核型

核型とは、種または個々の生物の細胞内の染色体一式全体の外観であり、主に染色体の大きさ、数、形状が含まれます。 [ 1 ] [ 2 ]核型分析は、染色体数や異常など、個体の染色体全体を決定して核型を識別するプロセスです。

ギムザ染色を用いた男性の顕微鏡的核型図
核型を読むために必要な基礎知識を示す模式図

核型図またはイディオグラムは、核型の図式的表現であり、染色体は一般に対になって配列され、同じサイズの染色体については、サイズとセントロメアの位置によって順序付けられます。核型分析では、一般に、細胞周期の中期における光学顕微鏡検査と写真撮影が組み合わされ、顕微鏡写真（または単に顕微鏡写真）核型図が得られます。対照的に、模式的核型図は、核型の図式的表現です。模式的核型図では、通常、簡潔にするために各染色体の姉妹染色分体のうちの 1 つだけが表示され、実際には姉妹染色分体は非常に接近しているため、解像度が十分に高くない限り、顕微鏡写真でも 1 つに見えます。染色体セット全体の研究は、核型学と呼ばれることもあります。

核型は、生物の染色体数と、光学顕微鏡下での染色体の外観を示すものです。染色体の長さ、セントロメアの位置、染色体の縞模様、性染色体間の差異、その他の物理的特徴に注目します。 [ 3 ]核型の作成と研究は細胞遺伝学の一部です。

個体または種の体細胞における染色体の基本数は体細胞数と呼ばれ、 2nで表されます。生殖細胞（性細胞）における染色体数はnです（ヒト：n = 23）。[ 4 ] [ 5 ] p28したがって、ヒトでは2n = 46となります。

したがって、通常の二倍体生物では、常染色体は2つのコピーで存在します。性染色体が存在する場合と存在しない場合があります。倍数体細胞は染色体の複数のコピーを持ち、半数体細胞は1つのコピーを持ちます。

核型は、染色体異常、細胞機能、分類学的関係、医学の研究、過去の進化に関する情報の収集（核体系学）など、多くの目的に利用できます。 [ 6 ]

核型に関する観察

有糸分裂の様々な段階にある染色体。核型図は通常、前中期または中期にある染色体によって作成されます。これらの段階では、画像解像度が十分に高くない限り、各染色体の2つのコピー（セントロメアで連結）は1つのコピーのように見えます。
処理前のヒト染色体の顕微鏡写真。ギムザ染色により染色体は紫色に染まるが、データの提示を容易にし、異なる研究室で得られた結果を比較するために、顕微鏡写真はグレースケールに変換されることが多い。 [ 7 ]

染色

核型の研究は染色によって可能になる。通常、ギムザ染色などの適切な染料[ 8 ]は、細胞が最も凝縮されている中期または前中期に、コルヒチン溶液によって細胞分裂を停止させた後に使用される。ギムザ染色が正しく付着する ためには、すべての染色体タンパク質を消化して除去する必要がある。ヒトの場合、白血球は組織培養で分裂と増殖が容易に誘導されるため、最も頻繁に使用される。[ 9 ]分裂していない（間期）細胞を観察することもある。間期細胞の観察によって胎児の性別を予測することができる（羊水穿刺とバー小体を参照）。

観察

核型の6つの異なる特徴が通常観察され比較される：[ 10 ]

  1. 染色体の絶対的な大きさの違い。染色体の絶対的な大きさは、同じ科の属間で最大20倍も異なる場合があります。例えば、マメ科植物のLotus tenuis（ハス）とVicia faba（ソラマメ）はそれぞれ6対の染色体を持ちますが、V. fabaの染色体は数倍の大きさです。これらの違いは、DNAの重複量の違いを反映していると考えられます。
  2. セントロメアの位置の違い。これらの違いはおそらく転座によって生じたものと考えられる。
  3. 染色体の相対的な大きさの違い。これらの違いは、おそらく不等長の染色体部分同士の交換によって生じたものと考えられる。
  4. 染色体の基本数の違い。これらの違いは、染色体から必須の遺伝物質をすべて除去する不均等な転座が連続的に起こり、生物にペナルティを与えることなく染色体の喪失を許容したこと（転座仮説）や、染色体融合によって生じた可能性があります。ヒトは類人猿よりも染色体数が1対少ないです。ヒトの2番染色体は、祖先の2本の染色体が融合して生じたと考えられており、元の2本の染色体の遺伝子の多くが他の染色体に転座しています。
  5. 衛星の数と位置の違い。 衛星とは、細い糸で染色体に付着している小さな物体です。
  6. GC含量の程度と分布の違い（グアニン-シトシン対とアデニン-チミン）。核型が通常研究されるメタフェーズでは、すべてのDNAが凝縮されているが、ほとんどの場合、GC含量の高いDNAは凝縮度が低く、ヘテロクロマチンではなくユークロマチンとして現れる傾向がある。GCに富むDNAは、より多くのコーディングDNAを含み、より転写活性が高い傾向がある。[ 11 ] GCに富むDNAはギムザ染色で染色性が薄くなる。[ 12 ]ユークロマチン領域は、より多くのグアニン-シトシン対を含む（つまり、GC含量が高い）。ギムザ染色を用いた染色法はGバンド染色と呼ばれ、典型的な「Gバンド」を生成する。[ 12 ]

したがって、核型の完全な説明には、染色体の数、種類、形状、バンド、およびその他の細胞遺伝学的情報が含まれる場合があります。

次のようなバリエーションがよく見られます:

  1. 男女間では、
  2. 生殖細胞と体細胞の間（配偶子と体の残りの部分の間）、
  3. 集団のメンバー間（染色体多型）、
  4. 地理的な専門分野において、そして
  5. モザイクやその他の異常な個人において。[ 13 ]

ヒト核型

ヒト男性の顕微鏡的核型像。詳細は本文を参照。
ヒトの核型模式図。低倍率でもヒトゲノムの概要が分かりやすく、番号付き染色体対、細胞周期における主要な変化（中央上）、ミトコンドリアゲノム（左下）が示されています。詳細は本文をご覧ください。

このセクションに示す顕微鏡写真と模式図の両方の核型は標準的な染色体配置を示しており、トリプシン処理（染色体を部分的に消化）後、ギムザ染色で染色した染色体におけるGバンド染色で見られるように、暗い領域と明るい領域が示されています。暗い領域と比較して、明るい領域は一般的に転写活性が高く、コードDNAと非コードDNAの比率が高く、GC含量も高くなります。[ 11 ]

顕微鏡的核型図と模式図はどちらも、正常なヒト二倍体核型を示している。これは人体の正常な細胞内のゲノムの典型的な構成であり、22対の常染色体と1対の性染色体（アロソーム）を含む。ヒトにおける二倍体性の主な例外は配偶子（精子と卵子）であり、これらは23本の不対染色体を持つ一倍体であるが、この倍数性はこれらの核型図には示されていない。顕微鏡的核型図はグレースケールに変換されているが、模式図ではギムザ染色で典型的に見られる紫色が示されている（これはDNAを紫色に染めるアズールB成分によるものである）。[ 14 ]

このセクションの模式的核型図は、理想的な核型をグラフィカルに表現したものです。各染色体対について、左側の目盛りは百万塩基対単位での長さを示し、右側の目盛りはバンドとサブバンドの名称を示しています。これらのバンドとサブバンドは、国際ヒト細胞ゲノム命名法（ISHN）において染色体異常の位置を示すために用いられています。各染色体列は、セントロメアレベルで垂直に並んでいます。

ヒト染色体群

核型の特徴、すなわち大きさ、セントロメアの位置、そして時には染色体衛星（二次狭窄部より遠位のセグメント）の存在に基づいて、ヒト染色体は以下のグループに分類されます。[ 15 ]

グループ 染色体 特徴
あ1～3 大型、メタセントリック型、または亜メタセントリック型
B4-5 大型、亜中心
C6～12、X 中型、亜中心
D13～15歳 中型、先端中心型、衛星付き
E16～18歳 小型、メタセントリック型、または亜メタセントリック型
F19～20 非常に小さく、メタセントリック
G21～22歳 非常に小さく、先端中心型（衛星ありで21、22 ）

あるいは、ヒトゲノムは、対合、性差、細胞核内とミトコンドリア内の位置に基づいて、次のように分類できます。

  • 22対の相同常染色体（1番染色体から22番染色体）があります。相同とは、同じ遺伝子座に同じ遺伝子を持つという意味で、常染色体とは、性染色体ではないという意味です。
  • 2つの性染色体（模式的核型図の右下にある緑色の四角形で、隣接する典型的な表現型のシルエットが描かれている）：女性の最も一般的な核型は2つのX染色体を含み、46,XXと表記される。男性は通常、X染色体とY染色体の両方を持ち、46,XYと表記される。しかし、ヒトの約0.018%はインターセックスであり、これは性染色体の変異に起因する場合がある。[ 16 ]
  • ヒトミトコンドリアゲノム（模式的核型図の左下に、塩基対数で核DNAと比較したスケールで示されています）は、臨床現場での顕微鏡核型図には含まれていません。ミトコンドリアゲノムは、他のゲノムと比較して比較的小さいです。

コピー番号

細胞周期

模式的核型図は通常、細胞状態のG 0期（複製細胞周期の外側）に対応する DNA コピー数を表示します。これは最も一般的な細胞状態です。このセクションの模式的核型図もこの状態を示しています。この状態では（細胞周期のG 1期中も同様に）、各細胞は各種類の常染色体（2n で示す）を 2 本ずつ持ち、各染色体は各遺伝子座のコピーを 1 つずつ持つため、遺伝子座ごとに合計コピー数は 2 になります（2c）。模式的核型図の上部中央には、細胞周期のS 期（S と表記）で起こるDNA 合成後の 3 番染色体ペアも示されています。この期間には、 G 2期と中期（「Meta」と表記）が含まれます。この間、2nはまだ存在しますが、各染色体は各遺伝子座の2つのコピーを持ち、各姉妹染色分体（染色体腕）はセントロメアで連結され、合計4cになります。[ 17 ]顕微鏡的核型図上の染色体もこの状態にあります。これは、染色体は通常、中期に顕微鏡撮影されるためですが、この段階では各染色体の2つのコピーが互いに非常に近いため、画像解像度がそれらを区別できるほど高くない限り、1つのコピーとして表示されます。実際には、G0期とG1期では、核DNAはクロマチンとして分散しており、顕微鏡写真でも視覚的に区別できる染色体は表示されません。

ヒト細胞あたりのミトコンドリアゲノムのコピー数は、主に細胞あたりのミトコンドリアの数に応じて、0（赤血球）[ 18 ]から1,500,000（卵母細胞）まで変化します。 [ 19 ]

核型の多様性と進化

真核生物ではDNAの複製と転写は高度に標準化されているものの、核型については必ずしもそうとは言えず、非常に多様性に富んでいます。同じ高分子から構成されているにもかかわらず、種によって染色体数や詳細な構成に違いが見られます。この多様性は、進化細胞学における様々な研究の基礎となっています。

場合によっては、種内でも顕著な変異が見られます。ゴッドフリーとマスターズはレビューの中で次のように結論付けています。

我々の見解では、いずれかのプロセスが独立して、観察される広範囲の核型構造を説明できる可能性は低い...しかし、他の系統発生データと組み合わせて核型分裂を使用すると、これまで説明できなかった近縁種間の二倍体数の劇的な違いを説明するのに役立つ可能性があります。[ 20 ]

核型については記述レベルで多くのことがわかっており、核型構成の変化が多くの種の進化の過程に影響を及ぼしてきたことは明らかですが、一般的な重要性が何であるかは全く不明です。

多くの注意深い調査にもかかわらず、核型の進化の原因についてはほとんど理解されていません...核型の進化の一般的な重要性は不明です。

— メイナード・スミス[ 21 ]

開発中の変更

通常の遺伝子抑制の代わりに、一部の生物はヘテロクロマチンの大規模な除去、または核型に対する他の種類の目に見える調整を行います。

  • 染色体の除去。多くのハエ科のハエのように、一部の種では、発生の過程で染色体全体が除去される。[ 22 ]
  • クロマチン減少（創始者：テオドール・ボヴェリ）。この過程は、カイアシ類や回虫（Ascaris suum）などの線虫に見られ、特定の細胞において染色体の一部が除去される。この過程は綿密に計画されたゲノム再編成であり、新たなテロメアが構築され、特定のヘテロクロマチン領域が失われる。[ 23 ] [ 24 ] A. suumでは、すべての体細胞前駆細胞でクロマチン減少が認められる。[ 25 ]
  • X染色体不活化。哺乳類の初期発生過程において、X染色体1本の不活化が起こる（バー小体と遺伝子量補償を参照）。胎盤を持つ哺乳類では、不活化は2本のX染色体の間でランダムに起こる。そのため、哺乳類の雌はX染色体に関してモザイク状態にある。有袋類では常に父方のX染色体が不活化される。ヒトの女性では、体細胞の約15%が不活化を免れるが[ 26 ]、不活化されたX染色体上で影響を受ける遺伝子の数は細胞によって異なる。線維芽細胞では、バー小体上の遺伝子の最大約25%が不活化を免れる[ 27 ] 。

セット内の染色体の数

近縁種間の変異性を示す顕著な例として、カート・ベニルシュケとドリス・ワースターが調査したホエジカが挙げられます。中国ホエジカ（Muntiacus reevesi）の二倍体数は46で、すべて末端動原体であることが分かりました。近縁種のインドホエジカ（Muntiacus muntjak）の核型を調べたところ、メスが6本、オスが7本の染色体を持つことが分かり、驚愕しました。[ 28 ]

彼らは、自分たちが見たものがまったく信じられませんでした...組織培養に何か問題があると考え、2、3年間沈黙していました...しかし、さらにいくつかの標本を入手したとき、彼らは[自分たちの発見]を確認しました。

— 徐 p.73-4 [ 29 ]

（比較的）無関係な種の間での核型の染色体数は、非常に多様です。最低記録は、半数体n = 1の線虫Parascaris univalensとアリMyrmecia pilosulaです。[ 30 ]最高記録はシダ類で、平均1262染色体を持つヨーロッパヘビクイムシダOphioglossumです。 [ 31 ]動物で最高記録は、372染色体のチョウザメAcipenser brevirostrumでしょう。[ 32 ]過剰染色体またはB染色体の存在は、1つの交配個体群内であっても染色体数が異なる可能性があることを意味します。異数体も別の例ですが、この場合は個体群の正常なメンバーとは見なされません。

基本数

核型の基本数FNは、染色体セットあたりの目に見える主要な染色体腕の数です。[ 33 ] [ 34 ]したがって、 FN ≤ 2 × 2n であり、その差は存在する単腕（アクロセントリックまたはテロセントリック）と見なされる染色体数によって異なります。ヒトは、 5つのアクロセントリック染色体対（ 13、14、15、21、22 ）が存在するため、FN = 82 です（ヒトのY 染色体もアクロセントリックです）。 核型の基本常染色体数または常染色体基本数FNa [ 36 ]またはAN [ 37 ]は、常染色体（性染色体ではない伴性染色体）セットあたりの目に見える主要な染色体腕の数です。

倍数性

倍数性とは、細胞内の染色体の完全なセットの数です。

  • 倍数性は、細胞内に相同染色体が2組以上存在する状態であり、主に植物に見られる。ステビンズによれば、倍数性は植物の進化において大きな意義を持っている。[ 38 ] [ 39 ] [ 40 ] [ 41 ]ステビンズによれば、顕花植物における倍数性の割合は30～35%と推定されているが、イネ科植物では平均がはるかに高く、約70%である。[ 42 ]下等植物（シダ、スギナ、オオシロ植物）における倍数性も一般的であり、シダ類の中には顕花植物で知られている最高レベルをはるかに上回る倍数性レベルに達しているものもある。動物における倍数性ははるかに少ないが、いくつかのグループでは重要であった。[ 43 ]

    関連種の倍数体シリーズのうち、完全に単一の基本数の倍数から構成されるものは、正倍数体として知られています。

  • 半二倍体とは、一方の性別が二倍体で、もう一方の性別が半数体である状態のことです。これは膜翅目昆虫や他のいくつかのグループによく見られる配列です。
  • 内倍数性は、成体の分化組織において細胞が有糸分裂を停止しているものの、核に元々の体細胞数よりも多くの染色体が含まれる場合に発生します。[ 44 ]エンドサイクル（内有糸分裂または核内倍加）では、「休止」状態の核内の染色体が倍加し、娘染色体が無傷の核膜内で互いに分離します。[ 45 ]

    多くの場合、内倍数体の核には数万本の染色体（正確に数えることはできません）が含まれます。細胞には必ずしも正確な倍数（2の累乗）が含まれているわけではありません。そのため、「細胞分裂を伴わない複製によって染色体セット数が増加する」という単純な定義は必ずしも正確ではありません。

    このプロセス（特に昆虫やトウモロコシなどの高等植物で研究されている）は、生合成が非常に活発な組織の生産性を高めるための発達戦略である可能性がある。[ 46 ]

    この現象は原生動物からヒトに至るまで真核生物界全体に散発的に発生しており、多様かつ複雑で、分化と形態形成に様々な形で関与している。[ 47 ]

異数性

異数性とは、細胞内の染色体数がその種の典型的な数と異なる状態です。これにより、染色体の過剰または1本以上の染色体の喪失といった染色体異常が生じます。染色体数の異常は通常、発達に欠陥を引き起こします。ダウン症候群やターナー症候群などがその例です。

異数性は近縁種のグループ内でも発生することがある。植物における典型的な例としては、配偶子数（＝半数体数）がx = 3、4、5、6、7の系列を形成するクレピス属や、x = 3からx = 15までの各数が少なくとも1つの種によって代表されるクロッカスが挙げられる。様々な証拠から、進化の傾向はグループによって異なる方向に進んでいることがわかる。 [ 48 ]霊長類では、類人猿は24x2の染色体を持つのに対し、ヒトは23x2である。ヒトの2番染色体は祖先の染色体が融合して形成され、その数が減少した。[ 49 ]

染色体多型

いくつかの種は、異なる染色体構造形態について多型性を示す。 [ 50 ]構造変異は、異なる個体における染色体数の違いと関連している可能性があり、テントウムシのChilocorus stigma、Ameles属の一部のカマキリ類、[ 51 ]ヨーロッパトガリネズミのSorex araneusで見られる。[ 52 ]ブルターニュ海岸に生息する軟体動物のThais lapillus（イヌツブ貝）の事例から、2つの染色体形態が異なる生息地に適応しているという証拠が得られる。[ 53 ]

種の樹形図

多糸染色体を持つ昆虫の染色体バンドを詳細に研究することで、近縁種間の関係を明らかにすることができます。その典型的な例は、ハンプトン L. カーソンによるハワイのショウジョウバエの染色体バンドの研究です。

ハワイ諸島の約6,500平方マイル（17,000 km 2）の地域には、世界で最も多様なショウジョウバエ類が生息しており、熱帯雨林から亜高山帯の草原まで広く生息しています。ハワイ諸島に生息する約800種のショウジョウバエは、通常、ショウジョウバエ科のDrosophila属とScaptomyza属の2つの属に分類されます。

ハワイ産ショウジョウバエ類の中で最も研究が進んでいる「ピクチャーウィング」群の多糸帯状構造は、ゲノム解析が実用化されるずっと前からカーソンが進化樹を解明することを可能にした。ある意味では、各染色体の帯状構造から遺伝子配列が見えると言える。染色体の再編成、特に逆位は、どの種が近縁であるかを判別することを可能にする。

結果は明白です。反転を樹形図（他の情報とは独立して）にプロットすると、古い島から新しい島への種の明確な「流れ」が示されます。古い島への遡上や、島を飛び越えるケースもありますが、これらははるかに少ないです。K -Ar年代測定を用いた現在の島々の年代は、40万年前（マウナケア）から1000万年前（ネッカー）までです。ハワイ諸島の中で海上に残っている最古の島はクレ環礁で、3000万年前と推定できます。ハワイ諸島自体は（太平洋プレートがホットスポット上を移動することによって形成され）、少なくとも白亜紀には、はるかに古くから存在していました。現在海面下にある以前の島々（ギヨ）は、天皇海山列を形成しています。[ 54 ]

ハワイに生息する在来のショウジョウバエおよびスカプトミザ属（Scaptomyza）の種はすべて、おそらく2000万年前に島々に定着した単一の祖先種から派生したと考えられています。その後の適応放散は、競争の欠如と多様なニッチによって促進されました。妊娠した雌1匹が島に定着することも考えられますが、同種の集団であった可能性が高いです。[ 55 ] [ 56 ] [ 57 ] [ 58 ]

ハワイ諸島には、それほど目立たないとしても、同様の適応放散を経験した他の動物や植物も存在します。[ 59 ] [ 60 ]

染色体バンド

染色体は、特定の染色剤で処理するとバンド状のパターンを示します。バンドとは、染色体の長さに沿って現れる、明暗が交互に現れる縞模様です。この独特なバンドパターンは、染色体の識別や、染色体の切断、欠失、重複、転座、逆位などの染色体異常の診断に用いられます。染色体処理方法によって、Gバンド、Rバンド、Cバンド、Qバンド、Tバンド、NORバンドといった様々なバンドパターンが生まれます。

核型の描写

バンディングの種類

細胞遺伝学では、染色体のさまざまな側面を視覚化するためにいくつかの技術が用いられます。[ 9 ]

  • Gバンド染色は、染色体をトリプシン消化した後、ギムザ染色で得られる。この染色法では、淡い染色と濃い染色のバンドが連続して得られる。濃い染色の領域は、ヘテロクロマチン、後期複製、ATに富む傾向がある。薄い染色の領域は、ユークロマチン、初期複製、GCに富む傾向がある。この方法では、正常なヒトゲノムでは通常300～400本のバンドが得られる。これは最も一般的な染色体バンド染色法である。[ 61 ]
  • RバンドはGバンドの逆です（Rは「逆」の略です）。暗い領域はユークロマチン（グアニンとシトシンに富む領域）で、明るい領域はヘテロクロマチン（チミンとアデニンに富む領域）です。
  • C-バンド染色：ギムザ染色は構成的ヘテロクロマチンに結合するため、セントロメアを染色します。この名称は、セントロメアまたは構成的ヘテロクロマチンに由来しています。染色前に標本をアルカリ変性させることで、DNAはほぼ完全に脱プリン化されます。プローブを洗浄した後、残ったDNAは再び変性され、メチレンアズール、メチレンバイオレット、メチレンブルー、エオシンからなるギムザ溶液で染色されます。ヘテロクロマチンは多くの色素を結合しますが、残りの染色体はほとんど吸収しません。C結合は、植物染色体の特性評価に特に適していることが証明されています。
  • Q バンドは、染色にキナクリンを用いて得られる蛍光パターンです。バンドのパターンは、G バンドで見られるものと非常によく似ています。強度の異なる黄色の蛍光によって認識できます。染色された DNA の大部分はヘテロクロマチンです。キナクリン (アテブリン) は AT と GC に富む領域の両方に結合しますが、蛍光を発するのは AT-キナクリン複合体のみです。AT に富む領域は、ユークロマチンよりもヘテロクロマチンに多いため、これらの領域が優先的に標識されます。単一バンドの強度の違いは、AT の含有量の違いを反映しています。DAPI や Hoechst 33258 などの他の蛍光色素も、特徴的で再現性のあるパターンを生み出します。それぞれが特定のパターンを生成します。言い換えれば、結合の特性と蛍光色素の特異性は、AT に富む領域への親和性だけに基づいているわけではありません。むしろ、AT の分布や、ヒストンなどの他の分子との AT の結合などが、蛍光色素の結合特性に影響を与えます。
  • T バンド:テロメアを視覚化します。
  • 銀染色：硝酸銀は核小体形成領域関連タンパク質を染色します。これにより、銀が沈着した暗い領域が得られ、NOR内のrRNA遺伝子の活性を示します。

古典的な核型細胞遺伝学

FISH法を用いてAlu配列を調べたヒト女性リンパ球の核型図

「典型的な」（図示されている）核型では、染色体上のバンドを染色するために、多くの場合ギムザ染色（Gバンド染色）が用いられますが、まれにメパクリン染色（キナクリン染色）が用いられます。ギムザ染色はDNAのリン酸基に特異的です。キナクリンはアデニンとチミンに富む領域に結合します。各染色体には特徴的なバンドパターンがあり、それが染色体の識別に役立ちます。ペアになっている染色体は両方とも同じバンドパターンを示します。

核型は、染色体の短腕を上に、長腕を下に配置する。核型によっては、短腕と長腕をそれぞれpとqと呼ぶこともある。さらに、染色体の近位から遠位に向かって、異なる染色領域とサブ領域に番号が付けられる。例えば、シャ症候群は5番染色体短腕の欠失を伴う。これは46,XX,5p-と表記される。この症候群の重要な領域はp15.2（染色体上の遺伝子座）の欠失であり、46,XX,del(5)(p15.2)と表記される。[ 62 ]

マルチカラーFISH（mFISH）とスペクトル核型（SKY法）

人間の女性のスペクトル核型

マルチカラーFISHおよびより古いスペクトル核型分析は、生物のすべての染色体ペアを異なる色で同時に視覚化するために使用される分子細胞遺伝学的手法です。各染色体の蛍光標識プローブは、染色体特異的 DNA を異なる蛍光色素で標識することによって作成されます。スペクトル的に異なる蛍光色素の数は限られているため、組み合わせ標識法を使用して多くの異なる色を生成します。蛍光色素の組み合わせは、最大 7 つの狭帯域蛍光フィルターを使用する蛍光顕微鏡によって、またはスペクトル核型分析の場合は蛍光顕微鏡に取り付けられた干渉計を使用して捕捉および分析されます。mFISH 画像の場合、結果として得られた元の画像のすべての蛍光色素の組み合わせは、専用の画像分析ソフトウェアで疑似カラーに置き換えられます。したがって、染色体または染色体セクションを視覚化して識別できるため、染色体再編成の分析が可能になります。[ 63 ] スペクトル核型解析の場合、画像処理ソフトウェアはスペクトルの異なる組み合わせごとに疑似カラーを割り当て、個別に色付けされた染色体を視覚化することができます。 [ 64 ]

スペクトルヒト核型

マルチカラー FISH は、ギムザ染色法やその他の技術では精度が十分でない場合に、癌細胞やその他の疾患における染色体の構造異常を特定するために使用されます。

デジタル核型解析

デジタル核型分析は、ゲノムスケールでDNAコピー数を定量化する技術である。ゲノム全体の特定の遺伝子座から短いDNA配列を単離し、数える。[ 65 ]この方法は仮想核型分析とも呼ばれる。この技術を用いることで、メタフェーズ染色体を用いた方法では検出できないヒトゲノムの小さな変化を検出することができる。一部の遺伝子座の欠失は癌の発生と関連していることが知られている。このような欠失は、癌の発生に関連する遺伝子座を用いたデジタル核型分析によって発見される。[ 66 ]

染色体異常

染色体異常には、染色体が余分または欠損している場合のような数値的な異常と、派生染色体、転座、逆位、大規模な欠失または重複のような構造的な異常があります。 異数性とも呼ばれる数値的異常は、配偶子の形成における減数分裂中の不分離の結果としてしばしば発生します。通常の 2 つのコピーの代わりに 3 つの染色体が存在するトリソミーは、一般的な数値的異常です。 構造的異常は、相同組み換えのエラーによってしばしば発生します。 どちらのタイプの異常も配偶子で発生する可能性があり、したがって罹患した人の体のすべての細胞に存在することになります。または、有糸分裂中に発生し、一部は正常細胞、一部は異常細胞を含む遺伝的モザイクの個人を生み出す可能性があります。

人間の場合

ヒトの疾患につながる染色体異常には、

いくつかの疾患は、1本の染色体の一部が失われることによって生じ、

核型研究の歴史

染色体は、1842年にカール・ヴィルヘルム・フォン・ネーゲリによって植物細胞で初めて観察されました。動物（サンショウウオ）細胞における染色体の挙動は、有糸分裂の発見者であるヴァルター・フレミングによって1882年に記述されました。染色体の名称は、別のドイツ人解剖学者ハインリヒ・フォン・ヴァルダイヤーによって1888年に造られました。これは、古代ギリシャ語のκάρυον karyon（「核」、「種子」、「核」）とτύπος typos（「一般形」）に 由来する新ラテン語です。

次の段階は、20世紀初頭の遺伝学の発展後に起こり、染色体（核型によって観察できる）が遺伝子の担い手であることが認識されました。体細胞染色体の表現型の外観と遺伝子の内容との対比によって定義される核型という用語は、レフ・ドローネー、セルゲイ・ナヴァシン、ニコライ・ヴァヴィロフと共に研究していたグリゴリー・レヴィツキーによって導入されました。[ 67 ] [ 68 ] [ 69 ] [ 70 ]この概念のその後の歴史は、 C.D.ダーリントン[ 71 ]とマイケル・J・D・ホワイト[ 4 ] [ 13 ]の研究によって辿ることができます。

人間の核型の調査は、最も基本的な疑問である「正常な二倍体の人間の細胞には染色体がいくつ含まれているか」を解決するのに何年もかかりました。 [ 72 ] 1912年に、ハンス・フォン・ヴィニヴァルターは精原細胞に47本、卵原細胞に48本の染色体があると報告し、XX/XOの性別決定機構があると結論付けました。[ 73 ] 1922年のペインターは、人間の二倍体が46か48か確信が持てず、最初は46を支持していましたが、[ 74 ] 46から48に意見を修正し、人間はXX/XYシステムを持っていると正しく主張しました。[ 75 ]当時の技術を考慮すると、これらの結果は注目に値します。

祖先染色体の融合により、テロメアの特徴的な残骸と痕跡セントロメアが残った。

アルバート・レヴァンの研究室で働いていたジョー・ヒン・ツィオ[ 76 ]は、当時利用可能な新しい技術を使用して、染色体の数が46であることを発見しました。

  1. 組織培養における細胞の利用
  2. 細胞を低張液で前処理し、細胞を膨張させて染色体を広げる
  3. コルヒチン溶液による中期の有糸分裂の停止
  4. スライド上で標本を押しつぶし、染色体を単一の平面に押し込む
  5. 顕微鏡写真を切り分け、その結果を議論の余地のない核型図にまとめます。

この研究は1955年に行われ、1956年に発表されました。ヒトの核型はわずか46本の染色体で構成されています。[ 77 ] [ 29 ]他の大型類人猿は48本の染色体を持っています。ヒトの2番染色体は、祖先類人猿の2本の染色体が端から端まで融合した結果であることが現在では分かっています。[ 78 ] [ 79 ]

参照

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