細胞遺伝学
FISH法を用いたBCR/ABL再構成陽性の中期細胞

細胞遺伝学は、本質的には遺伝学の一分野ですが、細胞生物学/細胞学（人体解剖学の下位分野）の一部でもあり、染色体が細胞の挙動、特に有糸分裂と減数分裂中の挙動にどのように関係しているかを研究しています。[ 1 ]使用される技術には、核型分析、 Gバンド染色体の分析、その他の細胞遺伝学的バンド技術、および蛍光in situハイブリダイゼーション（FISH）や比較ゲノムハイブリダイゼーション（CGH） などの分子細胞遺伝学があります。

歴史

始まり

染色体は、1842 年にカール・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 年に説明されました。この名前は、別のドイツの解剖学者であるフォン・ヴァルダイヤーによって 1888 年に造られました。

次の段階は、20世紀初頭の遺伝学の発展後に起こり、染色体のセット（核型）が遺伝子の運搬者であると認識されました。レビツキーは、体細胞染色体の表現型の外観として核型をその遺伝子内容と対比して定義した最初の人物のようです。[ 2 ] [ 3 ]人間の核型の研究は、最も基本的な疑問である「正常な二倍体ヒト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。 [ 4 ] 1912年、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の性別決定メカニズムを結論付けました。[ 5 ] 1922年、ペインターはヒトの二倍体数が46か48か確信が持てず、最初は46であると主張した。[ 6 ]彼は後に46から48に意見を改め、ヒトの性決定にはXX/XYシステムがあると正しく主張した。 [ 7 ]当時の技術を考えると、これらの結果は非常に注目に値する。科学書では、ヒトの染色体の数は30年以上48のままであった。この誤りを正すには新しい技術が必要だった。アルバート・レヴァンの研究室で働いていたジョー・ヒン・チオ[ 8 ] [ 9 ]が、このアプローチを発見した。

  1. 培養細胞の利用
  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. スライド上の標本を押しつぶし、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。

ヒトの核型が46本の染色体しか含まないことが一般的に認められるまでには1956年までかかりました。[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]類人猿は48本の染色体を持っています。ヒトの2番染色体は祖先の染色体の融合によって形成され、染色体の数は減少しました。[ 13 ]

細胞遺伝学の応用

マクリントックのトウモロコシに関する研究

バーバラ・マクリントックはトウモロコシの細胞遺伝学者としてキャリアをスタートしました。1931年、マクリントックとハリエット・クレイトンは、染色体の細胞学的組み換えが遺伝形質（遺伝子）の組み換えと相関していることを実証しました。マクリントックはカーネギー研究所に在籍中、トウモロコシにおける染色体切断と融合フレアのメカニズムに関する先行研究を継続しました。彼女はトウモロコシの第9染色体の同じ遺伝子座で常に発生する特定の染色体切断現象を特定し、それを「Ds」または「解離」遺伝子座と名付けました。[ 14 ]マクリントックは細胞遺伝学の研究を続け、トウモロコシの切断染色体と環状染色体のメカニズムと遺伝を研究しました。細胞遺伝学の研究中に、マクリントックはトランスポゾンを発見し、この発見は最終的に1983年のノーベル賞受賞につながりました。

ショウジョウバエの自然集団

1930年代、ドブジャンスキーとその同僚は、カリフォルニア州および近隣州の野生個体群からショウジョウバエ（Drosophila pseudoobscura）とショウジョウバエ（D. persimilis）を採集しました。彼らはペインター法[ 15 ]を用いて多糸染色体を研究し、野生個体群が染色体逆位に関して多型性を持つことを発見しました。どの逆位を有していても、すべてのショウジョウバエは似たような外観をしています。これは潜在的多型の一例です。

自然選択が原因であることを示す証拠が急速に蓄積された。レリティエとテイシエが発明した方法を用いて、ドブジャンスキーは個体群を個体群ケージで飼育した。これにより、逃亡を防ぎながら給餌、繁殖、サンプル採取が可能になった。この方法には、結果の考えられる説明として移動を排除するという利点があった。既知の初期頻度で逆位を含む個体群は、管理された条件下で維持することができる。様々な染色体タイプは、選択的に中立である場合のようにランダムに変動するのではなく、安定する特定の頻度に適応することが判明した。ドブジャンスキーが1951年に著書の第3版を出版する頃には[ 16 ]、ほとんどの多型と同様に、染色体型はヘテロ接合体の選択的優位性によって個体群内で維持されていると確信していた[ 17 ]。[ 18 ]

ユリとネズミ

ユリは染色体が大きく、減数分裂の各形態段階を顕微鏡で容易に識別できるため、減数分裂の細胞学的研究に適した生物である。Hotta、Chandleyら[ 19 ]は、乗換えが起こると推定される減数分裂の接合子期からパキテン期にかけて、ユリとげっ歯類の雄の減数分裂細胞において、DNAの切断と修復合成に共通のパターンが見られるという証拠を提示した。系統学的にユリとマウスほど遠い生物間に共通パターンが存在することから、著者らは、少なくとも高等真核生物における減数分裂乗換えの組織は、おそらく普遍的に分布していると結論付けた。

人間の異常性と医療への応用

慢性骨髄性白血病でみられるフィラデルフィア転座t(9;22)(q34;q11.2)。

染色体を簡単に数えることができる手法の登場により、異常な染色体や染色体数に関連する発見が急速に行われました。

体質細胞遺伝学：ダウン症候群などの一部の先天性疾患では、細胞遺伝学によって染色体異常の性質が「単純」トリソミーとして明らかになりました。不分離事象に起因する異常は、両親のどちらか一方または胎児に異数性（染色体全体の追加または欠失）の細胞を引き起こす可能性があります。1959年、ルジューン[ 20 ]はダウン症候群の患者が21番染色体を1本多く持っていることを発見しました。ダウン症候群は21トリソミーとも呼ばれます。

発見されている他の数値的異常には、性染色体異常があります。X染色体が1本しかない女性はターナー症候群ですが、X染色体がもう1本あって合計47本になる男性はクラインフェルター症候群です。XXX 、XYY 、XXXXなど、他の多くの性染色体の組み合わせは生児出産に適合します。哺乳類が性染色体の異数性を許容する能力は、それらを不活性化する能力に由来し、これは正常な女性では染色体が2つあることを補うために必要です。X染色体上のすべての遺伝子が不活性化されるわけではないため、余分なX染色体を持つ個人で表現型の影響が見られます。

トリソミー 13 はパトウ症候群と関連があり、トリソミー 18 はエドワーズ症候群と関連があります。

後天性細胞遺伝学：1960年、ピーター・ノーウェルとデビッド・ハンガーフォード[ 21 ]は、慢性骨髄性白血病（CML）患者の白血球中に小さな染色体を発見しました。この異常染色体は、両研究者がペンシルベニア州フィラデルフィアで研究を行っていたことから、フィラデルフィア染色体と名付けられました。13年後、より高度な技術の発達により、ジャネット・ロウリーは、この異常染色体が9番染色体と22番染色体の転座の結果であることを示しました。細胞遺伝学によるフィラデルフィア染色体の同定は、CMLの診断に有用です。現在、780以上の白血病と数百の固形腫瘍（肺、前立腺、腎臓など）が後天性染色体異常を特徴としており、その予後予測価値は極めて重要です。これらの染色体異常の同定は、非常に多くの「がん遺伝子」（またはオンコゲン）の発見につながりました。これらのがん遺伝子に関する知識の増大により、標的治療法の開発が可能になり、患者の生存率の見通しが大きく変わります。このように、細胞遺伝学はがんの理解の進歩においてこれまでも、そしてこれからも、重要な役割を果たし続けます。大規模なデータベース（腫瘍学および血液学における遺伝学および細胞遺伝学のアトラス、COSMICがんデータベース、がんにおける染色体異常および遺伝子融合に関するミテルマンデータベース）により、研究者や臨床医は、この分野での研究に必要なコーパスを入手できます。

バンディング技術の出現

人間の男性の顕微鏡的核型図。
ヒトの核型模式図。染色体異常の国際ヒト細胞ゲノム命名法（ ISHN）で用いられるバンドとサブバンドに注釈が付けられている。Gバンド上に暗色領域と白色領域が示されている。22本の相同染色体、男性染色体（XY）と女性染色体（XX）の両方（右下）、およびミトコンドリアゲノム（左下）が示されている。

1960年代後半、トルビョルン・カスパーソンはキナクリン蛍光染色法（Qバンディング）を開発しました。この染色法は、各染色体対に固有のバンディングパターンを明らかにしました。これにより、同じ大きさの染色体対であっても、明確な水平方向のバンディングパターンによって区別することが可能になりました。現在、バンディングパターンは染色体転座における切断点と構成染色体の解明に利用されています。個々の染色体における欠失や逆位も、標準化されたバンディング命名法を用いることで、より正確に識別・記述することが可能です。Gバンディング（トリプシン染色とギムザ／ライト染色を使用）は1970年代初頭に同時に開発され、明視野顕微鏡を用いてバンディングパターンを観察することが可能になりました。

染色体のバンドパターンに基づいて染色体を識別する図は、イディオグラムとして知られています。これらの地図は、出生前診断と腫瘍学の両方の分野において、細胞遺伝学を臨床研究室に迅速に移行させる基盤となり、核型分析によって科学者は染色体異常の検出が可能になりました。羊水から回収された遊離羊水細胞の培養や、あらゆる培養タイプにおいて高解像度のバンドパターンを可能にする伸長法など、技術が拡張されました。

分子細胞遺伝学の始まり

1980年代には分子細胞遺伝学が進歩しました。1969年以来、放射性同位元素標識プローブはDNAとハイブリダイズしていましたが、蛍光標識プローブの使用へと動きが広がりました。既存の技術を用いて染色体標本とハイブリダイズさせる手法は、蛍光in situハイブリダイゼーション（FISH）として知られるようになりました。 [ 22 ]この変化により、蛍光標識プローブはより安全であるため、プローブ技術の利用が大幅に増加しました。染色体の顕微操作と検査のさらなる進歩により、染色体顕微解剖技術が開発され、染色体構造の異常を単離、クローン化し、より詳細に研究することが可能になりました。

テクニック

核型分析

通常の染色体分析（核型分析）とは、トリプシン染色、ギムザ染色、ライシュマン染色、またはこれらの組み合わせを用いて染色体を染色体分離したメタフェーズ染色体の分析を指します。この分析により、染色体上に特有の染色体パターンが形成されます。これらのパターンの分子メカニズムと理由は不明ですが、複製のタイミングとクロマチンのパッキングに関連していると考えられます。

細胞遺伝学の研究室では、いくつかの染色体バンディング技術が使用されています。キナクリンバンディング（Qバンディング）は、特定のバンディングパターンを生成するために使用された最初の染色法でした。この方法は蛍光顕微鏡を必要とし、ギムザバンディング（Gバンディング）ほど広く使用されなくなりました。リバースバンディング、つまりRバンディングは熱処理を必要とし、GバンドとQバンドで見られる通常の白黒パターンを反転させます。この方法は、染色体の遠位端を染色するのに特に役立ちます。その他の染色法には、Cバンディングと核小体形成領域染色（NOR染色）があります。後者の方法は、染色体の特定の部分を特異的に染色します。Cバンディングは、通常セントロメア近くにある構成的ヘテロクロマチンを染色し、NOR染色は、アクロセントリック染色体のサテライトとストークを強調します。

高解像度バンディングでは、染色体が最大凝縮に達する前の前期または中期初期（前中期）の染色体を染色します。前期および前中期染色体は中期染色体よりも伸長しているため、全染色体で観察可能なバンド数（半数体セットあたりのバンド数、bph；「バンドレベル」）は約300～450から最大800に増加します。これにより、従来のバンディングでは通常は検出されない、より目立たない異常の検出が可能になります。[ 23 ]

スライドの準備

骨髄、血液、羊水、臍帯血、腫瘍、および組織（皮膚、臍帯、絨毛膜絨毛、肝臓、および他の多くの臓器を含む）からの細胞は、標準的な細胞培養技術を使用して培養し、その数を増やすことができます。次に、有糸分裂阻害剤（コルヒチン、コルセミド）を培養に加えます。これにより、有糸分裂での細胞分裂が停止し、分析用の有糸分裂細胞の収量が増加します。次に、細胞を遠心分離し、培地と有糸分裂阻害剤を除去し、低張液と交換します。これにより、白血球または線維芽細胞が膨張し、スライドに追加したときに染色体が広がるようになり、また、赤血球が溶解します。細胞を低張液に置いた後、カルノア固定液（メタノールと氷酢酸の比率が 3:1 ）を加えます。これにより細胞が死滅し、残りの白血球の核が硬化します。細胞は通常、残留赤血球や残骸を除去するために繰り返し固定されます。その後、細胞懸濁液を標本スライドガラスに滴下します。スライドガラスをオーブンで熟成させるか、数日間放置した後、バンドリングと分析の準備が整います。

分析

染色体バンドの分析は、臨床検査室の細胞遺伝学専門医（CLSp(CG)）が顕微鏡下で行います。通常、20個の細胞を分析することで、モザイクを許容レベルまで排除することができます。結果は要約され、専門医資格を持つ細胞遺伝学者に提出され、患者の既往歴やその他の臨床所見を考慮した解釈が作成されます。その後、結果は国際ヒト細胞遺伝学命名法2009（ISCN2009）に報告されます。

蛍光in situハイブリダイゼーション

at(9;22)転座陽性の間期細胞

蛍光 in situ ハイブリダイゼーション(FISH) とは、蛍光標識プローブを使用して細胞遺伝学的細胞標本にハイブリダイズすることを指します。

標準的な準備に加えて、FISH は次のものに対しても実行できます。

スライドの準備

このセクションでは、標準的な細胞遺伝学的標本の調製について言及する。

スライドは、通常2倍SSC（塩、クエン酸ナトリウム）からなる塩溶液を用いてエージングされます。次に、スライドをエタノールで脱水し、プローブ混合物を加えます。サンプルDNAとプローブDNAは、加熱プレートを用いて共変性させ、少なくとも4時間再アニールさせます。その後、スライドを洗浄して余分な未結合プローブを除去し、4',6-ジアミジノ-2-フェニルインドール（DAPI）またはヨウ化プロピジウムで対比染色します。

分析

FISH標本の解析は、細胞遺伝学の臨床検査専門医が蛍光顕微鏡を用いて行います。腫瘍学では、低レベルの残存病変を除外するために、通常、間期細胞を多数カウントし、スコアリングを行います。通常、200～1,000個の細胞をカウントし、スコアリングを行います。先天性疾患の場合は、通常、中期細胞を20個カウントし、スコアリングを行います。

細胞遺伝学の未来

現在、進歩は分子細胞遺伝学に焦点を当てており、これには標準的な FISH 調製の結果をカウントするための自動化システムや、比較ゲノムハイブリダイゼーションアレイ、CGH、一塩基多型アレイなどの仮想核型解析技術が含まれます。

参照

参考文献

  1. ^ Rieger, R.; Michaelis, A.; Green, MM (1968),遺伝学と細胞遺伝学の用語集：古典と分子、ニューヨーク：Springer-Verlag、ISBN 978-0-387-07668-3
  2. ^レビツキー、グリゴリー・アンドレーヴィチ (1924)。Materials'nye osnovy nasledstvennosti [遺伝の物質的基礎] (ロシア語)。キエフ: ゴシズダット ウクライナ。
  3. ^ Levitsky GA (1931). 「染色体の形態学」. Bull. Applied Bot. Genet. Plant Breed . 27 : 19–174 .
  4. ^コットラー、マルコム・ジェイ ( 1974 ). 「48歳から46歳へ：細胞診技術、先入観、そしてヒト染色体の数え方」.医学史紀要. 48 (4): 465– 502. JSTOR 44450164. PMID 4618149. ProQuest 1296285397 .   
  5. ^フォン・ウィニワーター H (1912)。 「Études sur la spaperatogenese humane」[ヒトの精子形成研究]。アーチ。生物学（フランス語）。27 (93): 147–149。
  6. ^ペインターTS「人間の精子形成」p. 129、 " Abstracts"解剖学的記録23 ( 1): 89– 132. 1922年1月. doi : 10.1002/ar.1090230111 .
  7. ^ペインター, テオフィラス・S. (1923年4月). 「哺乳類の精子形成に関する研究. II. ヒトの精子形成」.実験動物学ジャーナル. 37 (3): 291– 336. Bibcode : 1923JEZ....37..291P . doi : 10.1002/jez.1400370303 .
  8. ^ライト、ピアース (2001年12月11日). 「ジョー・ヒン・チョー 染色体カウントを破った男」 .ガーディアン. 2017年8月25日時点のオリジナルよりアーカイブ。
  9. ^ Saxon, Wolfgang (2001年12月7日). 「ジョー・ヒン・ツィオ（82歳）研究生物学者が染色体を数えた」 .ニューヨーク・タイムズ. 2013年5月12日時点のオリジナルよりアーカイブ。
  10. ^ Tjio, Joe Hin; Levan, Albert (2010年7月9日). 「ヒトの染色体数」 .ヘレディタス. 42 ( 1–2 ): 723–4 . doi : 10.1111/j.1601-5223.1956.tb03010.x . PMID 345813 . 
  11. ^ Hsu, TC (2012).ヒトと哺乳類の細胞遺伝学：歴史的視点. Springer Science & Business Media. ISBN 978-1-4612-6159-9。
  12. ^ 「ヒト遺伝学（生物学）::ヒト染色体 -- ブリタニカ百科事典」。2011年2月17日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2011年3月15日閲覧。ブリタニカ百科事典『ヒト染色体』
  13. ^ 「染色体融合」 2011年8月9日時点のオリジナルよりアーカイブ。2010年5月29日閲覧。進化のページ、染色体融合
  14. ^ラビンドラン、サンディープ (2012年12月11日). 「バーバラ・マクリントックとジャンピング遺伝子の発見」 .米国科学アカデミー紀要. 109 (50): 20198–20199 . doi : 10.1073/pnas.1219372109 . PMC 3528533. PMID 23236127 .  
  15. ^ Painter, TS (1933年12月22日). 「染色体再配置の研究と染色体地図のプロットのための新しい方法」. Science . 78 (2034): 585–586 . Bibcode : 1933Sci....78..585P . doi : 10.1126/science.78.2034.585 . PMID 17801695 . 
  16. ^ Dobzhansky T. 1951.遺伝学と種の起源。第3版、コロンビア大学出版局、ニューヨーク。
  17. ^ Dobzhansky T. 1970.進化過程の遺伝学コロンビア大学出版局 NY
  18. ^ [Dobzhansky T.] 1981. Dobzhanskyの自然集団の遺伝学。Lewontin RC、Moore JA、Provine WB、Wallace B編。コロンビア大学出版局、ニューヨーク
  19. ^堀田康夫; チャンドリー, アン C.; スターン, ハーバート (1977年9月). 「ユリとマウスにおける減数分裂交差」. Nature . 269 ( 5625): 240– 242. Bibcode : 1977Natur.269..240H . doi : 10.1038/269240a0 . PMID 593319. S2CID 4268089 .  
  20. ^ルジューヌ、ジェローム;ゴーティエ、マルト。レイモンド・ターピン（1959年3月16日）。 「Étude des chromosomes somatiques des neuf enfants mongoliens」[9 人のモンゴロイドの子供から得た体細胞染色体の研究]。Comptes rendus hebdomadaires des séances de l'Académie des Sciences (フランス語)。248 ( 11) : 1721–1722。OCLC 871332352 。PMID 13639368。NAID 10008406728。   
  21. ^ Nowell PC, Hungerford DA. 「ヒト慢性顆粒球性白血病における微小染色体」. pp. 1497–1501 in "National Academy of Sciences". Science . 132 (3438): 1488–1501 . 1960年11月18日. doi : 10.1126/science.132.3438.1488 . PMID 17739576 . 
  22. ^ Gupta, PK (2007).細胞遺伝学. Rastogi Publications. ISBN 978-81-7133-737-8。
  23. ^ガイヤースバッハ、キャサリン B.;ガーディナー、アンナ E.ウィルソン、アンドリュー。シェティ、シャシレクハ。ブリュイエール、エレーヌ。ザバウスキー、ジェームズ。サックス、デブラ F.ゴーリン、レベッカ。ウィリアムソン、シンシア。ヴァン・ダイク、ダニエル・L. (2014 年 2 月)。「染色体バンドレベルの推定における主観性: 多施設研究」。医学における遺伝学。16 (2): 170–175。土井: 10.1038/gim.2013.95。PMID 23887773。 
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