سیتوژنتیک: تکنیکی پیشرفته برای رنگ آمیزی کروموزومها
همانطور که میدانید خصوصیات ژنتیکی از طریق ژن و توسط والدین به فرزندان به ارث میرسد. این ژنها درون رشتههایی به نام کروموزوم قرار دارند که داخل هستهی تمام سلولهای بدن یک فرد یافت میشود.
هرگونه تغییر در ساختار کروموزوم و یا تعداد آن (انحرافات کروموزومی) میتواند باعث اختلالات ژنتیکی، عقب ماندگیهای ذهنی و جسمی، نازایی، سرطان، نقایص مادرزادی، ابتلا به انواع سندرومها و بروز بیماریهای خطرناک شود. علاوهبر این، این بیماریها ممکن است به صورت صفت غالب به نسلهای بعدی نیز انتقال یابد و عواقب جبرانناپذیری را به دنبال داشته باشد.
به همین دلیل دانشمندان همواره در تلاش هستند تا از بهترین روشها برای بررسی کروموزومها، شناسایی هرگونه تغییر در ساختار و تعداد آنها و تشخیص بیماریهای ژنتیکی استفاده کنند. علم سیتوژنتیک[1] دقیقا برای چنین بررسیهایی به کار برده میشود. به کمک این علم میتوان تغییرات ژنتیکی را تشخیص داد و جهت انتخاب بهترین روش درمان اقدام نمود.
ما در این مقاله تصمیم داریم تا شما را با علم سیتوژنتیک آشنا کنیم. پس اگر به بررسی ساختار کروموزومهای بدن و موضوع ژنتیک علاقهمند هستید، در ادامه با ما همراه باشد.
علم سیتوژنتیک چیست؟
سیتوژنتیک شاخهای از زیست شناسی است که به مطالعه خصوصیات ساختاری و عملکردی کروموزوم میپردازد. در حقیقت سیتوژنتیک به عنوان ابزاری برای درک پدیدههای ژنتیکی ناشی از انحرافات کروموزومی استفاده میشود و 2 شاخه از زیست شناسی را ترکیب میکند که عبارتند از:
- سیتولوژی که با زیست شناسی سلولی سرو کار دارد
- ژنتیک که به بررسی ژنها و وراثت میپردازد
اما سیتوژنتیک از کجا شروع شد؟
آغاز سیتوژنتیک انسانی به زمان والتر فلمینگ[2]، سیتولوژیست و استاد آناتومی اهل اتریش، باز میگردد که در سال 1882، اولین تصاویر از کروموزومهای انسانی را منتشر کرد. فلمینگ شخصی بود که برای اولین بار اصطلاح میتوز را نیز به کار برد.
در سال 1888، والدیر[3] برای اولین بار از کلمه کروموزوم استفاده کرد که از یک واژه یونانی به معنای جسم رنگی[4] گرفته شده است. از آن پس چندین دانشمند برجستهی آن زمان شروع به بررسی این ایده کردند که عوامل تعیین کننده وراثت در کروموزومها وجود دارد.
بعدها ساتون[5] در اوایل قرن 19ام میلادی، به طور رسمی “نظریه وراثت کروموزوم[6]” را مطرح کرد. ساتون در حین این مطالعات و بررسی کروموزومها رشتههای سیتولوژی و ژنتیک را با هم ترکیب کرد که امروزه حاصل آن با نام علم سیتوژنتیک شناخته میشود.
در طی این سالها، سیتوژنتیک پیشرفتهای زیادی کرده است. در ابتدا برای مطالعه ساختار دقیق و موقعیت ژنها و کروموزومها از روشهای ابتدایی مانند استفاده از رنگهای ساده استفاده میشد. اما امروزه تکنیکهای پیشرفتهای مانند استفاده از میکروسکوپ فلورسانس دیجیتال و تجزیه و تحلیل تصویر با وضوح بالا برای ساختن نقشههای ژنتیکی و تعیین توالی ژنوم به کار برده میشود.
اکنون، با پیشرفت فناوری، شاخههای جدیدی از سیتوژنتیک ایجاد شده است که شامل سیتوژنتیک مولکولی، سیتوژنتیک بالینی و سیتوژنتیک سرطان میشوند. در ادامهی این مطلب مروری بر تکنیکهای سیتوژنتیک و کاربرد این علم در بیولوژی خواهیم داشت. اما پیش از اینکه به سراغ کاربردهای بیولوژیکی سیتوژنتیک برویم، ابتدا باید موارد زیر را بررسی کنیم:
- انحرافات کروموزومی چیست؟
- به چه علت رخ میدهد؟
- تشخیص آن چه اهمیتی دارد؟
انحرافات کروموزوم و اهمیت بالینی آنها
انحرافات کروموزومی، هرگونه تغییر در ساختار و یا تعداد کروموزومها هستند و به طور کلی به 2 نوع تقسیم میشوند:
- انحرافات ساختاری
- انحرافات عددی
انحراف ساختاری شامل حذف[7]، وارونگی[8]، کروموزمهای حلقوی، تکثیر[9]، جابجایی[10] و ایزوکروموزوم ها[11] هستند. در حالی که انحراف عددی شامل آنوپلوئیدی[12] و پلی پلوئیدی[13] است. در ادامه هر یک از این موارد را بررسی خواهیم نمود.
الف- انحرافات ساختاری کروموزومها
در جدول 1 انحرافات ساختاری کروموزومها و بیماریهای مرتبط با هر یک، بیان شده است:
جدول 1: انحرفات ساختاری کروموزومها | |||
ردیف | انحراف ساختاری | توضیحات | بیماریهای مرتبط |
1 | حذف | از بین رفتن قسمتی از کروموزم | فیبروز کیستیک[14] – حذف ژن CFTR در کروموزوم 7
سندرم ویلیامز[15] – حذف ناحیه q11.23 از کروموزوم 7 |
2 | تکثیر | در یک هسته، بیش از دو نسخه کروموزوم وجود دارد | سندرم رت[16] در اثر تکثیر ژن MeCP2 |
3 | وارونگی | شکستن قطعهای از کروموزوم و اتصال مجدد به صورت وارونه | سندرم واکر-واربورگ[17] در اثر وارونگی کروموزوم 7 هومولوگ |
4 | جابجایی | ادغام یک قطعه کروموزوم با یک کروموزوم غیر همولوگ | لوسمی حاد میلوژن[18] در اثر جابجایی بازوی کوتاه کروموزوم 15 و 17 |
5 | کروموزوم حلقهای | اتصال 2 انتهای یک کروموزم به یکدیگر و ایجاد یک کروموزوم حلقوی | |
6 | ایزوکروموزوم | کروموزومی با دو بازوی مشابه (یعنی به جای اینکه کروموزوم یک بازوی کوتاه و یک بازوی بلند داشته باشد، دارای 2 بازوی بلند یا دو بازوی کوتاه است. |
ب- انحرافات عددی
انحراف عددی تغییر در تعداد کروموزوم است که منجر به ناهنجاریهای مختلف میشود. همانطور که گفته شد این انحرافات به 2 دستهی آنوپلوئیدی و پلی پلوئیدی تقسیم میشوند.
آنوپلوئیدی چیست؟
به دست آوردن یا از دست دادن یک کروموزوم در بدن، آنوپلوئیدی نام دارد. شایعترین انواع آنوپلوئیدی عبارتند از:
- مونوسومی[19]: در این شرایط، به جای 2 نسخه کروموزوم، فقط یک نسخه از آن وجود دارد. سندرم ترنر یکی از بیماریهای شایعی است که به دلیل مونوسومی رخ میدهد.
- تریزومی[20]: در این شرایط، به جای 2 نسخه، یک نسخه اضافی از کروموزوم وجود دارد. بیماریهای شایع که به دلیل این بیماری رخ میدهند عبارتند از:
سندرم داون[21] (تریزومی کروموزوم 21)، سندرم پاتائو[22] (تریزومی کروموزوم 13) و سندرم ادوارد[23] (تریزومی کروموزوم 18)
پلی پلوئیدی چیست؟
به دست آوردن یک مجموعه از کروموزومها را پلی پلوئیدی مینامند.
به طور کلی انسانها 2 مجموعهی 23 عددی کروموزوم در بدن خود دارند. بنابراین موجوداتی دیپلوئید نامیده میشوند. چنانچه فردی بیش از 2 مجموعه کروموزوم داشته باشد، به پلیپلوئیدی مبتلا است.
حال که با انحرافات کروموزومی آشنا شدید، میتوانیم به سراغ بررسی تکنیکهای رایج در سیتوژنتیک برویم.
تکنیکهای سیتوژنتیک
همانطور که گفته شد، سیتوژنتیک به مرور زمان پیشرفتهای زیادی داشته است. تکامل مستمر این شاخه از علم پزشکی طی 100 سال گذشته، تکنیکهای بسیاری را برای تجزیه و تحلیل کروموزوم و مطالعه اختلالات کروموزومی معرفی کرده است.
برخی از رایجترین تکنیکهای سیتوژنتیک شامل موارد زیر هستند:
- تکنیکهای باندینگ[24]
- کاریوتایپینگ[25]
- تکنیک هیبریداسیون فلورسانس درجا ([26]FISH)
- دورگه سازی ژنومی مقایسهای ([27]CGH)
1- تکنیکهای باندینگ:
تکنیکهای باندینگ به مجموعه روشهای رنگ آمیزی کروموزومها با استفاده از رنگهای خاصی گفته میشود که در جدول 2 آورده شده است:
جدول 2: انواع تکنیکهای باندینگ | ||||
ردیف | تکنیک باندینگ | نوع رنگ | منطقه رنگ آمیزی | کاربرد |
1 | باندینگ Qء(Q-banding) | خردل کیناکرین[28] یا کیناکرین دی هیدروکلراید[29] | منطقه غنی از ATء[30] | برای شناسایی ناحیه سانترومر[31] کروموزوم 3 ، 4 ، 13 ، کروموزوم آکروسانتریک[32] و کروموزوم Y
این روش به میکروسکوپ فلورسانس احتیاج دارد |
2 | باندینگ Gء(G-banding) | گیمسا | منطقه غنی از AT | مناسب برای کرایوتایپینگ |
نکته: در باندینگ G و Q نواحی غنی از بازهای آلی G و C فشردهتر بوده و بنابراین رنگ کمتری به خود جذب میکنند و به صورت روشن دیده میشوند. در حالی که نواحی غنی از A و T که هتروکروماتینی هستند رنگ بیشتری به خود جذب میکنند و تیرهتر دیده میشوند. | ||||
3 | باندینگ Rء(R-banding) | عملیات حرارتی در بافر فسفات و رنگ آمیزی با گیمسا | منطقه غنی از ژن | شناسایی مناطق غنی از ژن در کروموزوم |
نکته: باندینگ R نیاز به عملیات حرارتی دارد و الگوی معمول باندهای G و Q را معکوس میکند. (یعنی نواحی فشرده کروموزومها تیره و نواحی دیگر روشنتر دیده میشوند) | ||||
4 | باندینگ Cء(C-banding) | رنگ گیمسا و باریم هیدروکسید[33] | ناحیه سانترومر و بازوی بلند کروموزوم Y | شناسایی ناحیه هتروکروماتین سازنده و کروموزومهای دی سانتریک[34]
|
2- کاریوتایپینگ:
کاریوتایپینگ، یکی از تکنیکهای بررسی کروموزومها از نظر ساختاری و تعداد است. دراین روش، کروموزمها با استفاده از تکنیکهای باندینگ رنگ آمیزی میشوند.
اگر بخواهیم کاریوتایپینگ را به زبان سادهتر توضیح دهیم، میتوان گفت که در اصل به کمک این روش، تصویری از کروموزومهای یک فرد تشکیل میشود. به کمک این تصویر میتوان چیدمان کروموزومهای بدن یک فرد را با نمونههای سالم مقایسه کرد تا بتوان نقص احتمالی را مشخص نمود.
3- تکنیک هیبریداسیون فلورسانس درجا (FISH) :
این تکنیک در اوایل دهه 1980 ابداع شد. با استفاده از تکنیک FISH میتوان محل یک ژن بر روی کروموزوم را شناسایی کرد. این کار با استفاده از پروبهای نشانهگذاری شده با فلوئورسنت[35] انجام میشود.
پروبها قطعاتی کوچکی از DNA تک رشتهای هستند که با پروتئین ژنی که به دنبال آن میگردیم جفت میشوند.
مراحل انجام تکنیک FISH:
- ابتدا پروب مورد نظر ساخته و سپس با استفاده از فلوئورسنت نشانه گذاری میشود.
- سپس نمونهها بر روی لام فیکس شده و رشتههای DNA دناتوره میگردند. دناتوره کردن به معنی باز کردن پیچهای DNA و جداسازی دو رشته از یکدیگر است.
- سپس رشتههای DNA در پروب دناتوره میشوند و بر روی لام قرار میگیرند. به این ترتیب پروب میتواند به توالی مکمل خود وصل شود.
- سپس پروبهای اضافی، شسته شده و لام زیر میکروسکوپ بررسی میشود. با بررسی لام زیر میکروسکوپ میتوان مشاهده کرد که پروبها به صورت سیگنالهای فلورسنت هستند و از آنجایی که این پروبها به توالی خاصی متصل هستند، میتوان محل یک ژن خاص بر روی کروموزوم را تشخیص داد.
4- دورگه سازی ژنومی مقایسهای (CGH):
تکنیک هیبریداسیون فلورسانس درجا (FISH) کاربردهای زیادی در تشخیص اختلالات ژنتیکی دارد. اما این تکنیک زمانی که علائم بالینی، احتمال بروز یک اختلال کروموزمی را نشان میدهند، به کار میرود و صرفاً یک ژن و یا بخش از پیش شناخته شدهی ژنوم را بررسی میکند. علاوهبر این در روش FISH تنها میتوان از تعداد محدودی پروب استفاده کرد و نمیتوان تمامی کروموزومها را طی یک آزمایش بررسی نمود.
با توجه به چنین محدودیتهایی، محققین روش جدید و پیشرفتهتری نسبت به تکنیک FISH را ابداع کردند که در دورگهسازی ژنومی مقایسهای (CGH) نام دارد. با استفاده از این تکنیک میتوان همهی کروموزومها را در یک آزمایش و به طور هم زمان بررسی کرد. برای درک بهتر این روش مثالی از کاربرد آن در شناسایی سرطان بیان خواهیم کرد.
حتما نام متاستاز را شنیدهاید. متاستاز در واقع یکی از نشانههای عمدهی سرطانهای بدخیم است که عوامل مختلفی در بروز آن نقش دارند. بروز ناهنجاری در ژنوم سلولهای سرطانی ممکن است یکی از عوامل ایجاد متاستاز باشد. با استفاده از تکنیک CGH میتوان نواحی کروموزومی در سلولهایی که دچار اختلال شدهاند را شناسایی کرد و به این ترتیب با شناخت روند متاستاز، راه درمانی بهتری را برای بیمار در پیش گرفت.
اگرچه روش CGH کارآمد است، اما بسیار وقتگیر است. به همین دلیل امروزه محققین روش Array CGH را به جای آن کار میگیرند. در این روش ناهنجاریها دقیقتر و در زمان بسیار کمتری قابل بررسی هستند.
پس از بحث در مورد تکنیکهای سیتوژنتیک، ممکن است در ذهن خود با سوالات زیر مواجه شوید:
- در آزمایشگاه چگونه کروموزومها را بررسی میکنند؟
- فرآیندها و شرایط آزمایشگاهی مورد نیاز چیست؟
به همین دلیل در ادامهی این مطلب مروری بر نحوه بررسی کروموزومها خواهیم داشت.
روند بررسی کروموزومها
معاینه کروموزومی شامل 5 مرحله اصلی است، که عبارتند از:
1- نمونهگیری: نمونهگیری ممکن است از مغز استخوان، مایعات آمنیوتیک، غدد لنفاوی، بافت تومور و یا پرزهای جفتی[36] انجام شود. منبع انتخاب نمونه به علائم بالینی و شرایط (قبل از تولد یا پس از زایمان) بستگی دارد. اما به طور کلی، بهترین نمونهگیری زمانی است که کروموزمها در مرحله متافاز باشند.
2- آمادهسازی محیط کشت: محققان برای انجام تجزیه و تحلیل کروموزومها، به محیط کشت سلول نیاز دارند. نمونههای جمعآوری شده در محیطهای کشت نگهداری شده و رشد مییابند.
3- نگهداری ازمحیط کشت: برای حفظ رشد سلولها، لازم است تا محیط کشت در شرایط خاصی نگهداری شود و عواملی مانند دما، رطوبت و pH مورد ارزیابی قرار گیرد. این شرایط بسته به سیستمی که سلولها در آن رشد میکنند متفاوت است. در واقع پس از آمادهسازی محیط کشت، سلولها به منظور رشد، در یک سیستم باز یا بسته نگهداری میشوند.
الف- شرایط نگهداری کشت در سیستم باز (Open System):
- درب ظروف کشت محکم بسته نشود.
- از انکوباتور CO2 استفاده شود.
- حفظ CO2 به میزان 5% برای pH 2-7.4 لازم است.
- رطوبت باید 97% باشد تا از مرگ سلول جلوگیری شود.
ب- شرایط نگهداری کشت در سیستم بسته (Closed System):
- درب ظروف کشت کاملا محکم بسته شود.
- نیازی به انکوباتور CO2 نیست.
- برای کشتهای طولانی مدت، سیستم بافری نیاز است. سیستم بافری در حقیقت محلولی است که در آن مقادیر قابل توجهی اسید ضعیف و باز مزدوج آن یا باز ضعیف و اسید مزدوج آن وجود داشته باشد. این محلول به حفظ pH مورد نظر کمک میکند.
4- برداشت یا هاروست (harvest) کشت:
هنگامی که مقدار کافی از سلول رشد کرد، برای انجام مراحل بعدی لازم است تا سلولها از محیط کشت برداشته یا به اصطلاح هاروست شوند.
هاروست کردن به این معنا است که سلولهایی که در مرحله متافاز هستند برداشته شوند (با استفاده از کلسمید)، سپس محلول هیپوتونیک[37] افزوده شده و درنهایت سلولها تثبیت شده و بر روی لام قرار میگیرند.
کاربرد کلسمید و محلول هیپوتونیک
• کلسمید:
بعد از کشت و رشد سلول در انکوباتور، تعداد کافی سلول درحال تقسیم حاصل میشود اما ممکن است چرخه رشد سلول ادامه یابد و سلولها از مرحله متافاز خارج شوند.
برای اینکه میزان کافی از سلولها را در مرحله متافاز داشته باشیم، به یک مهار کننده میتوزی نام کلسمید نیاز است. کلسمید مانع جدا شدن کروماتیدهای خواهری میشود که در مرحله آنافاز چرخه سلولی رخ میدهد. در نتیجه سلولها در مرحله متافاز باقی میمانند.
• محلول هیپوتونیک:
محلول هیپوتونیک غلظت نمکی کمتر از سیتوپلاسم خون دارد. بنابراین طبق پدیدهای به نام اسمز باعث حرکت آب از خارج به داخل گلبولهای قرمز میشود.
در نتیجه گلبولهای قرمز متورم میشوند. این امر برای پراکنده شدن کروموزومها روی لام میکروسکوپ ضروری است.
محلول هیپوتونیک شامل مواد زیر است:
- 0.075 میلی گرم پتاسیمکلرید (KCl)
- محلول نمکی رقیق
- سرم رقیق
- سدیم سیترات[38] 0.8
5- فیکس کردن:
پس از برداشت سلولها، لازم است تا آنها را فیکس کنیم. در این مرحله با استفاده از فیکساتور، سلول کشت شده و ساختار درونی آن بدون هیچ آسیبی تثبیت میشوند. برای این کار معمولا از محلول متانول و اسید استیک به نسبت 3:ء1 (3 بخش اتانول و یک بخش اسید استیک) استفاده میشود.
6- رنگ آمیزی و باندینگ کروموزوم:
در این مرحله، سلولها با روشهای باندینگ، FISH و سایر تکنیکهایی که پیشتر راجع به آنها صحبت شد، مورد بررسی قرار میگیرند.
با آگاهی در رابطه با ماهیت علم سیتوژنتیک، انواع انحرافات کروموزومی و روشهای بررسی کروموزومها، میتوانیم درک بهتری از کاربرد سیتوژنتیک در بیولوژی داشته باشیم.
کاربرد سیتوژنتیک در بیولوژی
در قسمت مقدمه نیز گفته شد که علم سیتوژنتیک برای شناسایی انواع اختلالات ژنتیکی استفاده میشود. در ادامه چند مثال از کاربرد روشهای سیتوژنتیک در بیولوژی آورده شده است:
1- برای تشخیص سرطان و انحرافات کروموزومی عددی در نوزادان
از کاریوتایپینگ میتوان برای تشخیص تریزومی کروموزومهای 13، 18 و 21 استفاده کرد. اینگونه تریزومیها میتوانند به لوسمی حاد منجر شوند.
2- برای تشخیص ناهنجاریهای کروموزومی ساختاری
از تکنیک FISH میتوان برای تشخیص هرگونه تکثیر، حذف و جابجایی در کروموزوم یک موجود زنده استفاده کرد.
3- انکولوژی
از روشهای سیتوژنتیک در تحقیقات و تشخیص سرطان استفاده میشود. به طور مثال برای تشخیص:
- لوسمی میلوئیدی مزمن[39]
- سرطان پستان
- سرطان پروستات
- سرطان مثانه
- کارسینوم آندومتر[40]
4- برای مشخص کردن روند بیماری
از تکنیکهای FISH و CGH برای بررسی کل ژنوم موجود زنده استفاده میشود. این امر به شناسایی محل یک ژن خاص در کروموزوم کمک میکند. همچنین برای شناسایی محل ادغام ویروس در کروموزوم نیز کاربرد دارد. اینگونه تشخیصها میتوانند در بررسی روند پیشرفت بیماریهایی مانند سرطان بسیار مفید واقع گردند.
5- غربالگری پیش از تولد:
سیتوژنتیک در تشخیص هرگونه ناهنجاری کروموزومی و بیماریهای ارثی در نوزادان موثر است.
جمعبندی
در حال حاضر، تکنیکهای سیتوژنتیک، تنها تکنیکهای توسعه یافته برای تجزیه و تحلیل و بررسی کروموزومها هستند. این تکنیکها نقشی اساسی در تعیین توالی ژنوم انسان داشته و دوره جدیدی از رنگ آمیزی کروموزومها را به وجود آوردهاند.
علم سیتوژنتیک به طور گستردهای در آزمایشگاههای بالینی و برای تشخیص ناهنجاریهای کروموزومی (مانند انحرافات ساختاری و عددی) در معاینات قبل از زایمان و پس از تولد استفاده میشود.
در این مقاله سعی کردیم تا سیتوژنتیک، کاربرد و تکنیکهای آن را به طور خلاصه توضیح دهیم. امیدواریم این مقاله مورد توجه شما قرار گرفته باشد.
اما به یاد داشته باشید که سیتوژنتیک همواره در حال تکامل و گسترش و در راه کشف اسرار کروموزومها است.
خوشحال میشویم نظرات خود را در رابطه با این مقاله با ما به اشتراک بگذارید.
واژهنامه:
Waldeyer | [3] | Walther Flemming | [2] | Cytogenetics | [1] |
chromosome theory of inheritance | [6] | Sutton | [5] | colored body | [4] |
duplication | [9] | inversions | [8] | Deletions | [7] |
aneuploidy | [12] | isochromosomes | [11] | translocation | [10] |
Williams syndrome | [15] | Cystic fibrosis | [14] | polyploidy | [13] |
Acute myelogenous leukemia | [18] | Walker-Warburg syndrome | [17] | Rett syndrome | [16] |
Down syndrome | [21] | Trisomy | [20] | Monosomy | [19] |
Banding technique | [24] | Edward’s syndrome | [23] | Patau syndrome | [22] |
Comparative Genomic Hybridization | [27] | Fluorescent in-situ Hybridization | [26] | Karyotyping | [25] |
AT-rich region | [30] | Quinacrine dihydrochloride | [29] | Quinacrine mustard | [28] |
barium hydroxide | [33] | acrocentric chromosome | [32] | centromeric region | [31] |
chorionic villi | [36] | fluorescent-labeled probe | [35] | dicentric chromosomes dicentric chromosomes | [34] |
chronic myeloid leukemia | [39] | Na3C6H5O7 | [38] | hypotonic solution | [37] |
endometrial carcinoma | [40] |