CITOGENÈTICA: HISTÒRIA, QUÈ ESTUDIA, TÈCNIQUES, APLICACIONS - BIOLOGIA - 2025

La citogenètica és l'estudi de la morfologia, estructura i funcionament dels cromosomes, incloent els seus canvis durant la divisió somàtica de les cèl·lules, o mitosi, i durant la divisió reproductiva de les cèl·lules, o meiosi.

La citologia també estudia els factors que ocasionen canvis cromosòmics, incloent aquells patològics, que apareixen d'una generació a una altra, i evolutius, que actuen al llarg de moltes generacions.

Font: pixabay.com

història

Els anys i esdeveniments memorables en la història de la citogenètica són els següents:

- El 1842, Karl Wilhelm von Nägeli va observar "citoblastos transitoris", després anomenats cromosomes.

- El 1875, Eduard Strasburger va identificar cromosomes en plantes. El 1979, Walther Flemming ho va fer en animals. Flemming va encunyar els termes cromatina, profase, metafase, anafase i telofase.

- El 1888, W. Waldeyer va encunyar el terme cromosoma.

- El 1893, Oscar Hertwig va publicar el primer text de citogenètica.

- El 1902, Theodor Boveri i Walter Sutton van descobrir els cromosomes homòlegs.

- El 1905, Nettie Stevens va identificar el cromosoma Y.

- El 1937, Albert Blakeslee i AG Avery van detenir la metafase amb colquicina, facilitant enormement l'observació de cromosomes.

- El 1968, Torbjörn Caspersson i col·laboradors van descriure les bandes Q. En 1971, Bernard Dutrillaux i Jerome Lejeune van descriure les bandes R.

- El 1971, es va parlar de bandes C en una conferència sobre nomenclatura de cromosomes humans.

- El 1975, C. Goodpasture i SE Bloom van descriure la tinció Ag-NOR.

- El 1979, Jorge Yunis va descriure els mètodes d'alta resolució per a bandes G.

- En 1986-1988, Daniel Pinkel i Joe Gray van desenvolupar la tècnica FISH (fluorescent in situ Hybridization).

- El 1989, Hermann-Josef Lüdecke microdisectó cromosomes.

- El 1996, Evelyn Schrock i Thomas Ried van descriure la tipificació cariotípica espectral multicromàtica.

Descobriments en humans

El 1914, Theodor Boveri va suggerir que el càncer podria ser degut a canvis cromosòmics. El 1958, Charles E. Ford va observar anomalies cromosòmiques durant la leucèmia.

En 1922, Theophilus Painter va publicar que els humans tenen 48 cromosomes. Va caldre esperar fins a 1956 perquè Jo Hin Tjio i Albert Levan establissin que realment tenen 46 cromosomes.

En 1932, PJ Waardenburg suggerir, sense provar-ho, que la síndrome de Down podia ser el resultat d'una aberració cromosòmica. El 1959, Jerome Lejeune va demostrar la presència d'un cromosoma somàtic addicional en pacients amb la síndrome de Down.

També en 1959, Charles E. Ford va referir que les dones amb la síndrome de Turner no tenen un dels dos cromosomes X, mentre que Patricia Jacobs i John Strong van descobrir la presència d'un cromosoma X addicional en els homes amb la síndrome de Klinefelter.

El 1960, JA Böök i Berta Santesson van descriure la triploïdia, Klaus Patau va descriure la trisomia 13, i John Edwards va descriure la trisomia 18.

El 1969, Herbert Lubs First va descobrir la síndrome de l'cromosoma X fràgil. Aquest mateix any, va començar a usar-se l'amniocentesi per al diagnòstic citogenètic.

Camp d'estudi

Els citogenetistes estudien l'evolució cromosòmica dels éssers vius, usant cariotips per fer anàlisis filogenètics i resoldre problemes taxonòmics.

A més, investiguen aspectes epidemiològics de les aberracions cromosòmiques humanes i els factors ambientals que les produeixen, diagnostiquen i tracten a pacients afectats per anomalies cromosòmiques, i desenvolupen enfocaments moleculars per desxifrar l'estructura, funció i evolució dels cromosomes.

Morfologia dels cromosomes

Cada cromosoma està format per dos cromàtides, unides per una constricció anomenada centròmer. Les seccions de cromosoma que parteixen de l'centròmer s'anomenen braços.

Els cromosomes es diuen metacéntricos quan tenen el centròmer en la seva meitat; submetacéntricos si ho tenen lleugerament allunyat de la meitat, de manera que els braços oposats no són d'igual longitud; acrocèntrics si el centròmer està a prop d'un dels extrems; i telocéntricos si el centròmer està just en un dels extrems de l'cromosoma.

Tècniques: processament de mostres

Els passos a donar per processar les mostres són els següents.

Obtenció de la mostra

Adquisició d'el teixit requerit, emmagatzemant-lo en el medi i en vials adequats.

cultiu

Amb l'excepció de mostres per a anàlisi FISH, es requereix un període de cultiu d'entre un dia i diverses setmanes abans de l'collit.

collit

És l'obtenció de cèl·lules en metafase.

Detenció de la mitosi

L'anàlisi citogenètica estàndard requereix aturar la mitosi perquè les cèl·lules romanguin en metafase, emprant per a això colquicina o Colcemid®.

tractament hipotònic

Incrementa el volum de les cèl·lules, la qual cosa permet als cromosomes estendre.

fixació

S'empra 3: 1 metanol-àcid acètic per remoure l'aigua de les cèl·lules, endurint les membranes i la cromatina per a la tinció.

Preparació de làmines

Les cèl·lules fixades s'estenen sobre làmines portaobjeto, després de la qual cosa són assecades.

Tinció de cromosomes

Hi ha diversos mètodes de tinció per reconèixer diferències entre cromosomes. El més comú és el bandeig G.

anàlisi microscòpic

Permet escollir cèl·lules adequades per observar i fotografiar cromosomes.

Elaboració de cariogramas

Amb base en fotografies de cèl·lules en metafase, es componen per a estudi posterior imatges del conjunt de cromosomes d'una cèl·lula representativa.

bandes cromosòmiques

Hi ha quatre tipus de bandes cromosòmiques: bandes heterocromáticas; bandes eucromáticas, regions organitzadores de nucléolos (NORs); cinetocors.

Les bandes heterocromáticas es presenten com a blocs discrets. Corresponen a l'heterocromatina, la qual conté seqüències d'ADN altament repetitives que representen gens convencionals i no es descondensan en la interfase.

Les bandes eucromáticas consisteixen d'una sèrie de segments alternats que resulten o no afectats per la tinció. Aquestes bandes difereixen en grandària, formant patrons distintius característics de cada parell de cromosomes d'una espècie, el que les fa molt útils per identificar translocalizaciones i rearreglos cromosòmics.

Les NORs són aquells segments dels cromosomes que contenen centenars o milers de gens de l'ARN ribosòmic. Comunament es visualitzen com constriccions.

Els cinetocors són els llocs d'unió de l'fus de microtúbuls als cromosomes.

Tinció de bandes cromosòmiques

El bandeig de cromosomes consisteix de tècniques de tinció que revelen patrons de diferenciació longitudinal (regions clares i obscures) que d'altra manera no podrien veure. Aquests patrons permeten comparar espècies diferents i estudiar canvis evolutius i patològics a nivell de cromosomes.

Els mètodes de bandeig de cromosomes es divideixen en aquells que fan servir tinció d'absorció, típicament pigments Giemsa, i aquells que fan servir fluorescència. Els mètodes de tinció d'absorció requereixen un tractament fisicoquímic preliminar, tal com es va descriure en "Processament de mostres".

Alguns tipus de bandatge permeten evidenciar patrons de regions restringides dels cromosomes relacionats amb propietats funcionals. Altres permeten visualitzar diferències entre cromosomes homòlegs que fan possible la identificació de segments.

bandes C

El bandeig C tenyeix la majoria de les bandes heterocromáticas, per la qual cosa és la tècnica universal per evidenciar la presència d'heterocromatina en els cromosomes. Altres mètodes tenyeixen només part de l'heterocromatina total, per la qual cosa són més útils que el bandeig C per diferenciar entre tipus d'heterocromatina.

bandes Q

El bandeig Q és la tècnica de tinció més antiga. Deu el seu nom a l'ocupació de quinacrina. És efectiu independentment de l'mètode de preparació dels cromosomes. És un mètode alternativa a l'bandeig G. S'empra poc, però la seva fiabilitat ho fa útil quan el material és escàs o difícil d'bandear.

bandes G

El bandeig G, basat en l'ús de Giemsa i tripsina, és el més usat actualment. Permet la detecció de translocalizaciones, inversions, delecions i duplicacions. És el mètode més utilitzat per a la caracterització de cariotips en vertebrats, evidenciant diferències entre cromosomes que no poden distingir-se basant-se només en la seva morfologia.

bandes R

El bandeig R produeix un patró de tinció invers pel que fa a l'bandeig G (les bandes R clares equivalen a les bandes G obscures i viceversa). El bandeig R és particularment útil per a destacar els extrems de cromosomes, que són lleument tenyits quan s'usa el bandeig G.

bandes T

El bandeig T és una variant de l'bandatge R en la qual no hi ha tinció de la majoria de les bandes intersticials dels cromosomes, de manera tal que les regions terminals dels cromosomes resulten intensament tenyides.

Bandes Ag-NOR

El bandeig Ag-NOR s'empra per localitzar NORs mitjançant la tinció amb plata. Al bandeig Ag-NOR els gens NOR inactius poden no resultar tenyits. Per això, aquest bandeig s'usa per estudiar canvis en l'activitat de gens ribosòmics durant la gametogènesi i el desenvolupament embrionari.

Hibridació in situ fluorescent (FISH)

El bandeig FISH permet visualitzar cromosomes mitjançant sondes marcades fluorescentment. La tecnologia FISH permet l'anàlisi cariotípico de cèl·lules que no estan en divisió.

El bandeig FISH permet la detecció de seqüències d'ADN específiques en cromosomes, cèl·lules i teixits. Per això pot emprar-se per detectar anomalies cromosòmiques que involucren petits segments d'ADN.

El bandeig FISH va obrir el camí a dues tècniques relacionades més sofisticades, conegudes com cariotipificación espectral (SKY, espectral karyotyping) I FISH multicromàtic (M-FISH, multicolour FISH)

Al SKY i el M-FISH s'empren pigments fluorescents, els quals, conjuntament, produeixen combinacions de colors, una per a cada cromosoma. Aquestes tècniques han resultat molt útils per detectar aberracions cromosòmiques complexes, com ara les que s'observen en certs tumors i en la leucèmia limfoblàstica aguda.

aplicacions mèdiques

- Citogenètica de el càncer. Les aberracions cromosòmiques i la aneuplodía són freqüents en tumors. Les translocalizaciones cromosòmiques poden tenir efectes carcinògens a través de la producció de proteïnes de fusió. La citogenètica s'empra per monitoritzar el progrés de tractaments contra el càncer.

- Llocs fràgils i fractura de cromosomes. Els llocs fràgils dels cromosomes poden produir patologies com ara la síndrome de l'cromosoma X fràgil. L'exposició a agents citotòxics pot produir fractura de cromosomes. Els portadors de certes mutacions autosòmiques no tenen la capacitat de reparar l'ADN danyat durant la fractura de cromosomes.

- Anomalies numèriques dels cromosomes. El recompte de cromosomes permet diagnosticar trisomies, com ara la que produeix les síndromes de Down, d'Edwards i de Patau. També permet diagnosticar les síndromes de Turner i Klinefelter.

- En la leucèmia mielógena crònica, els glòbuls blancs posseeixen un "cromosoma Philadelphia". Aquest cromosoma anormal és el resultat de la translocalización dels cromosomes 9 i 22.

referències

1. Abbott, JK, Norden, AK, Hansson, B. 2017. Sex chromosome evolution: historical insights and future perspectives. Proceedings of the Royal Society B, 284, 20.162.806.
2. Cregan, ERC 2008. All about mitosi and meiosi. Teacher Created Materials Publishing, Huntington Beach, CA.
3. Gersen, SL, Keagle, MB, eds. 2013. The principles of clinical cytogenetics. Springer, Nova York.
4. Gosden, JR, ed. 1994. Methods in molecular biology, Vol. 29. Chromosome analysis protocols. Humana Press, Totowa, NJ
5. Hughes, JF, Page, DC 2015.The biology and evolution of mammalian I chromosomes. Annual Review of Genetics, 49, 22.1-22.21.
6. Kannan, TP, Alwi, ZB 2009. Cytogenetics: past, present and future. Malaysian Journal of Medical Sciences, 16, 4-9.
7. Lawce, HJ, Brown, MG 2017. Cytogenetics: an overview. En: The AGT Cytogenetics Laboratory Manual, Fourth Edition. Arsham, MS, Barch, MJ, Lawce, HJ, eds. Wiley, Nova York.
8. Sacerdot, C., Louis, A., Bon, C., Berthelot, C., Crollius, HR 2018. Chromosome evolution at the origin of the ancestral vertebrate genome. Genome Biology, 19, 166.
9. Schubert, I. 2007. Chromosome evolution. Current Opinion in Plant Biology, 10, 109-115.
10. Schulz-Schaeffer, J. 1980. Cytogenetics - plants, animals, humans. Springer-Verlag, Nova York.