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Cromosomas Humanos y Cariotipos Genetics Brooker 4e Chapter 8 Laboratorio 5 Genética JA Cardé, PhD 1 Objetivos Al terminar este ejercicio los estudiantes podrán: Describir la estrategia utilizada para la preparación de cariotipos. Mencionar ejemplos de formulas cariotípicas y su interpretación. Discutir las características principales utilizadas en la clasificación de los cromosomas humanos Montar juegos cromosómicos preparando el cariotipo a partir de fotografías suministradas. Analizar los juegos de cromosomas y determinar si hay algún desórden. 2 INTRODUCIÓN Variación genética implica diferencias entre miembros de una especie o entre especies diferentes. Variaciones alélicas: debido a mutaciones en genes particulares Mutaciones cromosómicas: cambios sustanciales en el número o la estructura cromosómica Por lo general afectan mas de un gen Conocidas también como aberraciones cromosómicas 3 Porque es importante el estudio de estas variaciones cromosómicas? 1. Pueden provocar daños mayores en el fenotipo del organismo. 2. Pueden provocar daños mayores en el fenotipo de la progenie de algún organismo 3. Se consideran una fuerza importante en la evolución de especies. 4 Lab Citogenética Campo de estudio de la genética que involucra el examen microscópico de los cromosomas citogeneticista – típicamente examina la composición cromosomal de una célula o un organismo particular Permite detectar individuos con estructura o número anormal de cromosomas Provee método para distinguir entre especies. 5 Lab Citogenética Citogeneticistas usan tres aspectos principales para identificar y clasificar los cromosomas: 1. tamaño 2. localización de los centrómeros 3. patrón de bandas Todos estos aspectos son estudiados en un cariotipo Figure 8.1c Como se hacen? (Ver Figura 3.2) 6 Cariotipos-Procedimiento Procedimiento 5 ml de sangre o fluido amniótico Coagulación, Centrifugación Remover células blancas Cultivarlas en medio que las estimula a mitosis Arrestarlas en Metafase Lisarlas y Distribuirlas en una laminilla Teñirlas Fotografiarlas Analizarlas 8 Short arm; For the French, petite Localización de los Centromeros Lab Long arm Figure 8.1 9 Citogenética Para identificación detallada los cromosomas son teñidos con tintes que generan un patrón de bandas característico: Ejemplo: bandas G Se exponen los cromosomas con tinte Giemsa Algunas regiones ligan el tinte con mayor afinidad Bandas oscuras Otras regiones ligan el tinte con menos afinidad Bandas claras En humanos Se ven hasta 300 G bandas en metafase Hasta 2,000 G bandas en profase (Porque?) 10 Clasificación de Cromosomas para Cariotipos 11 Clasificación de Cromosomas para Cariotipos Grupo A: cromosomas 1-3, grandes con centrómeros mediales Grupo B: cromosomas 4-5 grandes con centrómeros submediales Grupo C: cromosomas 6-12, tamaño mediano, con centrómeros submediales Grupo D: cromosomas 13-15, tamaño mediano, con centrómeros acrocéntricos Grupo E: cromosomas 16-18 cortos con centrómeros mediales o submediales Grupo F: cromosomas 19-20 cortos, con centrómeros mediales Grupo G: cromosomas 21-22 bien cortos con centrómeros acrocéntricos. Cromosoma X: similar al grupo C. Cromosoma Y: is similar al grupo G 12 Citogenética El patrón de banda es útil en varias formas: 1. Distingue cromosomas individuales uno del otro. 2. Detecta cambios en la estructura del cromosoma 3. Revela relaciones evolutivas entre cromosomas de especies cercanas 13 Lab La estructura del cromosoma puede ser alterada por mutaciones (Fig 8-2) Dos formas principales en los que se puede alterar la estructura de los cromosomas 1. Cambiando la cantidad total de información genética en el cromosoma Deficiencias/Deleciones (-) Duplicaciones (+) 2. El material genético permanece igual pero ocurre algún rearreglo Inversiones Translocaciones 14 Deficiencia (o deleción) Lab Pérdida del algún segmento cromosómico Duplicación Repetición de un segmento cromosómico al compararlo con uno cromosoma normal parental Inversión Cambio en la dirección del material genético en un cromosoma Translocación Un segmento de un cromosoma se une a otro cromosoma diferente Simples De un cromosoma a otro Recíprocas En ambas vías Ver Figura 8-2 15 Deletion/ Lab Human chromosome 1 - q2 - q2-q3 - q2-q3 Human chromosome 21 q2-q4 del 1 al 21 q2-4 del 21 por el q1-q2 del 21 Figure 8.2 16 Lab Deficiencias/Deleción Cuando un cromosoma se rompe y se pierde un fragmento: terminal vs intersticial Figure 8.3 17 Lab Deficiencias / Deleciones Sus consecuencias fenotípicas dependen de: 1. El temaño de la deleción 2. El material perdido Eran genes vitales para el organismo? Deleciones con efectos fenotípicos son usualmente detrimentales Ejemplo, síndrome de cri-du-chat en humanos 5p-del - deleción del brazo corto del cromosoma 5 18 Cri du chat – 5p del 19 Deleciones se detectan por: Citología (ie. Microscopia) Detecta deleciones grandes Molecular – hibridizaciones, PCR Genética Si en una poblacion mutante no se logra producir la mutacion de regreso al tipo salvaje, indica que la mutacion se debe a algo q se perdió También se pueden detectar por pseudodominancia Deleción de una copia del gen El alelo en el otro cromosoma es expresado Hipótesis: Si el perdido era dominante, entonces el recesivo es el fenotipo 20 Lab Duplicaciones Como en las deleciones las consecuencias fenotípicas de las duplicaciones tienden a correlacionar con su tamaño. Tienden a tener mas efectos fenotípicos si involucran grandes regiones del cromosoma Aun así, tienden a tener efectos menos dañinos que deleciones de tamaños similares, (Porque?) En humanos hay muy pocos síndromes causados por duplicaciones cromosómicas pequeñas. 21 Figure 2 : A duplication of the Bar gene in fruit flies results in decreased eye sizes. (A) Flies with the wild-type Bar gene (red region) have a single copy of the gene on each chromosome, resulting in normal, large eyes. (B) A fly with a heterozygous Bar mutation has an extra copy of the gene on one chromosome, resulting in an eye size about half the size of normal eyes. (C) A fly with a homozygous Bar mutation has an extra copy of the gene on both chromosomes, resulting in an eye size about onefourth the size of normal eyes. (D) A fly with a heterozygous double Bar mutation has three Bar genes on one chromosome, resulting in an eye size about one-eighth the size of normal eyes. © 2013 Nature Education Adapted from Pierce, Benjamin. Genetics: A Conceptual Approach, 2nd ed. All rights reserved. 22 Figure 7 : Chromosomes 15 and 22: deletions and inverted duplication chromosomes. partial karyotypes are shown. For the deletions, the arrows indicate a) the deletion of chromosome 15q11-13 associated with Prader-Willi and Angelman syndromes b) the deletion of 22q11.21-11.23 (bottom) associated with DiGeorge and velocardiofacial syndromes. © 1996 Elsevier Modified from Spinner, N. B & Emanuel, B. S. in Principles and Practice of Medical Genetics Vol. 1 (Eds. Rimon, D. L., Conner, J. M., Pyeritz, R. E. & Emery, A. E. H.) 999-1025 (Churchill Livingstone, 1996). 23 Inversiones Un segmento ha sido colocado en la orientación opuesta Centromere lies within inverted region Figure 8.11 Centromere lies outside inverted region 24 La cantidad de información genética es la misma PLT no causan consecuencias fenotípicas, En casos raros, cuando afectan el fenotipo Efecto de punto de rompimiento Si el rompimiento es en un gen vital Efecto de Posición Un gen es ubicado en alguna posición que altera su expresión Un 2% de la población humana lleva inversiones detectables con microscopía de luz La mayoría son fenotípicamente normal Aunque algunos pocos pueden producir progenie con anormalidades genéticas 25 Rearreglos asociados a variantes de inversiones 26 Figure 7 : Chromosomes 15 and 22: deletions and inverted duplication chromosomes. c) For the inverted duplications, partial karyotypes of two chromosome 15s show the two different sizes of inv dup (15) chromosomes. The smaller inv dup (15), on the left, is not associated with phenotypic abnormalities, whereas the larger inv dup (15), on the right, is associated with an abnormal phenotype (the central two are normal chromosome 15). d) The inv dup (22) (right) is associated with the cat eye syndrome. © 1996 Elsevier Modified from Spinner, N. B & Emanuel, B. S. in Principles and Practice of Medical Genetics Vol. 1 (Eds. Rimon, D. L., Conner, J. M., Pyeritz, R. E. & Emery, A. E. H.) 999-1025 (Churchill Livingstone, 1996). 27 Traslocaciones Las recíprocas resultan en un rearreglo del material genético, no en un cambio de la cantidad total PLT se conocen como traslocaciones balanceadas Las recíprocas como las inversiones, no tienen consecuencias fenotípicas En pocos casos resultan en efectos de posición 28 Oncogenes por Traslocaciones Figure 4 : The consequences of recurring chromosome translocations. a) In some lymphomas and leukemias, chromosome translocations lead to the juxtaposition of promoter/enhancer elements from one gene (gene A, purple) with the intact coding region of another gene (gene B, red). b) By contrast, translocations seen in CML and many of the acute leukemias result in recombination of the coding regions of two different genes. This results in a fusion protein that might have a new function. This is the case for the BCR-ABL fusion protein that is encoded by the Philadelphia chromosome. © 2001 Nature Publishing Group Rowley, J. D. Chromosome translocations: dangerous liaisons revisited. Nature Reviews Cancer 1, 247 (2001). All rights reserved. View Terms of Use 29 Variaciones en el Número de Cromosomas Euploide: un set cromosomal completo, específico para una especie dada El número de cromosomas puede variar de dos maneras principales: Poliploidía Aumento en el número de sets completos presentes mas allá del número euploide Ocurre ocasionalmente en animales y mas frecuentemente en plantas Aneuploidía Un número anormal de cromosomas particulares en un set Poco común 30 Aneuploidía El fenotipo de eucariotas es influenciado por miles de genes distintos La expresión de estos genes esta intrincadamente coordinado para que el fenotipo sea normal Aneuploidía por lo general causa fenotipos anormales Lleva a un desbalance en las cantidades de productos de los genes (dosis de genes) La cantidad de un producto de un gen es proporcional al numero de copias del gen 31 Aneuploidía Números cromosómicos alterados ocurre frecuente durante gametogénesis 5-10% de los embriones lo tienen Mas aún , ~ 50% de los abortos espontáneos se deben a esto En algunos casos, una anormalidad en el número de cromosomas produce progenie que sobreviven Tabla 8.1 32 Tabla 8-1: Aneuploidías en humanos Condición Frecuencia Autosomales Síndrome Trisomía 13 Trisomía 18 Trisomía 21 1/15000 1/6000 1/800 Patau Edward Down Sexuales XXY XYY 1/1000 mal 1/1000 mal Klinefelter Jacobs XXX XO 1/1500 fem 1/5000 fem Triple X Turner Rasgos 33 Trisomías 12, 18, 21 sobreviven Involucran cromosomas relativamente pequeños Padres viejos son mas propensos a producir progenie anormal Ejemplo: Down (Trisomía 21) Incidencia aumenta con la edad se los padres, especialmente madres 34 Aneuploidía naturales involucrando cromosomas sexuales Inactivación de la X : cuerpos de Barr Un cromosoma de cada célula es inactivado permanentemente al azar, se condensa en cuerpo de Barr. Porque esta inactivación al azar de la X? Aneuploidías involucrando cromosomas sexuales generalmente producen efectos menos severos que los de cromosomas autosómicos Esto se explica con los cuerpos de Barr: X inactivadas: Todos los cromosomas X adicionales son convertidos en Barr. Entonces porque los efectos fenotipos observados en tabla 8.1 1. Por expresión de genes en X temprano en el desarrollo 2. Desbalance en la expresión de genes pseudoautosomales 35 Síndrome de Down es causado por un fallo en la segregación correcta del cromosoma 21 no-disyunción ocurre mayormente en meiosis 1: ovocito La correlación entre la edad maternal y el síndrome de Down: La edad de los ovocitos Ovocitos primarios en humanos son producidos antes del nacimiento, PLT estan en profase 1 hasta 12 años mas tarde: ovulación Mientras la mujer envejece, cada ovocito primario ha estado en profase uno cada vez por mas tiempo Este aumento en el tiempo puede contribuir a que la frecuencia de no disyunción cromosomal aumente 36 Euploidía (número normal de cromosomas) Diploide en la mayoría de las especies Por lo general cambios en euploidia no son tolerados Poliploidía es letal en animales generalmente Algunas variaciones en euploidía en la naturaleza Abejas hembras son diploides Machos (drones) son monoploides un solo set de cromosomas Raros vertebrados poliploides: Peces, Anfibios 37 Euploidía Algunos animales, en algunos tejidos presentan variaciones normales en su ploidía Animales diploides pueden producir tejidos que son poliploides Endopoliploidía Hepatocitos pueden se tri, tetra u octaploides Cromosomas politénicos: en insectos, ejemplo inusual de variación 38 Politénicos 39 Euploidía En plantas es común la poliploidía; tener varios sets de cromosomas 30-35% helechos y plantas con flores son poliploides Muchas frutas y granos alimenticios son poliploides Figura 8.22a Algunas veces líneas poliploides de plantas presentan características agrícolas especiales Grandes y robustos Figura 8.20a y b 40 Procedimiento del Manual Obtener un set de cromosomas que se le asigne, un caso por grupo (1-6) y el 7 individual Parear cada cromosoma con su pareja homóloga enumerando cada par. Trate de ser consistente. Ej: El número 1 es el mas grande, su pareja debe ser del mismo tamaño, con el mismo patrón de bandas y la misma localización para el centrómero Determinar la anormalidad en el cariotipo, usando la Clave para Análisis Cromosómico, pueden ser pequeñas, sea cuidadoso y consistente Investigue sobre su anormalidad, busque una foto real de un cariotipo y paciente con el desorden que le tocó a su grupo. Recuerde buscar y/o ver ejemplos de los 5 tipos de anormalidades cromosómicas Entregar día del examen 41 Reporte de laboratorio Cytogenetics Lab Define en tus propias palabras que significa citogenética Explica brevemente la anormalidad cromosómica en algun cariotipo analizado por su grupo o usted: cual es la anormalidad el número total de cromosomas el cromosoma específico involucrado la razón para el género (fórmula) De acuerdo a lo que usted sabe de meiosis, como explica la anormalidad? 42 Reporte de Laboratorio… Compare los 5 desórdenes y diga cual usted cree es el de efectos mas negativos? Y el de menos? Porque cree que solo hay un ejemplo con monosomía? Los cariotipos se usan como herramientas prenatales, es garantía que un bebe estará libre de desórdenes genéticos si su configuración cromosómica aparece normal? Explica. Entregar el día del examen. 43 Clave Simple para Análisis Cromosómico 1A 46 cromosomas en el cariotipo Ir a aseveración 3 1B No hay 46 cromosomas en el cariotipo ir a aseveración 2 2A 47 cromosomas en el cariotiopo (3 de algún cromosoma) Trisomía 2B Un cromosoma ausente en algun par Monosomía 3A Todos los cromosomas estan pareados con su homólogo sin piezas obvias de mas ni de menos ,……………… Individuo Normal 3B Alguno del par de homólogos no son del mismo tamaño. aseveración 4 4A Hay fragmentos añadidos a algún cromosoma Traslocación 4B Hay fragmentos ausentes en algún cromosoma Deleción 44 Símbolos A-G grupo 1-22 numero de autosómicos X;Y, sexuales /; mosaicismo en somáticas d; deleción dup; duplicación i; isocromosomas, brazos idénticos inv; inversión p-q; brazos corto y largo s; satélite t; translocación + o -; antes de numero indica adición o perdida de un cromosoma; después de un número duplicación o deleción de fragmento Fórmulas 46, XX, 46, XY – 46 cromosomas, 2X hembra normal, X y Y varón normal 45, X – 45 cromosomas, hembra, una X (Síndrome de Turner) 47, XXY – 47 cromosomas, hembra, dos X, una Y (Síndrome de Klinefelter) 47, XYY – 47 cromosomas, varón, una X, dos Y, (Síndrome XYY) 47, XY, +21 – 47 cromosomas, varón, una X y una Y, 21 adicional (Síndrome de Down) 46, XX, 5p- - 46 cromosomas, hembra, dos X, deleción p en 5 (Síndrome de Cri-du-chat) Prácticas de Cariotipos Online The Biology Project: http://www.biology.arizona.edu/human_bio/activities/karyotyping/k aryotyping2.html Learn Genetics http://learn.genetics.utah.edu/content/chromosomes/ Rutgers Diagnosis http://bio.rutgers.edu/~gb101/lab10_meiosis/meiosis_web/karyotyp e4/karyo_frame1.html The Biology Corner Avanzado http://www.biologycorner.com/karyotype/ Cytogenetics Lab - Asignado http://home.earthlink.net/~heinabilene/karyotypes/karyoty.htm 47 Referencias - Artículos http://www.nature.com/scitable/topicpage/karyotypin g-for-chromosomal-abnormalities-298 http://genomemedicine.com/content/2/2/11 http://www.nature.com/scitable/topicpage/dnadeletion-and-duplication-and-the-associated-331# 48