CITOGENETICA: STORIA, COSA STUDIA, TECNICHE, APPLICAZIONI - BIOLOGIA - 2025

La citogenetica è lo studio della morfologia, struttura e funzione dei cromosomi, compresi i loro cambiamenti durante la divisione cellulare somatica, o mitosi, e durante la divisione cellulare riproduttiva, o meiosi.

La citologia studia anche i fattori che causano i cambiamenti cromosomici, compresi quelli patologici, che compaiono da una generazione all'altra, e quelli evolutivi, che agiscono su molte generazioni.

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Storia

Gli anni e gli eventi memorabili nella storia della citogenetica sono i seguenti:

- Nel 1842, Karl Wilhelm von Nägeli osservò "cellule staminali transitorie", in seguito chiamate cromosomi.

- Nel 1875, Eduard Strasburger identificò i cromosomi nelle piante. Nel 1979, Walther Flemming lo fece sugli animali. Flemming ha coniato i termini cromatina, profase, metafase, anafase e telofase.

- Nel 1888, W. Waldeyer coniò il termine cromosoma.

- Nel 1893, Oscar Hertwig pubblicò il primo testo sulla citogenetica.

- Nel 1902, Theodor Boveri e Walter Sutton scoprirono cromosomi omologhi.

- Nel 1905, Nettie Stevens identificò il cromosoma Y.

- Nel 1937, Albert Blakeslee e AG Avery interruppero la metafase con la colchicina, facilitando notevolmente l'osservazione dei cromosomi.

- Nel 1968 Torbjörn Caspersson e altri descrissero le bande Q. Nel 1971 Bernard Dutrillaux e Jerome Lejeune descrissero le bande R.

- Nel 1971, le bande C furono discusse in una conferenza sulla nomenclatura dei cromosomi umani.

- Nel 1975, C. Goodpasture e SE Bloom descrissero la colorazione Ag-NOR.

- Nel 1979, Jorge Yunis descrisse i metodi ad alta risoluzione per le bande G.

- Nel 1986-1988, Daniel Pinkel e Joe Gray hanno sviluppato la tecnica FISH (ibridazione in situ fluorescente).

- Nel 1989, Hermann - Josef Lüdecke ha microdissettato i cromosomi.

- Nel 1996, Evelyn Schröck e Thomas Ried hanno descritto la tipizzazione cariotipica spettrale multicromatica.

Scoperte negli esseri umani

Nel 1914, Theodor Boveri suggerì che il cancro potesse essere dovuto a cambiamenti cromosomici. Nel 1958, Charles E. Ford osservò anomalie cromosomiche durante la leucemia.

Nel 1922, Theophilus Painter pubblicò che gli esseri umani hanno 48 cromosomi. Ci volle fino al 1956 perché Jo Hin Tjio e Albert Levan stabilissero che in realtà avevano 46 cromosomi.

Nel 1932, PJ Waardenburg suggerì, senza dimostrarlo, che la sindrome di Down potesse essere il risultato di un'aberrazione cromosomica. Nel 1959, Jerome Lejeune dimostrò la presenza di un cromosoma somatico extra nei pazienti con sindrome di Down.

Sempre nel 1959, Charles E. Ford riferì che le donne con sindrome di Turner mancavano di uno dei due cromosomi X, mentre Patricia Jacobs e John Strong scoprirono la presenza di un cromosoma X aggiuntivo negli uomini con sindrome di Klinefelter.

Nel 1960, JA Böök e Berta Santesson descrissero la triploidia, Klaus Patau descrisse la trisomia 13 e John Edwards descrisse la trisomia 18.

Nel 1969, Herbert Lubs scoprì per la prima volta la sindrome dell'X fragile. Nello stesso anno, l'amniocentesi iniziò ad essere utilizzata per la diagnosi citogenetica.

Campo di studi

I citogenetisti studiano l'evoluzione cromosomica degli esseri viventi, utilizzando i cariotipi per eseguire analisi filogenetiche e risolvere problemi tassonomici.

Inoltre, studiano gli aspetti epidemiologici delle aberrazioni cromosomiche umane e i fattori ambientali che le producono, diagnosticano e trattano pazienti affetti da anomalie cromosomiche e sviluppano approcci molecolari per decifrare la struttura, la funzione e l'evoluzione dei cromosomi.

Morfologia dei cromosomi

Ogni cromosoma è costituito da due cromatidi, tenuti insieme da una costrizione chiamata centromero. Le sezioni del cromosoma che partono dal centromero sono chiamate braccia.

I cromosomi sono chiamati metacentrici quando hanno il centromero al centro; submetacentric se lo hanno leggermente discosto dal centro, in modo che le braccia opposte non siano di uguale lunghezza; acrocentrico se il centromero è vicino a uno degli estremi; e telocentrico se il centromero è solo a un'estremità del cromosoma.

Tecniche: elaborazione del campione

I passaggi da eseguire per elaborare i campioni sono i seguenti.

Ottenere il campione

Acquisizione del tessuto richiesto, conservandolo nel terreno e in apposite fiale.

Cultura

Ad eccezione dei campioni per l'analisi FISH, è richiesto un periodo di coltura compreso tra un giorno e diverse settimane prima del raccolto.

raccolto

È l'ottenimento di cellule in metafase.

Fermare la mitosi

L'analisi citogenetica standard richiede l'arresto della mitosi in modo che le cellule rimangano in metafase, utilizzando colchicina o Colcemid®.

Trattamento ipotonico

Aumenta il volume delle cellule, che consente ai cromosomi di estendersi.

Fissazione

Metanolo 3: 1 - l'acido acetico viene utilizzato per rimuovere l'acqua dalle cellule, indurendo le membrane e la cromatina per la colorazione.

Preparazione del foglio

Le cellule fisse vengono stese su vetrini da microscopio, dopodiché vengono essiccate.

Colorazione cromosomica

Esistono diversi metodi di colorazione per riconoscere le differenze tra i cromosomi. Il più comune è il G.

Analisi microscopica

Consente di scegliere le cellule adatte per osservare e fotografare i cromosomi.

Preparazione dei cariogrammi

Sulla base di fotografie di cellule in metafase, vengono composte immagini dell'insieme di cromosomi di una cellula rappresentativa per un successivo studio.

Bande cromosomiche

Esistono quattro tipi di bande cromosomiche: bande eterocromatiche; bande eucromatiche, regioni di organizzazione del nucleolo (NOR); cinetocori.

Le bande eterocromatiche appaiono come blocchi discreti. Corrispondono all'eterocromatina, che contiene sequenze di DNA altamente ripetitive che rappresentano geni convenzionali e non sono decondensate all'interfaccia.

Le bande eucromatiche sono costituite da una serie di segmenti alternati che sono o non sono interessati dalla colorazione. Queste bande differiscono per dimensioni, formando modelli distintivi caratteristici di ciascuna coppia di cromosomi di una specie, il che le rende molto utili per identificare traslocazioni e riarrangiamenti cromosomici.

I NOR sono quei segmenti dei cromosomi che contengono centinaia o migliaia di geni dell'RNA ribosomiale. Sono comunemente visualizzati come costrizioni.

I cinetocori sono i siti di legame del fuso dei microtubuli ai cromosomi.

Colorazione della banda cromosomica

La banda cromosomica consiste in tecniche di colorazione che rivelano modelli di differenziazione longitudinale (regioni chiare e scure) che non potrebbero essere visti altrimenti. Questi modelli consentono di confrontare specie diverse e studiare i cambiamenti evolutivi e patologici a livello cromosomico.

I metodi di banding cromosomico si dividono in quelli che utilizzano la colorazione ad assorbimento, tipicamente pigmenti Giemsa, e quelli che utilizzano la fluorescenza. I metodi di colorazione ad assorbimento richiedono un trattamento fisico-chimico preliminare, come descritto in "Elaborazione dei campioni".

Alcuni tipi di bande consentono l'evidenza di modelli di regioni ristrette di cromosomi legati alle proprietà funzionali. Altri consentono la visualizzazione delle differenze tra cromosomi omologhi che consentono di identificare i segmenti.

Bande C.

La banda C colora la maggior parte delle bande eterocromatiche, rendendola la tecnica universale per mostrare la presenza di eterocromatina nei cromosomi. Altri metodi colorano solo una parte dell'eterocromatina totale, rendendoli più utili della banda C per differenziare i tipi di eterocromatina.

Bande Q

Il Q-banding è la tecnica di colorazione più antica. Deve il suo nome all'uso della chinacrina. È efficace indipendentemente dal metodo di preparazione dei cromosomi. È un metodo alternativo alla fascia G. Viene utilizzato raramente, ma la sua affidabilità lo rende utile quando il materiale è scarso o difficile da fasciare.

Bande G.

La banda G, basata sull'uso di Giemsa e tripsina, è la più utilizzata oggi. Consente il rilevamento di traslocazioni, inversioni, delezioni e duplicazioni. È il metodo più utilizzato per la caratterizzazione dei cariotipi nei vertebrati, che mostra differenze tra i cromosomi che non possono essere distinte solo in base alla loro morfologia.

Bande R.

La banda R produce uno schema di colorazione inverso rispetto alla banda G (le bande R chiare sono uguali alle bande G scure e viceversa). La banda R è particolarmente utile per evidenziare le estremità dei cromosomi, che sono leggermente macchiate quando si utilizza la banda G.

Bande a T.

La banda T è una variante della banda R in cui non c'è colorazione della maggior parte delle bande interstiziali dei cromosomi, in modo che le regioni terminali dei cromosomi siano intensamente colorate.

Bande Ag-NOR

La banda Ag-NOR viene utilizzata per individuare i NOR mediante colorazione con argento. Nelle bande Ag-NOR, i geni NOR inattivi potrebbero non essere colorati. Pertanto, questa fascia viene utilizzata per studiare i cambiamenti nell'attività dei geni ribosomiali durante la gametogenesi e lo sviluppo embrionale.

Ibridazione in situ fluorescente (FISH)

La banda FISH consente di visualizzare i cromosomi utilizzando sonde marcate a fluorescenza. La tecnologia FISH consente l'analisi cariotipica delle cellule che non si dividono.

La banda FISH consente la rilevazione di sequenze di DNA specifiche in cromosomi, cellule e tessuti. Pertanto, può essere utilizzato per rilevare anomalie cromosomiche che coinvolgono piccoli segmenti di DNA.

La banda FISH ha aperto la strada a due tecniche correlate più sofisticate, note come cariotipo spettrale (SKY) e FISH multicolore (M-FISH).

In SKY e M-FISH vengono utilizzati coloranti fluorescenti, che insieme producono combinazioni di colori, una per ogni cromosoma. Queste tecniche sono state molto utili per rilevare aberrazioni cromosomiche complesse, come quelle osservate in alcuni tumori e nella leucemia linfoblastica acuta.

Applicazioni mediche

- Citogenetica del cancro. Le aberrazioni cromosomiche e l'aneuploidia sono comuni nei tumori. Le traslocazioni cromosomiche possono avere effetti cancerogeni attraverso la produzione di proteine ​​di fusione. La citogenetica viene utilizzata per monitorare i progressi dei trattamenti contro il cancro.

- Siti fragili e frattura cromosomica. I siti cromosomici fragili possono portare a patologie come la sindrome dell'X fragile. L'esposizione ad agenti citotossici può causare fratture cromosomiche. I portatori di alcune mutazioni autosomiche non hanno la capacità di riparare il DNA danneggiato durante la frattura cromosomica.

- Anomalie numeriche dei cromosomi. Il conteggio cromosomico può diagnosticare le trisomie, come quella che causa le sindromi di Down, Edwards e Patau. Consente inoltre la diagnosi delle sindromi di Turner e Klinefelter.

- Nella leucemia mieloide cronica, i globuli bianchi hanno un "cromosoma Philadelphia". Questo cromosoma anormale è il risultato della traslocazione dei cromosomi 9 e 22.

Riferimenti

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