Cours Génétique CYTOGENETIQUE CYTOGENETIQUE HUMAINE 1
Définition La cytogénétique est la science qui étudie les chromosomes et leurs anomalies. Elle est basée sur l observation et l analyse des chromosomes des cellules lors de la division cellulaire. I- Généralités sur les chromosomes Chromosome = (chroma = couleur; soma = corps) C'est en 1955 que pour la première fois, on a pu voir distinctement l'ensemble des 46 chromosomes d'un individu. Cette image est maintenant devenue courante dans le cadre des diagnostics prénataux. Les chromosomes sont le support du matériel génétique, Le nombre des chromosomes des cellules eucaryotes varient selon les espèces et selon les cellules d un même organisme. Toutes les cellules diploïdes contiennent des paires de chromosomes homologues, chaque parent donnant un chromosome de chaque paire. Le constituant de base des chromosomes est appelé chromatine, constituée d ADN associé à des protéines basiques, notamment les histones, et des protéines acides. Il s agit d un mode d organisation de l ADN en des structures très condensées, visibles individuellement que lors d une division cellulaire (après duplication). Chez l Homme, le stock de chromosomes complet est fait de deux lots haploïdes avec n = 23 1.1- Structure et organisation des chromosomes : Structure chromosomique Les chromosomes tels qu ils sont observés en métaphase de mitose sont des chromosomes qui ont subi la phase de réplication du cycle cellulaire, ils ont un aspect linéaire à deux chromatides avec deux bras : - un bras court p (petit) que l on classe conventionnellement en haut - un bras long q classé en bas Les deux bras sont réunis par le centromère Chaque chromosome est constitué de deux chromatides sœurs réunies par un centromère (ou constriction primaire) dont la position permet de définir les bras courts (p) et les bras longs (q). Les extrémités distales des chromosomes sont les télomères. II- Le caryotype humain Le caryotype correspond à l analyse morphologique (nombre et structure) des chromosomes. 2
Il permet l'étude de la garniture chromosomique d'un individu soit l'arrangement standard de l'ensemble des chromosomes d'une cellule. Il décèle les remaniements génétiques, constitutionnels ou acquis, portant au moins sur 1 "bande" soit environ 10 3 à 10 4 Kbases Le caryotype humain est composé de 46 chromosomes : 44 autosomes soit 22 paires. 2 chromosomes sexuels ou gonosomes soit 1 paire qui détermine le sexe de l individu (X X dans le sexe féminin et X Y dans le sexe masculin). C'est la formule chromosomique qui permet l'interprétation du caryotype. Il se déchiffre de la façon suivante : Le caryotype normal doit s'écrire : 46, XX (Chez la femme) ou 46, XY (Chez l homme). Le caryotype peut varier dans le cas des sujets à risques mais également dans le cas de la trisomie dont le caryotype se présente de la sorte : 47, XY, +21 (un chromosome 21 surnuméraire). De manière générale le caryotype peut être représenté : - soit par une photographie de l aspect morphologique de l ensemble des chromosomes d une cellule en métaphase - soit par une écriture. exp. : 46, XX ou 46, XY 2.1 Principe et technique de caryotype photographie du caryotype humain. Le prélèvement de chromosomes, qui permet la création du caryotype, peut se faire de différentes façons. Il est prescrit chez certains sujets à risques : chez les femmes enceintes : pour prévenir une maladie génétique éventuelle du fœtus. Le prélèvement se fait dans le liquide amniotique (amniocentèse) chez le nouveau-né : lorsqu'est suspecté une maladie chromosomique. Le prélèvement se fait par prise de sang, 3
chez les malades atteints de cancers ou de maladies du sang : dans le but de préciser l'origine de la maladie. Le prélèvement se fait dans la moelle osseuse, dans les ganglions ou dans le sang. La réalisation d'un caryotype est également prescrite chez les patients suivants : Suspicion d anomalies chromosomiques (d'antécédents familiaux) Personnes souffrant de retards mentaux, Retard de croissance, Malformations congénitales ou dysmorphiques (Anomalies de la différenciation sexuelle), Femmes ayant vécu des fausses-couches à répétition, Maladies malignes hématologiques (lymphomes malins et leucémie); Stérilité chez le couple - ayant des problèmes de fécondation 2.2 Technique pour l établissement d un caryotype Humain Le caryotype s'organise de la façon suivante : (Obtention des métaphases analysables) Le caryotype est réalisé à partir de n importe quelles cellules nucléées que l on cultive pour obtenir des mitoses en métaphase 1. Réaliser des cultures cellulaires soit à partir de fragment de peau, de moelle osseuse, de leucocytes. Tout en essayant de stimuler les divisions cellulaires par addition de phytohémagglutinine ; 2. Traiter les cellules, une fois que leur nombre est élevé, avec un antimitotique (colchicine, colcémide ), afin de bloquer la migration des chromosomes vers les pôles ( blocage de l appareil fusorial) 3. Transférer les cellules dans un milieu hypotonique. Le choc va faire éclater le fuseau et faire libérer les chromosomes (dispersion chromosomique) 4. Fixer les préparations chromosomiques (mélange méthanol/acide acétique) 5. Colorer les cellules avec Giemsa ou la moutarde de quinacrine (une succession de bandes sur chaque chromosome est mise en évidence par les techniques de marquage). 6. - Observation au microscope (Cette technique de microscopie permet, à un instant du cycle cellulaire, l observation du matériel héréditaire humain). 7. Photographier les préparations et réaliser des agrandissements; 8. Découper et apparier les chromosomes par paire selon leur longueur et la position du centromère. L indice centromérique (longueur du bras court / longueur totale du chromosome) est utilisé comme critère de classement en fonction de la position du centromère. IC = P / P+ Q 4
2.3- Critères de classement des chromosomes : Les chromosomes sont classés dans un arrangement ordonné, selon des conventions internationales, suivant des critères bien précis en fonction de leur nombre, de leur taille, leur morphologie, leur indice centromérique et des techniques de marquage. Le nombre normal de chromosomes est de 46, répartis entre 22 paires d autosomes et 1 paire de gonosomes. Le résultat du caryotype est donné selon la nomenclature, avec le nombre de chromosomes et le sexe de l individu séparés par une virgule (46, XX ou 46, XY). La nomenclature internationale permet de connaître exactement la nature de l anomalie chromosomique, les chromosomes et les points de cassure impliqués C'est la formule chromosomique qui permet l'interprétation du résultat du caryotype. Il se déchiffre de la façon suivante : nombre de chromosomes par cellule, liste des chromosomes sexuels présents. liste des anomalies trouvées. La classification distingue 7 groupes de chromosomes (A à G) : - Groupe A: 1 (métacentrique), 2 (centromère à 1/3), 3 (métacentrique) - Groupe B: 4-5 (centromère à ¼) - Groupe C: 6 12 (centromère à 1/3) - Groupe D: 13-15 (acrocentriques) - Groupe E: 16 17-18 (centromère presque médian) - Groupe F: 19-20 (centromère presque médian) - Groupe G: 21-22 (acrocentriques) 5
Les chromosomes sont classés en fonction Classement des chromosomes en groupes de leur taille, du plus grand au plus petit Classement des chromosomes selon leur taille Chromosomes sexuels: hétérochromosomes 6
Les chromosomes humains sont classés en fonction de la position du centromère par rapport aux télomères qui définit l indice centromérique: P / (P+Q). L indice centromérique permet de classer les chromosomes chez l espèce humaine en 3 groupes: 1. Métacentriques ou médio centrique. Centromère médian cas : Chr:1, 3, 16, 19 et 20 2. Submétacentriques: Le bras court est légèrement plus petit que le bras long. cas : ch: 2, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 17, 18 et X 3. Acrocentriques: Le centromère se trouve prés de l une des extrémités (presque au bout) cas : ch: 13, 14, 15,21, 22, Y N.B - Les chromosomes télocentriques dont P = 0 ne se trouvent chez l espèce humain classement en fonction des techniques de marquage de bandes Ces techniques de bandes permettent d individualiser chaque chromosome par des bandes caractéristiques, ces bandes sont identiques sur les deux chromosomes homologues et permettent une classification précise. 1. Coloration des régions riches en A-T Les bandes Q : fluorescentes après coloration à la quinacrine, Alternance de bandes sombres et brillantes Les bandes G : coloration rose violacée de la chromatine au Giemsa : analogues aux bandes Q obtenus après traitement enzymatique à la trypsine pronase, Alternance de bandes sombres et claires. 2. Coloration des régions riches en C-G Les bandes R (reverse) : les chromosomes sont traités par la chaleur dans une solution ionique. Les bandes ont une disposition inverse de celles obtenues en bandes G et Q. 3. Centromères Les bandes C : cette technique colore les centromères des chromosomes 1, 9, 16. 4. Télomères Les bandes T : cette technique colore la partie télomérique des chromosomes. (parties localisées aux extremités des chromosomes) 7
Bandes G:(A-T) Bandes R: (C-G) Bandes C: centromères Bandes T (Télomères) Une bande pouvant être claire avec une technique et apparaitre sombre par une autre technique 8
Remarque Les bras courts et longs des chromosomes (p et q) sont divisés en régions et en bandes grâce au marquage. La coloration au Giemsa aboutit à une coloration homogène des chromosomes, permet de les classer en fonction de leur taille, et de leur indice centromérique. Le nombre de bandes obtenues par lot haploïde dépend de la condensation des chromosomes. Banding pour déterminer les paires homologues. Aujourd hui FISH et Painting pour analyse structurale 2.4 - Apport des techniques de marquage : Les techniques de marquage permettent d identifier avec précision chaque paire chromosomique en fonction de la séquence des bandes claires et sombres. Chaque bras chromosomique est divisé en régions, chaque région en bandes. Les régions et les bandes sont numérotées consécutivement en partant du centromère vers le télomère. Les plus utilisées sont les bandes G obtenues par dénaturation enzymatique et les bandes R par dénaturation thermique D autres techniques de marquage sont utilisées : Bandes Q (Quinacrine), Bandes C (centromérique) et Bandes T (télomérique). Pour désigner une bande il est nécessaire de spécifier. Le numéro du chromosome Le bras de chromosome (q ou p) Le numéro de la région Le numéro de la bande de cette région. Bande 1 de la région 2 du bras long du chromosome 7 : 7q21 Succession caractéristique des Nomenclature des bandes Représentation schématique des bandes La multiplicité des techniques de banding, la coloration variable en fonction de la technique utilisée ont conduit à la mise en place d une nomenclature afin de préciser un endroit précis du chromosome sur une bande donnée et quelque soit la méthode utilisée. La nomenclature se réfère aux idéogrammes chromosomiques 9
Par exemple: quelle est la dénomination du gène HLA qui est localisé en 6p21? - Il est localisé sur la bande 1 de la région 2 du bras court(p) du chromosome 6. Ce sont ces bandes qui vont permettre de déterminer d éventuels points de cassure. La nomenclature internationale permet de connaître exactement la nature de l anomalie chromosomique, les chromosomes et les points de cassure impliqués. Il est possible d'obtenir une plus haute résolution des bandes pour identifier plus précisément un locus. exp. 46,XY,t(4 ;12)(q21 ;p12) (translocation réciproque équilibrée entre un 4 et un 12, le point de cassure sur le 4 est sur le bras long q en 21 et le point de cassure sur le 12 est sur le bras court p en 12). 2.5 - INTERÊT DU CARYOTYPE L analyse du caryotype a pour objet o de repérer certaines anomalies chromosomiques de structure et de nombre. o d établir la cartographie physique du génome (localisation des gènes). o permet de confirmer un diagnostic cliniquement évident. o déterminer le sexe o de déterminer aussi l espèce o surtout essentiel pour prodiguer un conseil génétique. 10