Молекуларна цитогенетика

Молекуларна цитогенетика ― поле кое комбинира две дисциплини, молекуларна биологија и цитогенетика, и вклучува анализа на структурата на хромозомот за да помогне да бидат разликувани клетките кои се нормални и клетките кои предизвикуваат рак. Човечката цитогенетика започнала во 1956 година кога било откриено дека нормалните човечки клетки содржат 46 хромозоми. Сепак, првите микроскопски набљудувања на хромозомите биле пријавени од Арнолд, Флеминг и Ханземан кон крајот на 1800-тите. Нивната работа била игнорирана со децении додека вистинскиот број на хромозомите кај луѓето не бил откриен како 46. Во 1879 година, Арнолд ги испитувал клетките на сарком и карцином со многу големи јадра. Денес, проучувањето на молекуларната цитогенетика може да биде корисно за дијагностицирање и лекување на различни малигни заболувања како што се хематолошки малигни тумори, тумори на мозокот и други претходници на ракот. Областа е претежно насочена на проучување на еволуцијата на хромозомите, поконкретно на бројот, структурата, функцијата и потеклото на хромозомските абнормалности.^[1][2] Вклучува низа техники наведени како флуоресцентна „на лице место“ хибридизација, во која сонди со ДНК се означени со различни обоени флуоресцентни ознаки за да се визуелизира еден или повеќе специфични региони од геномот. Воведен во 1980-тите, оваа хибридизација користи сонди со комплементарни базни секвенци за да го најде присуството или отсуството на специфичните региони на ДНК. Хидридизацијата може да биде извршена или како директен пристап до метафазните хромозоми или меѓуфазните јадра. Алтернативно, може да биде земен индиректен пристап во кој целиот геном може да биде проценет за промени во бројот на копии со помош на виртуелна кариотипизација. Виртуелните кариотипови се создадени од низи направени од илјадници до милиони сонди, а пресметковните алатки се користени за повторно создавање на геномот „in silico“.

Пример на кариотипизација што покажува вкупно 46 хромозоми во геномот.

Заеднички техники

Флуоресцентна „на лице место“ хибридизација

Слики со флуоресцентната „на лице место“ хибридизацијана со хромозоми од делење на орангутански (лево) и човечки (десно) клетки. Жолтата сонда покажува 4 копии од регион во геномот на орангутан и само 2 копии кај човекот.

Флуоресцентната „на лице место“ хибридизација картира една копија или повторувачки секвенци на ДНК преку локализација на означување на специфични нуклеински киселини. Техниката користи различни сонди со ДНК означени со флуоресцентни ознаки кои се врзуваат за еден или повеќе специфични региони на геномот.^[3] Ги означува сите поединечни хромозоми во секоја фаза од клеточната делба за да ги прикаже структурните и бројчани абнормалности што може да се појават во текот на целиот циклус. Ова се прави со сонда која може да биде специфична за локус, центромерна, теломерна и цело хромозомска. Оваа техника обично се изведува на интерфазни клетки и ткива на парафински блокови. Оваа хибридизација картира една копија или повторувачки секвенци на ДНК преку локализација на означување на специфични нуклеински киселини. Техниката користи различни ДНК сонди означени со флуоресцентни ознаки кои се врзуваат за еден или повеќе специфични региони на геномот. Сигналите од флуоресцентните ознаки може да се видат со микроскопија, а мутациите може да се видат со споредување на овие сигнали со здравите клетки. За ова да функционира, ДНК мора да се денатурира со употреба на топлина или хемикалии за да се скршат водородните врски; ова овозможува хибридизација да се случи откако ќе се измешаат два примероци. Флуоресцентните сонди создаваат нови водородни врски, со што се поправа ДНК со нивните комплементарни бази, кои може да се детектираат преку микроскопија. Хибридизацијата овозможува да бидат видени различни делови од хромозомот во различни фази од клеточниот циклус. Хибридизацијата може да биде извршена или како директен пристап до метафазните хромозоми или меѓуфазните јадра. Алтернативно, може да биде земен индиректен пристап во кој целиот геном може да биде проценен за промени во бројот на копии со помош на виртуелна кариотипизација. Виртуелните кариотипови се создавани од микронизи направени од илјадници до милиони сонди, а сметачките алатки се користени за повторно создавање на геномот „in silico“.^[4]

Споредбена геномска хибридизација

Споредбената геномска хибридизација, добиена од флуоресцентната „на лице место“ хибридизација, е користена за споредување на варијациите во бројот на копии помеѓу биолошки примерок и референца. Споредбената геномска хибридизација првично била развиена за да бидат набљудувани хромозомските аберации во клетките на туморот. Овој метод користи два генома, примерок и контролен, кои се означени флуоресцентно за да се разликуваат.^[5] Во оваа хибридизација, ДНК е изолирана од примерок од тумор и е прикачуван биотин. Друга белковина за обележување, дигоксигенин, е прикачена на референтниот примерок на ДНК.^[6] Обележаните примероци на ДНК се сохибридизирани со сонди за време на клеточната делба, што е најинформативното време за набљудување на варијациите на бројот на копии.^[7] Оваа хибридизација користи создава карта која го прикажува релативното изобилство на ДНК и бројот на хромозомите. Со споредување на флуоресценцијата во примерокот во споредба со референца, хибридизацијата може да укаже на добивки или загуби на хромозомските региони.^[6][8] Споредбената геномска хибридизација се разликува од флуоресцентната „на лице место“ хибридизација бидејќи не бара одредена цел или претходно знаење за генетскиот регион што е анализиран. Споредбената геномска хибридизација исто така, може релативно брзо да скенира цел геном за различни хромозомски нерамнотежи, и ова е корисно кај пациенти со основни генетски проблеми и кога службената дијагноза не е позната. Ова често се случува кај хематолошки карциноми.

Споредбена геномска хибридизација на низа

Споредбената геномска хибридизација на низа овозможува споредбената геномска хибридизација да биде изведувана без клеточна култура и изолација. Наместо тоа, е изведувана на стаклени слајдови кои содржат мали фрагменти на ДНК.^[9] Отстранувањето на клеточната култура и чекорот на изолација драматично го поедноставува и ја забрзува постапката. Користејќи слични начела на споредбената геномска хибридизација, примерокот на ДНК е изолиран и флуоресцентно е означен, а потоа се сохибридизира во едноверижни сонди за да создава сигнали. Илјадници од овие сигнали може да бидат откриени одеднаш, а оваа постапка е нарекувана напореден преглед.^[10] Се мерат соодносите на флуоресценција помеѓу примерокот и референтните сигнали, што ја претставува просечната разлика помеѓу количината на секој од нив. Ова ќе покаже дали има повеќе или помалку примерок од ДНК отколку што се очекува со референца.

Примени

Клетка која содржи преуредување на хромозомските региони (горниот лев црвен и зелен хромозом)во генот bcr/abl. Ова преуредување е поврзано со хронична миелогена леукемија и е откриено со помош на Флуоресцентната „на лице место“ хибридизација.

Хромозомот, преку флуоресцентната „на лице место“ хибридизација овозможува проучување на цитогенетиката во пред и посленатални примероци и исто така е широко користен во цитогенетското тестирање за рак. Додека цитогенетиката е проучување на хромозомите и нивната структура, цитогенетското тестирање вклучува анализа на клетките во крвта, ткивото, коскената срцевина или течноста за да бидат идентификувани промените во хромозомите на поединецот. Ова често било правено преку кариотипизација, а сега се прави со флуоресцентната „на лице место“ хибридизација. Овој метод најчесто е користен за откривање на хромозомски бришења или транслокации често поврзани со рак. флуоресцентната „на лице место“ хибридизација е користена и за меланоцитни лезии, разликувајќи невообичаен меланоцитен или малиген меланом.^[5]

Клетките на ракот често собираат сложени хромозомски структурни промени како што се губење, удвојување, инверзија или движење на сегмент.^[11] Кога е користена флуоресцентната „на лице место“ хибридизација, сите промени на хромозомот ќе бидат видливи преку несовпаѓање помеѓу флуоресцентно означените ракородни хромозоми и здрави хромозоми.^[11] Наодите од овие цитогенетски опити можат да фрлат светлина врз генетските причини за ракот и да најдат потенцијални терапевтски цели.^[12]

Молекуларната цитогенетика може да биде користена и како дијагностичка алатка за вродени синдроми кај кои се непознати основните генетски причини за болеста.^[13] Анализата на структурата на хромозомот на пациентот може да открие предизвикувачки промени. Новите методи на молекуларна биологија развиени во изминатите две децении, како што се секвенционирањето со т.н. „следна генерација“ и секвенциораниње на РНК, во голема мера ја замениле молекуларната цитогенетика во дијагностиката, но неодамна употребата на деривати на флуоресцентната „на лице место“ хибридизација како што се повеќебојни флуорецентно-хибридизациски и разнобојни подредувања расте во медицинските примени.^[14]

Проекти за рак

Еден од тековните проекти што вклучува молекуларна цитогенетика вклучува геномско истражување на ретки видови на рак, наречено Иницијатива за карактеризирање на геномот на ракот.^[15] Иницијативата е група заинтересирана за опишување на генетските абнормалности на некои ретки видови на рак, со примена на напредно секвенционирање на геномите, егзомите и транскриптомите, кои на крајот може да играат улога во патогенезата на ракот.^[15] Во моментов, Иницијативата има разјаснето некои претходно неодредени генетски промени во медулобластом и Б-клеточен не-Хочкин лимфом. Следните чекори за иницијативата е да бидат идентификувани геномските алтернации кај ХИВ+ туморите и кај Буркитовиот лимфом.

Некои техники за секвенционирање со висок процент што ги користи Иницијативата се: секвенционирање на целиот геном, секвенционирање на транскриптом, хроматинско-имунопреципитациско секвенционирање и илуминско инфинумска метилација (Illumina Infinum MethylationEPIC BeadCHIP.^[16]