کاریوتایپ  (Karyotype) شامل مرتب کردن و تجزیه و تحلیل کروموزوم‌های یک نمونه سلولی برای ایجاد یک نمایش بصری ازتمام کروموزوم‌ها است. این نمایش به عنوان کاریوگرام شناخته می شود. هر کاریوگرام به توصیف ویژگی‌های کروموزوم‌های یک فرد اشاره دارد. این ویژگی‌ها شامل تعداد، شکل و اندازه‌ی کروموزوم‌ها است.

بررسی کاریوتایپ یکی از ارکان اصلی ژنتیک پزشکی محسوب می‌شود و به پزشکان و محققان کمک می‌کند تا ناهنجاری‌های کروموزومی که می‌توانند به اختلالات ژنتیکی و بیماری‌ها منجر شوند را شناسایی کنند. در این مقاله، قصد داریم به تعریف دقیق کاریوتایپ، مراحل انجام تست آن، کاربردهای آن در پزشکی و علم ژنتیک و چگونگی انجام این تست بپردازیم. همچنین، مزایا و محدودیت‌های تست کاریوتایپ را مورد بررسی قرار می‌دهیم.

تعریف کاریوتایپ

کاریوتایپ به مجموعه‌ای از کروموزوم‌ها گفته می‌شود که در سلول‌های بدن فرد وجود دارند. این کروموزوم‌ها در یک توالی خاص مرتب می‌شوند و ویژگی‌هایی چون تعداد، اندازه و شکل آن‌ها بررسی می‌شود. در یک کاریوتایپ استاندارد، تمامی کروموزوم‌ها طبق یک ترتیب خاص دسته‌بندی می‌شوند. این ترتیب معمولاً از بزرگ‌ترین به کوچک‌ترین کروموزوم‌ها صورت می‌گیرد. در انسان‌ها، هر سلول معمولاً ۴۶ کروموزوم دارد که شامل ۲۳ جفت کروموزوم است. این کروموزوم‌ها اطلاعات ژنتیکی لازم برای عملکرد بدن را حمل می‌کنند.

در یک تست کاریوتایپ، هدف این است که کروموزوم‌های فرد به‌طور دقیق شناسایی شوند و هرگونه تغییر در تعداد یا ساختار آن‌ها مورد بررسی قرار گیرد. به‌عنوان ‌مثال، در صورتی که یک فرد یک کروموزوم اضافی (مثل سندرم داون) یا یک کروموزوم ناقص (مانند سندرم ترنر) داشته باشد، این ناهنجاری در تست کاریوتایپ قابل شناسایی است.

تاریخچه کاریوتایپینگ

کاریوتایپ بیش از نیم قرن است که در عمل بالینی مورد استفاده قرار می‌گیرد و ابزار مهمی در شناسایی اختلالات ژنتیکی، تعیین جنسیت یک فرد و مطالعه روابط تکاملی بین گونه ها به شمار می‌آید.

علم کاریوتایپینگ به دهه ۱۹۵۰ میلادی برمی‌گردد. اولین بار در این دهه، محققان با استفاده از میکروسکوپ‌های پیشرفته توانستند کروموزوم‌ها را مشاهده کرده و تغییرات آن‌ها را شناسایی کنند. یکی از اولین پیشرفت‌های مهم در این زمینه، کشف روش‌های رنگ‌آمیزی خاص برای کروموزوم‌ها بود که امکان مشاهده دقیق‌تر و شفاف‌تر آن‌ها را فراهم ساخت. رنگ آمیزی گیمسا توسط Tjio و Levan در سال 1956 برای مشاهده کروموزوم‌های یک سلول انسانی و تولید اولین کاریوتیپ استفاده شد. باندینگ گیمسا که اغلب به عنوان روش استاندارد کاریوتایپ در استفاده بالینی شناخته می‌شود، در این زمان توسعه داده شد.

پیش از این، علوم ژنتیک در مورد اختلالات کروموزومی اطلاعات زیادی نداشتند، اما با گسترش فناوری‌های میکروسکوپی و آزمایشگاهی، کاریوتایپینگ به ابزاری حیاتی برای شناسایی اختلالات ژنتیکی تبدیل شد. در دهه‌های بعد، با توسعه‌ی تکنیک‌ها و دستگاه‌های جدید، این فرایند به‌طور چشمگیری سریع‌تر و دقیق‌تر شد.

مراحل انجام کاریوتایپ

در این بخش به معرفی مراحل انجام پروسه کاریوتایپ می‌پردازیم:

1. نمونه‌برداری

جمع آوری نمونه اولین و مهم ترین مرحله در کاریوتایپ است. نمونه سلولی برای کاریوتایپ مورد نیاز است و می‌توان آن را از منابع مختلفی از جمله بافت، مایع آمنیوتیک و خون تهیه کرد. نمونه برداری در آزمایشگاه انجام می‌شود. به خاطر داشته باشید که نمونه باید در عرض 24-48 ساعت برای رسیدن به کشت سلولی انجام شود. نمونه‌های رایج عبارتند از: خون، مایع آمنیوتیک، پرزهای کوریونی، بافت یا بیوپسی، خون بند ناف و مغز استخوان. در اینجا جدول مربوط به نوع نمونه، لوله جمع آوری آنها و شرایط نگهداری و حمل و نقل آنها آمده است.

نمونه	ذخیره سازی ظروف	شرایط حمل و نقل
خون کامل	لوله هپارین	24 ساعت 4 درجه سانتی‌گراد
مایع آمنیوتیک	لوله درپوش پیچ استریل	24 ساعت 4 درجه سانتی‌گراد
پرزهای کوریونی	محیط کشت استریل یا لوله انتقال	24 ساعت 4 درجه سانتی‌گراد
بافت یا بیوپسی	تیوب محیط کشت	24 ساعت 4 درجه سانتی‌گراد
خون بند ناف	لوله هپارین	24 ساعت 4 درجه سانتی‌گراد
مغز استخوان	لوله هپارین	24 ساعت 4 درجه سانتی‌گراد

2. کشت سلولی

پس از نمونه‌برداری، سلول‌ها باید در شرایط خاصی کشت داده شوند تا بتوانند تکثیر یابند. این مرحله معمولاً چند روز طول می‌کشد. این مدت زمان به ‌ویژه برای نمونه‌های خون کمتر از یک هفته خواهد بود. این کشت سلولی اهمیت زیادی دارد زیرا برای انجام تست کاریوتایپ نیاز به تعداد کافی از سلول‌های تکثیر شده است.

• آماده سازی متافاز

متافاز شامل مراحلی از تقسیم سلولی است که کروموزوم های به خوبی پراکنده، سازمان یافته و با ظاهر مشخص در هسته سلول قرار دارد. برای انجام کاریوتایپ تمام سلول های کشت سلولی را باید در مرحله متافاز متوقف کرد.

چگونه سلول‌ها را در متافاز می‌توان متوقف کرد؟

یک ماده شیمیایی به نام کلشی سین یا کولسمید به لوله‌های کشت اضافه می‌شود. کلشی سین از تشکیل فیبر دوک متافاز جلوگیری می‌کند. در نتیجه سلول‌ها نمی‌توانند در چرخه سلولی پیشرفت کنند. به این ترتیب، کروموزوم‌های متافازی به صورت جدا از هم بدست خواهیم آورد.

• تیمار هیپوتونیک

کروموزوم‌ها در داخل هسته سلول به صورت بسیار فشرده قرار گرفته‌اند. برای مطالعه آن باید آنها را از سلول‌ها جدا کنیم. برای انجام این کار، از تیمار هیپوتونیک استفاده می‌شود. این فرآیند سلول‌ها را متورم می‌کند. به این صورت، وقتی سوسپانسیون سلولی را روی اسلاید قرار می‌دهیم، سلول به راحتی می‌ترکد و کروموزوم‌ها از هم جدا می‌شوند. KCl برای درمان هیپوتونیک استفاده می شود.

• برداشت سلولی

برداشت سلولی روشی است که در آن همه بقایای سلولی به جز کروموزوم‌ها را می‌توان از سوسپانسیون حذف کرد. این مرحله مستعد آلودگی نیست، بنابراین می‌تواند در فضای آزمایشگاهی معمولی انجام شود. از متانول و اسید استیک یخچالی برای برداشت سلولی استفاده می‌شود. شستشوی مکرر فیکساتور و سانتریفیوژ به دستیابی به خلوص عالی کمک می‌کند.

3. رنگ‌آمیزی و مشاهده

پس از کشت، سلول‌ها باید تحت رنگ‌آمیزی خاص قرار گیرند. این رنگ‌آمیزی به متخصصان اجازه می‌دهد تا کروموزوم‌ها را به‌طور واضح‌تری مشاهده کنند. روش‌های رنگ‌آمیزی متنوعی وجود دارد، مانند روش‌های G-banding که در آن کروموزوم‌ها به‌گونه‌ای رنگ‌آمیزی می‌شوند که بتوان نوارهای خاصی را روی آن‌ها مشاهده کرد. این نوارها نشان‌دهنده ساختار دقیق کروموزوم‌ها و هر گونه تغییرات آن‌ها هستند.

4. تهیه میکروفتوگراف از کروموزوم‌ها و تجزیه و تحلیل

در نهایت، متخصصان ژنتیک باید کروموزوم‌ها را در زیر میکروسکوپ با دقت بررسی کنند. با توجه به رنگ‌آمیزی‌های انجام شده، آن‌ها به تجزیه و تحلیل دقیق کروموزوم‌ها می‌پردازند. بررسی آن‌ها می‌تواند به شناسایی تعداد کروموزوم‌ها، اندازه و ساختار آن‌ها کمک کند و تغییرات خاص مانند افزوده شدن یا کم شدن کروموزوم‌ها، جابه‌جایی‌ها و غیره را شناسایی کند.

سازمان دهی مجموعه کروموزوم‌ها در کاریوگرام

پس از رنگ‌آمیزی، کروموزوم‌ها با استفاده از میکروسکوپ عکس‌برداری می‌شوند. این تصاویر به صورت دیجیتال ذخیره می‌شوند. تصاویر به دست آمده بریده می‌شوند و کروموزوم‌ها براساس اندازه، شکل و الگوی نواری جفت می‌شوند.

پس از جفت کردن، کروموزوم‌ها به ترتیب اندازه و شکل مرتب می‌شوند (از بزرگ‌ترین به کوچک‌ترین) تا به یک پیکربندی نهایی نزدیک شویم که آن را کاریوگرام می‌نامیم.

معاینه بصری کروموزوم‌هایی که توسط کاریوگرام ممکن می‌شود می‌تواند ناهنجاری‌ها یا تغییرات در تعداد یا شکل کروموزومی را شناسایی کند.

با کروموزوم های جنسی (XX یا XY) در انتها، کاریوگرام انسان معمولاً از 23 جفت کروموزوم تشکیل شده است که به ترتیب اندازه از بزرگ‌ترین به کوچک‌ترین مرتب شده اند.

کاربردهای کاریوتایپ

تست کاریوتایپ به‌ویژه در زمینه‌های پزشکی و ژنتیکی کاربردهای گسترده‌ای دارد که در ادامه به برخی از آن‌ها اشاره می‌شود:

ناهنجاری‌های کروموزومی

برای شناسایی ناهنجاری‌های کروموزومی که منجر به بیماری‌های ژنتیکی می‌شوند، کاریوتایپ روش مهمی در ژنتیک پزشکی به شمار می‌آید. کاریوتایپ می‌تواند ناهنجاری‌های عددی مانند تریزومی 21 که باعث سندرم داون می‌شود یا مونوزومی X که باعث سندرم ترنر می‌شود را شناسایی کند.

ناهنجاری‌های ساختاری کروموزوم‌ها، مانند جابه‌جایی‌ها، وارونگی‌ها یا حذف‌ها که ممکن است منجر به بیماری‌هایی مانند لوسمی، لنفوم یا دیستروفی عضلانی شوند، نیز با کاریوتایپ قابل تشخیص است.

ارزیابی سلامت جنین

به منظور یافتن ناهنجاری‌های کروموزومی در جنین در حال رشد، زمانی که نمونه‌ای از مایع آمنیوتیک یا پرزهای کوریونی بررسی می‌شود، کاریوتایپ در تشخیص قبل از تولد نیز به کار می‌رود.

تعیین جنسیت

کاریوتایپ همچنین برای طبقه بندی جنسیت افراد استفاده می شود. مردان دارای یک کروموزوم X و Y هستند، در حالی که زنان دارای دو کروموزوم X هستند که کروموزوم‌های جنسی در انسان هستند. با تعیین اینکه آیا کروموزوم Y وجود دارد یا نه، می‌توان از کاریوتایپ برای تعیین جنسیت افراد استفاده کرد.

مشاوره ژنتیکی

افرادی که دارای سابقه خانوادگی از بیماری‌های ژنتیکی هستند، می‌توانند از مشاوره ژنتیکی برای ارزیابی خطرات احتمالی بیماری‌ها در فرزندان خود استفاده کنند. تست کاریوتایپ یکی از ابزارهای اصلی در مشاوره ژنتیکی است که می‌تواند به تشخیص دقیق‌تر این خطرات کمک کند.

زیست شناسی تکاملی

در زیست‌شناسی تکاملی، کاریوتایپ به عنوان ابزاری برای بررسی ارتباط بین گونه‌های مختلف استفاده می‌شود و با مقایسه‌ی آن‌ها، دانشمندان می‌توانند تاریخچه‌ی تکامل و نقاط واگرایی گونه‌ها را تعیین کنند. به عنوان مثال، انسان‌ها دارای 23 جفت کروموزوم هستند، در حالی که شامپانزه‌ها 24 جفت کروموزوم دارند. این تفاوت ناشی از ادغام دو کروموزوم در اجداد مشترک انسان و شامپانزه‌هاست که پس از جدایی حدود 5 تا 7 میلیون سال پیش، رخ داده است. بررسی کاریوتایپ‌ها نه تنها به شناسایی ناهنجاری‌های ژنتیکی کمک می‌کند، بلکه درک عمیق‌تری از فرآیندهای تکاملی و سازگاری گونه‌ها را نیز فراهم می‌آورد، زیرا اندازه و شکل کروموزوم‌ها می‌تواند اطلاعات ارزشمندی درباره روابط تکاملی و اجداد مشترک گونه‌ها ارائه دهد.

در چه مواردی از تست کاریوتایپ استفاده می‌شود؟

آزمایش کاریوتایپ برای بزرگسالان و جنین‌ها در شرایط مختلفی الزامی است:

1. مشکلات بارداری
   بزرگسالان ممکن است به این آزمایش نیاز داشته باشند اگر با مشکلاتی در باردار شدن مواجه هستند. به طور کلی، نازایی به دلیل اختلالات ژنتیکی در مردان یا زنان به وجود می‌آید.
2. سرطان یا اختلالات خونی

اگر فرد دچار سرطان یا برخی اختلالات خونی مانند کم‌خونی، لوسمی، لنفوم یا مایلوما (مولتیپل میلوما) باشد، انجام آزمایش کاریوتایپ می‌تواند مفید باشد. این آزمایش می‌تواند ناهنجاری‌های کروموزومی را شناسایی کند که به تعیین رویکرد درمانی کمک می‌کند.

3. سابقه خانوادگی
   افرادی که سابقه خانوادگی بیماری‌های ژنتیکی خاص دارند، می‌توانند از تجزیه و تحلیل کروموزوم بهره‌مند شوند. این آزمایش می‌تواند مشخص کند که آیا کروموزوم‌های غیرطبیعی دارند و شانس انتقال این ناهنجاری‌ها به فرزندان چقدر است.
4. ریسک در جنین:
   جنین‌های در حال رشد ممکن است برای شناسایی اختلالات ژنتیکی به آزمایش کاریوتایپ نیاز داشته باشند، به خصوص در شرایط زیر:
   • والدینی که در زمان بارداری بالای 35 سال دارند.
   • والدین مبتلا به اختلالات ژنتیکی یا با سابقه خانوادگی این اختلالات.
   • در صورتی که جنین در اواخر بارداری یا در حین تولد فوت کند، این آزمایش می‌تواند تعیین کند که آیا اختلال ژنتیکی علت مرگ بوده است یا خیر.
5. نوزادان و کودکان خردسال:
   در صورتی که نوزادان یا کودکان خردسال علائم اختلال ژنتیکی نشان دهند، انجام تجزیه و تحلیل کروموزوم می‌تواند ضروری باشد، زیرا اختلالات ژنتیکی متعدد با علائم متفاوتی بروز می‌کنند.

پیشرفت‌های اخیر در کاریوتایپ

تحولات اخیر در ژنتیک مولکولی و ژنومیک به طور قابل توجهی دامنه و وضوح کاریوتایپینگ را افزایش داده است.

تکنیک FISH

در روش هیبریداسیون فلورسانس در محل  (FISH) با استفاده از پروب‌های فلورسنت، توالی‌های DNA خاصی هدف قرار می‌گیرند و آنها را روی کروموزوم ها قابل مشاهده می‌کند. FISH نسبت به کاریوتایپ سنتی حساسیت بهتری نسبت به ناهنجاری‌ها دارد و می‌تواند حذف یا تکرارهای جزئی را که باندها از دست می‌دهند، تشخیص دهد.

تکنیک CGH

روش دیگری که از ریزآرایه‌ها برای مقایسه محتوای DNA دو نمونه مانند سلول‌های سالم و سرطانی استفاده می‌کند، هیبریداسیون مقایسه ای ژنومی (CGH) است. با شناسایی تغییرات تعداد کپی (CNVs) که در کاریوتایپینگ ممکن است قابل تشخیص نباشد، CGH می‌تواند چشم‌انداز وسیعی از تغییرات ژنتیکی را ارائه دهد.

توالی یابی کل ژنوم

توالی کل ژنوم (WGS) یک فناوری قدرتمند است که امکان مشاهده کامل و دقیق ژنوم یک فرد را فراهم می کند. WGS می تواند جهش های نقطه‌ای، تغییرات ساختاری و تغییرات ژنتیکی مختلفی را با وضوح بالاتر از کاریوتایپ یا ‌FISH تشخیص دهد. با این حال، WGS در حال حاضر گرانتر و وقت گیر‌تر از سایر روش‌ها است و تفسیر نتایج آن می تواند چالش برانگیز باشد.

کاریوتیپ از سلول‌های میتوتیک

کاریوتایپینگ شامل تجزیه و تحلیل تعداد، ترکیب و ترتیب کروموزوم‌ها در یک سلول است. این روش به طور معمول با استفاده از سلولهای میتوزی که به طور فعال تقسیم می‌شوند، انجام می‌گیرد. برای تهیه کاریوتایپ ، ابتدا سلول‌ها با یک ماده شیمیایی تحت تیمار قرار می‌گیرند تا آنها را در  متافاز، جایی که کروموزوم ها متراکم و قابل مشاهده هستند، متوقف کنند. سلولها سپس با رنگ مانند Giemsa رنگ آمیزی می‌شوند که ترجیحاً به مناطق غنی AT متصل می‌شوند و یک الگوی باند مشخصه ایجاد می‌کنند. مستلزم بررسی کمیت، ترکیب و آرایش کروموزوم ها در یک سلول است.

الگوهای نواری و ساختار کروموزوم

الگوی باند روی کروموزوم‌ها نشان دهنده موقعیت سانترومرها ، تلومرها و سایر ویژگی‌های ساختاری است. هر کروموزوم یک الگوی باند منحصر به فرد را نشان می‌دهد که تشخیص و جداسازی آنها از یکدیگر را ممکن می‌سازد. الگوی نواری از نوارها، زیر باندها و بین باندهایی تشکیل شده است که از رنگ آمیزی افتراقی چندین ناحیه کروموزومی تشکیل می شوند. G-banding، R-banding، C-banding و Q-banding نمونه هایی از الگوهای مختلف نواربندی هستند که ممکن است با روش های رنگ آمیزی تولید شوند.

محدودیت‌های کاریوتایپینگ

برای یافتن ناهنجاری های کروموزومی، کاریوتایپ محدودیت های قابل توجهی دارد.

• تنها بخش کوچکی از ژنوم، یا تعداد یا شکل کروموزوم‌های قابل مشاهده در طول متافاز، ممکن است توسط این آزمایش تشخیص داده شود.
• قادر به یافتن ناهنجاری‌هایی مانند تغییرات اپی ژنتیک یا جهش‌هایی نیست که بر نحوه بیان ژن‌ها تأثیر می‌گذارند.
• کاریوتایپینگ همچنین به سلول‌های کافی برای آنالیز نیاز دارد که در برخی شرایط، تهیه آن‌ها ممکن نیست، مانند استفاده از جنین‌های اولیه یا بافت‌های جنینی.
• محدودیت‌های کاریوتایپینگ در شناسایی جنسیت فرد نیز قابل توجه است. فقط می‌تواند تشخیص دهد که کروموزوم Y وجود دارد یا نه که همیشه قطعی نیست. به ندرت، افراد با اندام تناسلی مبهم یا تفاوت در ساختار کروموزوم‌های جنسی را می‌توان تنها با استفاده از کاریوتایپ شناسایی کرد.
• هنگام بررسی پیوندهای تکاملی بین گونه‌ها، اشکالات متعددی برای کاریوتایپ وجود دارد که شامل عدم وضوح باندهای کروموزومی و عدم توانایی در توضیح تکامل همگرا و موازی است.

در نتیجه، در حالی که کاریوتایپ برای درک ترکیب کروموزومی و ناهنجاری ها بسیار ارزشمند است ، محدودیت‌های آن در وضوح و عدم توانایی آن در ضبط روابط تکاملی پیچیده مانع اثربخشی آن در تجزیه و تحلیل پیوندهای تکاملی است.

جمع بندی

کاریوتایپ ابزاری حیاتی در زیست‌شناسی تکاملی و ژنتیک پزشکی به شمار می‌آید. این تکنیک مشاهده و مطالعه کروموزوم‌های یک فرد یا یک گونه را امکان‌پذیر می‌سازد. برای بیش از 50 سال، از آن برای شناسایی ناهنجاری‌های کروموزومی، تعیین جنسیت یک فرد و بررسی پیوندهای تکاملی استفاده شده است. زمانی که نوبت به شناسایی جنسیت افرادی می شود که دستگاه تناسلی مبهم یا تفاوت هایی در ساختار کروموزوم جنسی دارند، کاریوتایپ محدودیت‌های خاصی دارد. کاریوتایپ، همچنین در تشخیص تغییرات ژنتیکی که کروموزوم‌های قابل مشاهده در طول متافاز را تحت تأثیر قرار نمی‌دهند، محدودیت‌هایی دارد.

اگرچه دقت و وسعت کاریوتایپینگ به لطف پیشرفت‌های اخیر در ژنتیک مولکولی و ژنومیک افزایش یافته است، اما این پیشرفت‌ها موانع جدیدی برای تفسیر و کاربرد نتایج ایجاد می‌کنند. به طور کلی، کاریوتایپ همچنان یک روش مفید و سازگار برای شناسایی علل ژنتیکی مرتبط با سلامت و بیماری است. کاریوتایپ می‌تواند ناهنجاری‌های کروموزومی مرتبط با بیماری‌های ارثی و مشکلات تولد را شناسایی کند و همین امر، آن را به یک تکنیک مفید در ژنتیک پزشکی تبدیل کرده است. تشخیص زودهنگام این مشکلات به پزشکان اجازه می دهد تا بهتر از بیماران آسیب دیده مراقبت کرده و آن‌ها را درمان کنند.

منبع: britannica‌ ،geneticeducation