Cromozomul

Cromozomii sau „corpusculii colorați” (gr. chroma = culoare, soma = corp) reprezintă componentele din nucleul celular în care sunt localizate moleculele de ADN purtătoare de gene. Fiecare cromozom poartă o singură moleculă de ADN. Au un număr și o configurație specifică fiecărei specii, fiind elemente dinamice dar în același timp constante ale celulei. Cromozomii au funcții genetice esențiale, aflându-se la om în număr de 46 (număr diploid de cromozomi).

Citogenetica este acea ramură a geneticii care studiază cromozomii, anomaliile cromozomiale și efectele lor fenotipice folosind metode citologice și genetice.

Dicționar

Cariotip = formula cromozomială a unei specii. Ex: 46, XX la femeie și 46, XY la bărbat.
Celule gametice (gameți) = celulele sexuale haploide, cu un număr de 23 de cromozomi prin unirea cărora rezultă zigotul. Gametogeneza reprezintă formarea gameților din celulele somatice, în organele specializate funcțional, prin procese de meioză, citodiferențiere și maturare. Gameții capabili de fecundație sunt reprezentați de spermatozoid la bărbat și ovocitul de ordinul II la femeie.
Meioză = tip de diviziune celulară prin care are loc formarea celulelor reproducătoare. Se desfășoară în organele de reproducere prin diviziunea celulelor somatice, al căror număr de cromozomi (material genetic) este redus la jumătate. Este împărțită în 4 faze: profaza, metafaza, anafaza și telofaza.
Mitoză = tip de diviziune celulară caracteristic tuturor celulelor eucariote somatice de tip diploid care constă în diviziunea celulei mamă rezultând două celule fiice identice morfologic, genetic și funcțional.
Metafază= a doua fază a meiozei în care cromozomii bicromatidici dispuși bivalent formează placa metafazică și rezultă separarea cromozomilor perechi.
Ploidie = numărul de cromozomi dintr-o celulă.
Zigot = celula ou din care se va forma apoi embrionul. Rezultă prin unirea a două celule gametice.

Numărul de cromozomi

În celulele somatice umane există 46 de cromozomi, acestea fiind numite celule diploide (2n=46), celulele gametice (sexuale) fiind celule haploide, cu un număr de 23 de cromozomi (n=23).
Din totalul de 46 de cromozomi ai celulei somatice, 44 se numesc somatici sau autozomi și 2 sunt sexuali, heterozomi sau gonozomi. Cromozomii autozomi sunt omologi doi câte 2 (unul matern și altul patern) și sunt dispuși în 22 de perechi, numerotați în ordine descrescătoare a taliei lor. Cromozomii sexuali sunt X și Y și sunt neomologi și sunt răspunzători de diferențierea gonadelor.
Celulele gametice haploide sunt celulele care la finalul diziviunii meiotice au numărul de cromozomi redus la jumătate (n=23), 22 fiind autozomi și 1 fiind X sau Y. Femeia are 2 cromozomi X în celula diploidă (cariotip 46, XX) deci toate ovulele vor avea fiecare 22 autozomi și un cromozom X (cariotip 23X). Femeia este astfel homogametică, deoarece prezintă în celula sexuală un singur tip de cromozom, și anume X. La bărbat, celula diploidă de la care pornește gametogeneza (formarea celulelor sexuale haploide care vor intra în componenta zigotului rezultat în urma concepției) are cariotip 46, XY deci la sfârșitul meiozei vor rezulta două tipuri de gameți: 23, XX și 23, XY fiecare în proporție de 50%. Prin urmare, bărbatul este heterogametic deoarece poate prezenta în celula sexuală fie cromozom X fie cromozom Y.
Prin fuzionarea a 2 celule gametice haploide rezultă zigotul sau celula ou diploidă din care se va dezvolta embrionul ce poartă informația genetică atât de la mamă cât și de la tată, informație pe baza căreia se vor dezvolta caracteristicile fenotipice ale noului organism.

Morfologia cromozomilor

Cromozomii sunt prezenți în toate celulele nucleate și poartă informația genetică, fiecare cromozom conținând o macromoleculă ADN. Se transmit unitar în timpul meiozei și transportă informația, asigurând astfel continuitatea genetică între generații.
Îi putem vizualiza la microscop doar în perioada de diviziune a nucleului deoarece doar atunci cromozomii sunt contractați și îngroșați fiind mult mai bine evidențiați de colorația specifică (Giemsa 5% sau colorație diferențială în funcție de elementele ce se doresc a fi vizualizate). Se examinează cu obiectivul cu imersie (mărire de 100x).
La om, lungimea unui cromozom este extrem de variabilă între 1,5- 10 microni iar diametrul variază și el între 0,2- 2 microni. Aceste 2 caracteristici mai variază și în funcție de fazele ciclului celular. În interfază cromozonii sunt dispuși în tandem sub formă de filamente foarte fine și foarte lungi. În fazele următoare are loc scurtarea considerabilă a taliei lor. Talia și diametrul pot fi ireversibil modificate de medicamente, noxe sau agenți fizici. Căldura scurtează și îngroașă cromozomii în timpul ciclului mitotic. În prezența unor compuși alchilanți aceștia se despiralizează și decontractă ireversibil.

Etapa meiozei folosită pentru studierea structurii cromozomului este metafaza, deoarece în această etapă cromozomii sunt bicromatidici și elementele sunt mai ușor de vizualizat. Astfel, cromozomul metafazic este constituit din:
• 2 cromatide sau 2 unități filamentoase care formează cele 2 laturi ale cromozomului în formă de X. Fiecare cromatidă conține o moleculă de ADN linară și compactizată la maxim, asociată cu proteine histonice și non-histonice. Cele 2 cromatide surori sunt identice genetic și rezultă prin replicarea ADN cromozomial în perioada de sinteză (S) a ciclului celular. Ele sunt unite prin centromer (mijlocul X-ului) și rămân unite până în anafază. Cele 2 cromatide sunt identice între ele morfologic, genetic, molecular și funcțional.

• Centromerul este secvența de ADN (formată din porțiuni de ADN înalt repetitiv) specifică asociată cu histone ce unește cromatidele surori. El este vizibil microscopic ca o formațiune care împarte fiecare cromatidă în 2 brațe cromozomiale: p- braț scurt situat deasupra centromerului și q- braț lung situat sub centromer. Poziția centromerului este fixă, în funcție de aceasta rezultă mai multe tipuri de cromozomi:

• 1. metacentrici - centromer situat median, p=q
• 2. submetacentrici - centromerul este mai aproape de unul din capetele cromozomului p<q
• 3. acrocentrici - centromer situat foarte aproape de unul din capetele cromozomului p<<q
• 4. telocentrici - centromerul situat chiar la capătul cromozomului.

Centromerul asigură clivarea longitudinală și despărțirea egală a celor 2 cromatide care alcătuiesc cromozomul metafazic cu formarea a 2 cromozomi monocromatidici, astfel asigură distribuția egală și identică a materialului genetic de la celula mamă la cele 2 celule fiice în timpul mitozei.

• Telomerele sunt structurile terminale situate la extremitățile cromatidelor, care mențin integritatea acestora. Sunt secvențe specifice de ADN asociate cu proteine. Acestea împiedică fuziunea cromozomilor și asigură integritatea și individualitatea fiecărui cromozom în ciclul celular.

Cromozomii sunt diferențiați nu doar prin poziția centromerului ci și prin prezența sau absența sateliților, care sunt segmente cromozomiale distale, separate de brațul cromozomului printr-un filament de cromatină. Sunt în număr variabil de la o persoană la alta. Filamentul de heterocromatină (cromatină cu structură diferită de restul cromatinei cromozomului respectiv) care separă satelitul de brațul cromozomului se numește constricție secundară.

Cromozomii se auto reproduc în perioada S a interfazei (prima fază a ciclului celular) prin replicarea semiconservativă a moleculei de ADN din care sunt constituiți. Au aspect monocromatidic în anafaza și telofaza mitotică sau meiotică și în stadiul G1 al interfazei. În stadiul S devin bicromatidici și își mențin această structură și în profaza și metafaza mitotică sau meiotică.

Structura moleculară a cromozomului

În funcție de faza ciclului celular în care este studiat, cromozomul conține 1 sau 2 molecule de ADN (fiecare moleculă de ADN este dispusă pe o cromatidă) asociat cu proteine histonice și non-histonice și ARN.
ADN-ul la eucariote este dispus 95-97% în cromozomi, restul este ADN mitocondrial. Numărul de baze azotate pentru fiecare cromozom al unei celule cromatice variază între 10 la puterea 8 și 3x10 la puterea 8.

ARN-ul cromozomial a fost pus în evidență în cadrul unor molecule hibride ADN-ARN care au conținut mai mic sau mai mare de ADN sau ARN în funcție de fazele ciclului celular. În stadiul G1 al interfazei are loc intensificarea sintezei ARN care continuă și în stadiul G2. În stadiul S când se produce replicarea ADN, sinteza de ARN scade. ARN-ul a fost detectat în zonele eucromatice ale cromozomului, acolo unde se află ADN-ul nerepetitiv, cu secvențe unice, purtător de informație genetică. Acest ARN este cel mesager precursor, care este constituit prin translație din matrița de ADN cromozomial care va deveni ARN mesager matur, purtător al mesajului genetic către ribozomi.

Histonele sunt o familie de proteine cu masa moleculară de aproximativ 30.000 de daltoni prezente în nucleul celulelor eucariote. Se cuplează cu ADN-ul interfazic formând cromatina nucleară și cu cromozomii metafazici. Nu au activitate enzimatică, ci sunt responsabile de formarea structurii terțiare a ADN-ului cromozomial. Au fost detectate 5 tipuri principale de histone: H1, H2A, H2B, H3 și H4.

Proteinele non-histonice sunt un grup heterogen care cuprinde aproximativ 115 proteine cu morfologie și funcții diferite. Majoritate sunt proteinele HMG (High Mobility Group) care au o structură bipolară, având aminoacizi bazici la un pol și aminoacizi acizi la celălalt pol, strucură care le facilitează interacțiunea concomitentă cu histonele și ADN-ul din cromatina nucleară. Se află în citoplasmă în perioada interfazică a ciclului celular, apoi migrează în nucleu fiind implicate în transcripție și replicare în stadiul interfazic S.

Asocierea ADN-histone în cromozom poartă denumirea de cromatină. În funcție de organizarea structurală și de modul în care se colorează la microscopie optică, există 2 tipuri de cromatină. Eucromatina este forma activă genetic a cromatinei, deținătoarea informației, implicată în diviziunea celulară (spiralizare, despiralizare, condensare). Conține ADN nerepetitiv și proteine nonhistonice și se colorează slab. Heterocromatina este puternic condensată sub formă de cromocentri, este inactivă genetic fiind formată din ADN repetitiv și proteine histonice și se colorează intens în microscopie optică.

Histonele constituie scheletul nucleozomului, care este unitatea fundamentală de împachetare a cromatinei. Nucleozomii se împachetează la rândul lor strâns, cu formarea unei fibrile de 30nanometri grosime care este unitatea de bază a cromatinei. Aceasta se împachetează apoi într-un sistem de niveluri de spiralizare. Spirele sunt organizate de proteinele nonhistonice. Astfel, cromatina nucleară la om este organizată pe 4 nivele de spiralizare:

• primar sau nucleozomic, format din histone, câteva proteine non-histonice și o secvență de ADN care cuprinde 200 de perechi de nucleotide. Structura este dispusă sub forma unei spirale ordonate. (super-helix).
• secundar sau solenoidic- spiralizare secundară a cromatinei cromozomului, supraînfășurare de tip levogir cu formarea unor structuri înalt ordonate (super-super-helixuri)
• terțiar sau bucleiform- bucla cromozomică realizată de interacțiunea fibrei polisolenoidice cu proteinele non-histonice, care reprezintă subunitatea funcțională și de replicare a cromozomului
• cuaternar sau forma finală sub care se prezintă cromozomul în metafaza ciclului mitotic/meiotic, dată de hipercondensarea ADN-ului.

Categorii de cromozomi

Variabilitatea crescută a cromozomilor în ce privește dimensiunile și forma a impus realizarea unui sistem de clasificare. Cel mai folosit este sistemul Denver care a împărțit cromozomii umani în mai multe clase pe baza dimensiunii, formei și prezenței sau absenței sateliților. Astfel, cariotipul uman grupează cele 23 de perechi de cromozomi în 7 grupe notate cu litere mari: A, B, C, D, E, F, G

• Grupa A - perechile de cromozomi 1-3 care sunt cei m ai mari și au centromerul situat median (cromozomi metacentrici)
• Grupa B - perechile 4-5, cromozomi mari, submetacentrici (centromerul situat submedian)
• Grupa C - perechile 6-12, cromozomi mijlocii submetacentrici
• Grupa D - perechile 13-15, dimensiuni medii cu centromerul excentric (acrocentrici) și cu sateliți
• Grupa E - perechile 16-18, cromozomi scurți cu centromerul median (16) sau submedian (17 și 18)
• Grupa F - perechile 19-20, scurți și metacentrici
• Grupa G - perechile 21-22, foarte scurți și arocentrici

Cromozomii sexuali

Aceștia sunt foarte diferiți ca mărime. Cromozomul X este mijlociu ca dimensiuni și submetacentric, similar autozomilor din grupa C, iar cromozomul Y este foarte scurt și acrocentric, similar cu cei din grupa C.

Corpusculul sexual X reprezintă unul dintre cei 2 cromozomi X la femeie care este mult condensat și inactiv genetic în interfaza ciclului celular. Unul dintre cei 2 cromozomi X la femeie, trebuie inactivat în interfaza celulelor somatice, proces numit Lyonizare. Lyonizarea previne dezvoltarea anomaliilor cromozomiale legate de cromozomul X și a bolilor genetice X-linkate. La bărbat, corpusculul sexual Y este reprezentat de cromozomul Y.

Bandarea cromozomilor

Este o tehnică de identificare a cromozomilor umani, cu rezultate mult mai bune decât metoda clasică cu colorație Giemsa care colora uniform întregul cromozom și erau greu de identificat diferențele structurale intercromozomiale.

În 1970 a fost introdusă bandarea, observându-se că regiunile cromozomiale fixează selectiv coloranții și că fiecare cromozom afișează un model unic de benzi transversale alternante, mai mult sau mai puțin colorate. Benzile intens colorate reprezintă heterocromatina, zone cromozomiale intens condensate, iar benzile palide reprezintă zonele cromozomiale mai slab condensate, de eucromatină. Numărul, mărimea și succesiunea benzilor sunt particulare pentru fiecare cromozom și dientice pentru cromozomii omologi. Astfel, fiecare cromozom uman poate fi identificat. Prin colorarea cu Quinacrină au fost identificate benzile Q, apoi prin colorarea Giemsa au apărut benzile G. Prin adăugarea denaturării termice la colorarea Giemsa s-au obținut benzile R iar benzile C, utilizate pentru determinarea localizării centromerilor s-au obținut prin tratarea preparatelor cromozomiale cu acizi și baze și colorare Giemsa. Benzile T se află la extremitățile cromozomilor iar benzile NOR identifică sateliții cromozomilor acrocentrici (perechile 13, 14, 15, 21 și 22).

Bandarea este utilă atât pentru recunoașterea cromozomilor cât și pentru identificarea unor regiuni cromozomiale diferite prin mărimea și intensitatea colorației de la un individ la altul. Polimorfismul structural astfel detectat este ereditar și este folosit ca marker genetic în studiul moștenirii unui cromozom particular de la părinte la copil. Așa a apărut citogenetica moleculară, o ramură nouă a citogeneticii care analizează cromozomii în timpul fazelor ciclului de diviziune și poate localiza o anumită secvență de ADN într-o anumită zonă specifică a unui cromozom. Tehnica FISH (Fluorescence In Situ Hybridization) este utilizată pentru a analiza o regiune cromozomială de interes.

Analiza cariotipului

Examenul citogenetic reprezintă ansamblul de metode care permit studiul cromozomilor, folositor în diagnosticarea malformațiilor legate de anomaliile de structură și număr ale cromozomilor umani.
Cromozomii se analizează în metafaza ciclului mitotic, deoarece acesta este momentul când cromozomii sunt bicromatidici și bine individualizați. După această analiză se întocmește cariotipul individului respectiv, necesar pentru diagnosticul genetic.

Examenul citogenetic prenatal este necesar în situații precum:

• vârsta înaintată a mamei (risc crescut de dezvoltare a sindromului Down la un făt cu o mamă peste 35 de ani),
• existența în familia respectivă a unui alt caz născut cu o malformație genetică sau
• antecedente heredo-colaterale de boli genetice în familia unuia din părinți.

Cromozomii se analizează prin cultivarea în diverse medii a celulelor din lichidul amniotic, iar pe baza acestui examen se ia decizia de a se continua sarcina sau nu.

Examenul citogenetic postnatal este necesar în următoarele cazuri:

• nou-născutul prezintă un tablou clinic anormal: hermafroditism sau malformații multiple
• adolescenți care prezintă tulburări de dezvoltare psiho-somatică: atrofie testiculară, ginecomastie, debilitate mentală
• examen citogenetic al cuplului sau individului infertil fără alte cauze clinice decelabile
• examen citogenetic al cuplurilor cu numeroase eșecuri de reproducere (avorturi spontane, feți născuți morți)
• persoanele care au primit doze mari de radiații ionizante sau au fost expuși timp îndelungat agenților chimici toxici și noxelor, au ingerat medicamente mutagene în doze mari (chimioterapie) sau au fost supuși radioterapiei repetate și cu cantitate mare de radiații (neoplasme agresive). Toți acești agenți pot avea efecte mutagene, afectând funcția reproductivă și caracterele fenotipice ale urmașilor indivizilor expuși la agenți toxici.