染色体核型分析
核型分析是一种将某一生物个体所有的染色体配对排序及分析的过程,从而提供一个全基因组“快照”的分析方法。核型分析使用标准化的染色过程,来揭示每个染色体特征性的结构特点。临床细胞遗传学家通过核型分析技术检测较大片段的染色体异常，通常涉及数兆甚至更多DNA碱基对的长度。核型分析技术通常用来揭示人类染色体数目的变化，尤其是非整倍体,如21三体(唐氏综合症)等。应用高分辨的核型分析技术还可以揭示染色体更多微小的结构性变化,比如染色体的缺失,复制、易位,或倒位等。事实上,随着医学遗传学日益融入临床医学领域,核型分析技术目前已经成为诊断特定出生缺陷、遗传异常,甚至癌症的最经典技术。
利用有丝分裂中期细胞进行核型分析的过程
核型分析是通过捕捉处于细胞有丝分裂周期中期或前中期部分的细胞进行分析的,此时的染色体处于其最浓缩的构象。各种类型的组织都可以作为这些细胞的来源。对于癌症细胞的诊断,典型的标本包括肿瘤活检组织或骨髓样本。对于其他染色体疾病的诊断,目前通常使用外周血标本或皮肤活活检组织。对于产前诊断,羊水和绒毛标本常常作为细胞来源。
核型分析的过程最初起自组织中目标细胞的短期培养。细胞经过一段时期的生长和增殖，处于有丝分裂中期的细胞通过添加秋水仙碱, 抑制有丝分裂纺锤体的功能而使其停止于细胞分裂中期。然后这些细胞再进行低渗的处理，使其细胞核发生膨胀和细胞破裂。接着这些细胞核通过化学的方法进行固定, 并转移到玻片上，通过各种染色的方法 ,以完美显示染色体的结构特点。
通过染色的方法显示染色体的结构细节
未经任何处理的情况下染色体是很难在光学显微镜下进行显示和分析的。因此,要使核型分析更加有效,细胞遗传学家发展了显带技术,通过染料与 DNA片段的结合，不同的染色体产生了不同的特征性显带样式。而在显带技术出现之前， 不同染色体之间相互区别是非常困难的, 分析人员只能根据它们的大小和着丝粒的位置不同进行简单的分组。
改变发生在1970年, 当时Torbjorn Caspersson和他的同事描述了第一种称之为Q显带的显带技术。Q显带技术使用了荧光染料奎吖因,通过荧光染料与不同区域染色体的结合强度不同，来显示出不同染色体的特征性条带分布。从那以后,研究人员开发出多种其他染色体显带技术,在很大程度上取代了Q显带技术在临床细胞遗传学中的应用。今天,大多数的染色体显带是通过Giemsa染色来完成的,它提供了更好的染色体显示分辨率, 产生更稳定的制片,并可以在普通亮场显微镜下进行分析。
一条染色体上通过染色能够出现不同染色水平的条带区别，其分子机理是非常复杂的， 包括不同类型碱基含量的组成不同和区域性染色质结构的差异。在北美地区最常用的G显带方法中, 中期染色体在Giemsa染色前首先使用胰蛋白酶进行处理, 这种酶通过降解染色体上的部分组蛋白, 从而起到松解染色质结构的作用以促进Giemsa染料进入DNA结构。
一般来说,染色体异色的区域,往往是富含AT碱基对、基因分布较少的区域，在G显带下显示为暗色的区域。 相比之下,较少凝聚的染色体区域,往往是富含GC碱基对、具有更高转录活性的区域，在G显带下更多显示为淡色的区域。 最重要的是,g显带方法产生的显带区域分布在同一物种的同一染色体之间是相同的 。 G显带的核型图见图1 a。通常,G显带技术可以在23对人类染色体上区分400至800个不同条带分布 。在DNA层面上,一个G带代表了几百万到1000万碱基对的长度, 足以包含数百个基因。
G显带方法并不是唯一的染色体显带技术, 在欧洲的部分地区使用的R显带技术, 虽然也使用了Giemsa染色剂, 但处理过程的不同产生了与G显带完全相反的显带模式 。在R显带中(图1 c), 染色体在染色之前有一个加热的过程，热处理过程被认为优先融化了DNA螺旋中富含AT碱基对的区域，只留下GC相对丰富的区域（基因转录活跃的区域）进行了染色。R显带通常用于端粒附近基因较多区域的关键细节显示 。
另一个常用的方法是C显带技术(图1 d),它可以用来专门染色异染色质,或基因不活跃的DNA区域, 但近来已较少用于临床诊断目的 。C显带是一种特殊的Giemsa染色技术,主要是显示染色体的着丝粒区域,该区域包含有大量富含AT碱基对的卫星DNA。
第一个是用来识别人类所有46条染色体的显带方法是Q显带(图1 b),它是通过各条染色体与奎吖因的染色并在紫外线下显示而完成的。Q显带是最有效的检查染色体易位的技术,特别是那些涉及Y染色体的异位。综上所述,这些不同的显带技术提供了临床细胞遗传学家进行各种不同的染色体异常疾病诊断的有力武器。
核型图／染色体组型
为了最大限度地从染色体制片中获得诊断信息, 我们将每单个染色体排成一个标准化的格式,称为核型或染色体组型(图1a-c)。根据国际通行规则, 人类常染色体编号从1到22,在按大小降序排列,(其中21号和22号染色体有例外，前者是最小的染色体) 。性染色体通常放置在一个染色体组型的最后。
在一个核型图中，各个染色体是按照着丝粒对齐作为横轴的方式平行分布的。每个染色体被描述成由位于着丝粒上方的短臂（以p表示）和 下方的长臂（以q表示）组成。 着丝粒位置也可以用来识别染色体的大体形态或形状。例如,等臂染色体,如染色体1、3、和16,长短臂的长度几乎相同。亚中间着丝粒染色体,如染色体2、6、10,着丝粒略偏离染色体的中心。近端着丝粒染色体,如染色体14、15和21,着丝粒靠近它们的一端。
将染色体排序整理成一个染色体组型（核型）可以简便地识别染色体的任何异常。同一显带方法下的两个染色体拷贝,或者任何常染色体的同源染色体几乎都是相同的。同源染色体之间的一些细微差异可以归因于个体之间自然结构变异的情况。有时技术操作的处理过程也会产生明显的染色体之间的差异,但人工操作带来的差异可以通过对同一个体的15 – 20个中期分裂相的分析来确认。一般来说，人工操作带来的异常表现不会在不同的中期分裂相中反复出现。
通过核型分析来检测染色体异常
今天,G显带技术被广泛地应用于各种染色体异常的疾病临床诊断中。虽然目前的显带技术只能检测数兆以上的染色体片段异常，但已足够用于诊断大多数染色体病，如以21三体为代表的非整倍体异常或常见的性染色体数目异常。更高的分辨率和更丰富的分析经验还可以用于检测更微小的染色体异常，包括小片段染色体的删除、插入、重复、易位、倒位等。时至今日，核型分析技术依然是染色体病遗传诊断的金标准。
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