CARIOTIPO: A COSA SERVE, TIPI, COME SI FA, ALTERAZIONI - BIOLOGIA - 2025

Il cariotipo è una fotografia del set completo di cromosomi in metafase che descrive in dettaglio gli aspetti del loro numero e della loro struttura. La branca delle scienze mediche e biologiche che si occupa dello studio dei cromosomi e delle malattie correlate è nota come citogenetica.

I cromosomi sono le strutture in cui sono organizzati i geni contenuti nelle molecole di acido desossiribonucleico (DNA). Negli eucarioti, sono composti da cromatina, un complesso di proteine ​​istoniche e DNA che è confezionato all'interno del nucleo di tutte le cellule.

Cariotipo umano ottenuto con coloranti fluorescenti (Fonte: Plociam ~ commonswiki tramite Wikimedia Commons

Le cellule di ogni essere vivente sulla Terra hanno un numero particolare di cromosomi. I batteri, ad esempio, hanno una sola circolare, mentre gli umani ne hanno 46 organizzati in 23 coppie; e alcune specie di uccelli hanno fino a 80 cromosomi.

A differenza degli esseri umani, le cellule vegetali generalmente hanno più di due serie omologhe (identiche) di cromosomi. Questo fenomeno è noto come poliploidia.

Tutte le istruzioni necessarie per la crescita e lo sviluppo degli esseri viventi, unicellulari o multicellulari, sono contenute nelle molecole di DNA che sono avvolte sui cromosomi. Da qui l'importanza di conoscerne la struttura e le caratteristiche in una specie o in uno qualsiasi dei suoi individui.

Il termine cariotipo fu usato per la prima volta negli anni '20 da Delaunay e Levitsky per designare la somma delle proprietà fisiche caratteristiche dei cromosomi: il loro numero, dimensione e peculiarità strutturali.

Da allora, è utilizzato per lo stesso scopo nel contesto della scienza moderna; e lo studio di esso accompagna molti processi della diagnosi clinica di varie malattie nell'uomo.

Cariotipo umano

Il cariotipo umano è noto come l'insieme di 46 cromosomi (23 coppie) che compongono il genoma umano e che sono disposti graficamente secondo caratteristiche quali dimensione e pattern di banding, che è evidente grazie all'utilizzo di speciali tecniche di colorazione.

Rappresentazione schematica del cariotipo umano (Fonte: Mikael Häggström tramite Wikimedia Commons)

Delle 23 coppie di cromosomi, solo da 1 a 22 sono disposte in ordine di grandezza. Nelle cellule somatiche, cioè nelle cellule non sessuali, si trovano queste 22 coppie e, a seconda del sesso dell'individuo, maschio o femmina, viene aggiunta una coppia di cromosomi X (donne) o la coppia XY (uomini). .

Le coppie da 1 a 22 sono chiamate cromosomi autosomici e sono le stesse in entrambi i sessi (maschio e femmina), mentre i cromosomi sessuali, X e Y, sono diversi l'uno dall'altro.

A cosa serve il cariotipo?

L'utilità principale di un cariotipo è la conoscenza dettagliata del carico cromosomico di una specie e delle caratteristiche di ciascuno dei suoi cromosomi.

Sebbene alcune specie siano polimorfiche e poliploidi in relazione ai loro cromosomi, cioè abbiano forme e numeri variabili di questi durante il loro ciclo vitale, la conoscenza del cariotipo di solito ci permette di dedurre molte informazioni importanti su di loro.

Grazie al cariotipo è possibile diagnosticare alterazioni cromosomiche su “larga scala” che coinvolgono grossi frammenti di DNA. Negli esseri umani, molte malattie o condizioni mentalmente disabili e altri difetti fisici sono correlati a gravi anomalie cromosomiche.

Tipi di cariotipi

I cariotipi sono descritti secondo la notazione approvata dal Sistema Internazionale di Nomenclatura Citogenetica Umana (ISCN).

In questo sistema, il numero assegnato a ciascun cromosoma ha a che fare con le sue dimensioni e di solito sono ordinati dal più grande al più piccolo. I cromosomi sono presentati nei cariotipi come coppie di cromatidi fratelli con il piccolo braccio (p) rivolto verso l'alto.

I tipi di cariotipi si distinguono per le tecniche utilizzate per ottenerli. Di solito la differenza sta nei tipi di colorazione o "etichettatura" utilizzati per differenziare un cromosoma da un altro.

Ecco un breve riassunto di alcune delle tecniche note fino ad oggi:

Colorazione solida

In questo, coloranti come Giemsa e orceina vengono utilizzati per colorare in modo uniforme i cromosomi. Fu ampiamente utilizzato fino all'inizio degli anni '70, poiché erano gli unici coloranti conosciuti per l'epoca.

Macchia G-band o Giemsa

È la tecnica più utilizzata nella citogenetica classica. I cromosomi vengono precedentemente digeriti con tripsina e poi colorati. Il pattern delle bande ottenuto dopo la colorazione è specifico per ogni cromosoma e consente studi dettagliati della sua struttura.

Esistono metodi alternativi alla colorazione Giemsa, ma danno risultati molto simili, come la banda Q e la banda R inversa (dove le bande scure osservate sono le bande chiare ottenute con la banda G).

Banda C costitutiva

Colora specificamente l'eterocromatina, specialmente quella che si trova nei centromeri. Colora anche un po 'di materiale nei bracci corti dei cromosomi acrocentrici e nella regione distale del braccio lungo del cromosoma Y.

Bande di replica

Viene utilizzato per identificare il cromosoma X inattivo e prevede l'aggiunta di un analogo nucleotidico (BrdU).

Macchia d'argento

Storicamente è stato utilizzato per identificare regioni di organizzazione nucleolare che contengono molte copie di RNA ribosomiale e si trovano nelle regioni centromeriche.

Colorazione con distamicina A / DAPI

È una tecnica di colorazione fluorescente che distingue l'eterocromatina dai cromosomi 1, 9, 15, 16 e dal cromosoma Y nell'uomo. Viene utilizzato soprattutto per distinguere la duplicazione invertita del cromosoma 15.

Fluorescente in situ ibridazione (FISH)

Riconosciuto come il più grande progresso citogenetico dopo gli anni '90, è una tecnica potente con cui si possono distinguere le delezioni submicroscopiche. Impiega sonde fluorescenti che si legano specificamente alle molecole di DNA cromosomico e ci sono molteplici varianti della tecnica.

Ibridazione genomica comparativa (CGH)

Utilizza anche sonde fluorescenti per etichettare in modo differenziale il DNA, ma utilizza standard di confronto noti.

Altre tecniche

Altre tecniche più moderne non riguardano direttamente l'analisi della struttura cromosomica, ma piuttosto lo studio diretto della sequenza del DNA. Questi includono microarrays, sequenziamento e altre tecniche basate sull'amplificazione PCR (reazione a catena della polimerasi).

Come viene eseguito un cariotipo?

Esistono varie tecniche per effettuare lo studio dei cromosomi o del cariotipo. Alcuni sono più sofisticati di altri, poiché consentono di rilevare piccole alterazioni impercettibili con i metodi più comunemente utilizzati.

Le analisi citogenetiche per ottenere il cariotipo sono comunemente eseguite da cellule presenti nella mucosa orale o nel sangue (utilizzando i linfociti). Nel caso di studi effettuati su neonati, vengono prelevati campioni dal liquido amniotico (tecniche invasive) o da cellule del sangue fetale (tecniche non invasive).

I motivi per cui viene eseguito un cariotipo sono diversi, ma molte volte vengono eseguiti allo scopo di diagnosticare malattie, studi sulla fertilità o per scoprire le cause di aborti ricorrenti o morti e tumori fetali, tra le altre ragioni.

I passaggi per eseguire un test del cariotipo sono i seguenti:

1-Ottenere il campione (qualunque sia la sua fonte).

2-Separazione delle cellule, un passaggio di vitale importanza, soprattutto nei campioni di sangue. In molti casi è necessario separare le cellule in divisione dalle cellule in divisione usando reagenti chimici speciali.

Crescita di 3 cellule. A volte è necessario far crescere le cellule in un mezzo di coltura adatto per ottenerne una maggiore quantità. Questo potrebbe richiedere più di un paio di giorni, a seconda del tipo di campione.

4-Sincronizzazione delle celle. Per poter osservare contemporaneamente i cromosomi condensati in tutte le cellule in coltura, è necessario "sincronizzarli" mediante trattamenti chimici che arrestano la divisione cellulare quando i cromosomi sono più compatti e, quindi, visibili.

5-Ottenere cromosomi dalle cellule. Per vederli al microscopio, i cromosomi devono essere "estratti" dalle cellule. Ciò si ottiene solitamente trattandoli con soluzioni che li inducono a scoppiare e disintegrarsi, liberando i cromosomi.

6-colorazione. Come evidenziato sopra, i cromosomi devono essere colorati con una delle tante tecniche disponibili per poterli osservare al microscopio ed eseguire lo studio corrispondente.

7-Analisi e conteggio. I cromosomi vengono osservati in dettaglio per determinare la loro identità (nel caso di conoscerla in anticipo), le loro caratteristiche morfologiche come la dimensione, la posizione del centromero e il pattern delle bande, il numero di cromosomi nel campione, ecc.

8-classificazione. Uno dei compiti più ardui dei citogenetisti è quello della classificazione dei cromosomi confrontandone le caratteristiche, poiché è necessario determinare quale cromosoma è quale. Questo perché poiché c'è più di una cellula nel campione, ci sarà più di una coppia dello stesso cromosoma.

Anomalie cromosomiche

Prima di descrivere le diverse alterazioni cromosomiche che possono esistere e le loro conseguenze per la salute umana, è necessario prendere confidenza con la morfologia generale dei cromosomi.

Morfologia dei cromosomi

I cromosomi sono strutture che appaiono lineari e hanno due "braccia", una piccola (p) e una più grande (q), separate l'una dall'altra da una regione nota come centromero, un sito specializzato del DNA che partecipa all'ancoraggio del fuso. mitotico durante la divisione cellulare mitotica.

Il centromero può essere situato al centro dei due bracci p e q, lontano dal centro o vicino ad una delle loro estremità (metacentrico, submetacentrico o acrocentrico).

Alle estremità dei bracci corti e lunghi, i cromosomi hanno dei “cappucci” noti come telomeri, che sono particolari sequenze di DNA ricche di ripetizioni TTAGGG e che sono responsabili della protezione del DNA e della prevenzione della fusione tra i cromosomi.

All'inizio del ciclo cellulare, i cromosomi sono visti come singoli cromatidi, ma quando la cellula si replica, si formano due cromatidi fratelli che condividono lo stesso materiale genetico. Sono queste coppie cromosomiche che si vedono nelle fotografie del cariotipo.

I cromosomi hanno diversi gradi di "impaccamento" o "condensazione": l'eterocromatina è la forma più condensata ed è trascrizionalmente inattiva, mentre l'eucromatina corrisponde alle regioni più rilassate ed è trascrizionalmente attiva.

In un cariotipo, ogni cromosoma si distingue, come evidenziato sopra, per le sue dimensioni, la posizione del suo centromero e il motivo a bande quando colorato con tecniche diverse.

Anomalie cromosomiche

Dal punto di vista patologico si possono precisare alterazioni cromosomiche specifiche che vengono regolarmente osservate nelle popolazioni umane, sebbene altri animali, piante e insetti non ne siano esenti.

Le anomalie spesso hanno a che fare con delezioni e duplicazioni di regioni di un cromosoma o di interi cromosomi.

Questi difetti sono noti come aneuploidie, che sono alterazioni cromosomiche che comportano la perdita o il guadagno di un cromosoma completo o di parti di esso. Le perdite sono note come monosomie e i guadagni sono noti come trisomie e molti di questi sono letali per lo sviluppo dei feti.

Possono anche verificarsi casi di inversioni cromosomiche, in cui l'ordine della sequenza genica cambia a causa di rotture simultanee e riparazioni errate di alcune regioni del cromosoma.

Le traslocazioni sono anche alterazioni cromosomiche che comportano cambiamenti in grandi porzioni di cromosomi che vengono scambiate tra cromosomi non omologhi e possono o non possono essere reciproche.

Esistono anche alterazioni legate al danneggiamento diretto della sequenza di geni contenuti nel DNA cromosomico; e ce ne sono anche alcuni relativi agli effetti dei "segni" genomici che il materiale ereditato da uno dei due genitori può portare con sé.

Malattie umane rilevate con cariotipi

L'analisi citogenetica delle alterazioni cromosomiche prima e dopo la nascita è essenziale per l'assistenza clinica completa dei neonati, indipendentemente dalla tecnica utilizzata a tale scopo.

La sindrome di Down è una delle patologie più comunemente rilevate dallo studio del cariotipo e ha a che fare con la non disgiunzione del cromosoma 21, motivo per cui è anche nota come trisomia 21.

Cariotipo di un essere umano con trisomia sul cromosoma 21 (Fonte: US Department of Energy Human Genome Program. Via Wikimedia Commons)

Alcuni tipi di cancro vengono rilevati studiando il cariotipo, poiché sono legati a cambiamenti cromosomici, in particolare la delezione o la duplicazione di geni direttamente coinvolti nei processi oncogeni.

Alcuni tipi di autismo vengono diagnosticati dall'analisi del cariotipo e la duplicazione del cromosoma 15 ha dimostrato di essere coinvolta in alcune di queste condizioni negli esseri umani.

Tra le altre patologie associate alle delezioni sul cromosoma 15 c'è la sindrome di Prader-Willi, che causa sintomi come mancanza di tono muscolare e deficit respiratori nei neonati.

La sindrome del “gatto che piange” (dal francese cri-du-chat) implica la perdita del braccio corto del cromosoma 5 e uno dei metodi più diretti per la sua diagnosi è attraverso lo studio citogenetico del cariotipo.

La traslocazione di parti tra i cromosomi 9 e 11 caratterizza i pazienti affetti da disturbo bipolare, specificamente correlato alla rottura di un gene sul cromosoma 11. Altri difetti su questo cromosoma sono stati osservati anche in vari difetti alla nascita.

Secondo uno studio condotto da Weh et al.Nel 1993, più del 30% dei pazienti affetti da mieloma multiplo e leucemia plasmacellulare presenta cariotipi con cromosomi le cui strutture sono aberranti o anormali, soprattutto sui cromosomi 1, 11 e 14 .

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