fluorescencia por un laboratorio clínico especialista en citogenética. Para oncología, generalmente se puntúa un gran número de células en interfase para descartar una enfermedad residual de bajo nivel, generalmente se cuentan y puntúan entre 200 y 1000 células. Para problemas congénitos, generalmente se puntúan 20 células en metafase.
Futuro de la citogenética
Los avances ahora se centran en la citogenética molecular, incluidos los sistemas automatizados para contar los resultados de las preparaciones FISH estándar y las técnicas para el cariotipo virtual , como las matrices de hibridación genómica comparativa, CGH y matrices de polimorfismo de un solo nucleótido .
Ver también
- Citotaxonomía
- Cariotipo
- Citogenética molecular
- Ploidía
- Cariotipo virtual
Referencias
- ↑ Rieger, R .; Michaelis, A .; Green, MM (1968), Glosario de genética y citogenética: clásica y molecular , Nueva York: Springer-Verlag, ISBN 978-0-387-07668-3Mantenimiento de CS1: utiliza el parámetro de autores ( enlace )
- ^ Levitsky, Grigorii Andreevich (1924). Material'nye osnovy nasledstvennosti [ La base material de la herencia ] (en ruso). Kiev: Gosizdat Ukrainy.[ página necesaria ]
- ^ Levitsky GA (1931). "La morfología de los cromosomas". Toro. Bot aplicado. Gineta. Raza de plantas . 27 : 19-174.
- ^ Kottler, Malcolm Jay (1974). "Del 48 al 46: técnica citológica, preconcepción y recuento de cromosomas humanos". Boletín de Historia de la Medicina . 48 (4): 465–502. JSTOR 44450164 . PMID 4618149 . ProQuest 1296285397 .
- ^ von Winiwarter H (1912). "Études sur la spermatogenese humaine" [Estudios de espermatogénesis humana]. Arco. Biologie (en francés). 27 (93): 147-149.
- ^ Pintor TS "La espermatogénesis del hombre" p. 129 pulg "Resúmenes" . El registro anatómico . 23 (1): 89-132. Enero de 1922. doi : 10.1002 / ar.1090230111 .
- ^ Pintor, Theophilus S. (abril de 1923). "Estudios en espermatogénesis de mamíferos. II. La espermatogénesis del hombre". Revista de Zoología Experimental . 37 (3): 291–336. doi : 10.1002 / jez.1400370303 .
- ^ Wright, Pearce (11 de diciembre de 2001). "Joe Hin Tjio El hombre que rompió el recuento de cromosomas" . The Guardian . Archivado desde el original el 25 de agosto de 2017.
- ^ Saxon, Wolfgang (7 de diciembre de 2001). "Joe Hin Tjio, 82; el biólogo de investigación contó los cromosomas" . The New York Times . Archivado desde el original el 12 de mayo de 2013.
- ^ Tjio, Joe Hin; Levan, Albert (9 de julio de 2010). "El número de cromosomas del hombre" . Hereditas . 42 (1–2): 723–4. doi : 10.1111 / j.1601-5223.1956.tb03010.x . PMID 345813 .
- ^ Hsu, TC (2012). Citogenética humana y de mamíferos: una perspectiva histórica . Springer Science & Business Media. ISBN 978-1-4612-6159-9.[ página necesaria ]
- ^ "Copia archivada" . Archivado desde el original el 17 de febrero de 2011 . Consultado el 15 de marzo de 2011 .CS1 maint: copia archivada como título ( enlace ) Encyclopædia Britannica, el cromosoma humano
- ^ "Copia archivada" . Archivado desde el original el 20 de agosto de 2011 . Consultado el 29 de mayo de 2010 .CS1 maint: copia archivada como título ( enlace ) Páginas de evolución, fusión de cromosomas
- ^ Ravindran, Sandeep (11 de diciembre de 2012). "Barbara McClintock y el descubrimiento de genes saltarines" . Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América . 109 (50): 20198–20199. doi : 10.1073 / pnas.1219372109 . PMC 3528533 . PMID 23236127 .
- ^ Painter, TS (22 de diciembre de 1933). "Un nuevo método para el estudio de reordenamientos cromosómicos y el trazado de mapas cromosómicos". Ciencia . 78 (2034): 585–586. Código Bibliográfico : 1933Sci .... 78..585P . doi : 10.1126 / science.78.2034.585 . PMID 17801695 .
- ^ Dobzhansky T. 1951. Genética y origen de especies . 3ª ed. Columbia University Press, Nueva York.
- ^ Dobzhansky T. 1970. Genética del proceso evolutivo . Prensa de la Universidad de Columbia NY
- ^ [Dobzhansky T.] 1981. Genética de poblaciones naturales de Dobzhansky . eds Lewontin RC, Moore JA, Provine WB y Wallace B. Columbia University Press NY
- ^ Hotta, Yasuo; Chandley, Ann C .; Stern, Herbert (septiembre de 1977). "Cruce meiótico en lirio y ratón". Naturaleza . 269 (5625): 240–242. Código Bibliográfico : 1977Natur.269..240H . doi : 10.1038 / 269240a0 . PMID 593319 . S2CID 4268089 .
- ^ Lejeune, Jérôme; Gautier, Marthe; Turpin, Raymond (16 de marzo de 1959). "Étude des chromosomes somatiques des neuf enfants mongoliens" [Estudio de cromosomas somáticos de 9 niños mongoloides]. Comptes rendus hebdomadaires des séances de l'Académie des Sciences (en francés). 248 (11): 1721-1722. OCLC 871332352 . PMID 13639368 . NAID 10008406728 .
- ^ Nowell PC, Hungerford DA. "Un cromosoma diminuto en la leucemia granulocítica crónica humana". págs. 1497–1501 en "Academia Nacional de Ciencias". Ciencia . 132 (3438): 1488–1501. 18 de noviembre de 1960. doi : 10.1126 / science.132.3438.1488 . PMID 17739576 .
- ^ Gupta, PK (2007). Citogenética . Publicaciones Rastogi. ISBN 978-81-7133-737-8.[ página necesaria ]
enlaces externos
- Directorio citogenético
- Recursos de citogenética
- Citogenética humana: cromosomas y cariotipos
- Asociación de Tecnólogos Genéticos
- Asociación de Citogenéticos Clínicos
- Blog médico de Gladwin
- Citogenética: tecnologías, mercados y empresas
- Métodos de citogenética y resolución de problemas
- Departamento de Citogenética de Wikiversity