سیتوژنتیک علم مطالعه ساختار و تعداد کروموزومها
سیتوژنتیک علم مطالعه کروموزوم ها، ساختار و تغییرات آندها است. این رشته، که نقطه تلاقی ژنتیک سلولی و مولکولی است، به درک چگونگی سازمان دهی ژنوم در سطح کروموزومی و پیامدهای تغییرات کروموزومی کمک می کند. سیتوژنتیک نه تنها برای تشخیص اختلالات ژنتیکی مادرزادی ضروری است، بلکه در تشخیص سرطان، درمان های هدفمند و مشاوره ژنتیک نیز کاربرد دارد.
تعریف ساده سیتوژنتیک
بطور کامل تر می توان گفت، سیتوژنتیک، علم مطالعه کروموزوم ها است. کروموزوم ها ساختارهایی از رشته های DNA و پروتئین هستند که حاوی بیشتر اطلاعات ژنتیکی در یک سلول هستند. کروموزوم ها را می توان در متافاز در طول چرخه سلولی مشاهده کرد. در ژنتیک انسانی و جانوری، سیتوژنتیک به مطالعه بافت، خون، مغز خون یا سلول های کشت در آزمایشگاه، با استفاده از روش های باند بندی یا دستکاری برای جستجوی تغییرات در کروموزوم ها، از جمله کروموزوم های شکسته، از دست رفته، بازآرایی یا کروموزوم های اضافی می پردازد. تغییرات در کروموزوم ها ممکن است نشانه یک بیماری یا شرایط ژنتیکی خاصی باشد. سیتوژنتیک می تواند برای کمک به تشخیص، برنامه ریزی درمان، یا یافتن میزان کارآمدی یک درمان استفاده شود.
از کاریوتایپینگ تا مولکولار سیتوژنتیک: تکنولوژی های تحول آفرین
کاریوتایپینگ کلاسیک
کاریوتایپینگ، کروموزوم ها را در مرحله متافاز تقسیم سلولی رنگ آمیزی و مرتب می کند. این روش همچنان به عنوان روش پایه در تحلیل کروموزومها خصوصا در نسخ اولیهِ تشخیص های ساختاری و عددی کروموزومی نقش دارد. از آنجایی که تعداد و یا ساختار کروموزوم ها در برخی بیماری های ژنتیکی تغییر می کند، تکنیک های رنگ آمیزی ویژه می تواند برای ارزیابی تعداد و ساختار کروموزوم های موجود زنده به عنوان بخشی از آزمایش های تشخیصی استفاده شود.
FISH و میکروآرایه ها
فلورسانس in situ هیبریدیزاسیون (FISH) امکان تشخیص دقیق تر ناهنجاری های کروموزومی مانند ریزحذف ها، ریزتکثیرها و جابجایی ها را فراهم می کند. همچنین array CGH (آرایه هیبریدیزاسیون مقایسه ای ژنومی) با افزایش وضوح تشخیص، قادر به کشف تغییرات ریزتر نسبت به کاریوتایپینگ کلاسیک است.
این تکنیک ها باعث شده اند تا مرز بین سیتوژنتیک کلاسیک و ژنتیک مولکولی محو شده و تحلیل های مبتنی بر کروموزوم با تست های مولکولی تلفیق گردد.
نقشه برداری نوری ژنوم و تکنیک های نوین
در سال های اخیر، روش های optical genome mapping (OGM) و نقشه برداری نزدیک پراکسی (genomic proximity mapping) معرفی شده اند. این روش ها امکان شناسایی ساختارهای پیچیده کروموزومی را با وضوح بالا فراهم می کنند .(خصوصاً در زمینه تشخیص بیماری های پیچیده و سرطان ها)
وارد شدن هوش مصنوعی به سیتوژنتیک
توسعه الگوریتم های هوش مصنوعی (AI) برای تحلیل تصاویر کروموزومی در حال انجام است. هوش مصنوعی به ویژه در کاریوتایپینگ دیجیتال و تحلیل FISH، موجب افزایش سرعت، دقت و تکرارپذیری در تحلیل ها شده است. این پیشرفت می تواند حجم بالای داده های ژنتیکی را به صورت مؤثر مدیریت کند و بار کاری متخصصان را کاهش دهد.
سیتوژنتیک گیاهی، بررسی کروموزوم ها در سلول های گیاهی
سیتوژنتیک گیاهی به شدت تحت تأثیر کار پیشگامانه باربارا مک کلینتاک برای مطالعه روی ذرت (Zea mays) قرار دارد. روش او برای شناسایی دقیق کروموزوم های منفرد، امکان اکتشافات عمده در مورد ساختار و رفتار دینامیکی ژنوم ذرت را فراهم کرد. مک کلینتاک نشان داد که همه کروموزوم های منفرد را می توان به طور منحصر به فرد از یک هسته میوز با ترکیبی از دو معیار، طول نسبی و نسبت بازوی کروموزوم ها شناسایی کرد.
این رویکرد برای توسعه نقشه سیتوژنتیک در سایر گونه های گیاهی از جمله برنج (Oryza sativa)، سورگوم (Sorghum propinquum) و گوجه فرنگی (Lycopersicon esculentum) مفید بود. علی رغم همه این دستاوردها، گونه های گیاهی با کروموزوم هایی با اندازه مشابه، به توسعه تکنیک های اضافی برای تفکیک سیتوژنتیکی و کاریوتایپینگ ( karyotyping) نیاز داشتند.
توسعه و کاربرد سیتولوژی مولکولی در گیاهان
توسعه تکنیک های هیبریداسیون درجا یا در محل (ISH) فرصت هایی را برای تجزیه و تحلیل سیتوژنتیکی بدون توجه به مورفولوژی کروموزوم ذاتی آن به وجود آورد. در گیاهان، استفاده از ردیاب رادیواکتیو یا نوکلئوتیدهای اصلاح شده (متصل به بیوتین، دیگوکسیژنین یا بخش های فلورسنت) برای ساختن پروب های ISH امکان تجسم میکروسکوپی و محلی سازی توالی های مکمل در سلول ها و هسته ها و روی کروموزوم های فردی را فراهم می کند. هیبریداسیون درجا فلورسانس مستقیم و غیرمستقیم (FISH) به طور گسترده در ۲۵ سال گذشته استفاده شده است (جیانگ و گیل). کاربردهای گسترده FISH در ژنومیک ساختاری، مقایسه ای و عملکردی، سیتوژنتیک گیاهی را در موقعیت منحصر به فردی برای تکمیل، تسریع یا هدایت تحقیقات ژنوم گیاهی قرار می دهد.
.
وضوح فضایی در سیتوژنتیک گیاهی
یکی دیگر از اهداف رایج در سیتوژنتیک گیاهی، تعیین مکان و آرایش دو یا چند توالی DNA در ارتباط با یکدیگر در امتداد محور کروموزوم هدف است. تفکیک محوری معمولاً به توانایی تشخیص موقعیت های نسبی دو جایگاه به صورت پروگزیمال یا دیستال نسبت به سانترومر اشاره دارد. حد تفکیک محوری معمولاً در جفت پایه یا واحدهای فضایی، مانند سانتی مککلینتوک، cMC گزارش می شود.
کاربرد سیتوژنتیک در کشاورزی نوین
سیتوژنتیک در کشاورزی به عنوان ابزاری کلیدی برای اصلاح نباتات، افزایش عملکرد، مقاومت به تنش ها و بهبود کیفیت محصولات شناخته می شود. مطالعه کروموزوم ها در گیاهان زراعی و باغی، امکان مدیریت ژنوم در سطح کروموزومی را فراهم کرده و پایه بسیاری از پیشرفت های کشاورزی مدرن است.
نقش سیتوژنتیک در اصلاح نباتات (Plant Breeding)
یکی از مهم ترین کاربردهای سیتوژنتیک، شناسایی و پایش تغییرات کروموزومی در برنامه های اصلاح نژاد گیاهی است. بسیاری از گیاهان زراعی مانند گندم، پنبه و کلزا دارای ژنوم های پیچیده و پلی پلوئید هستند.
سیتوژنتیک به اصلاح گران کمک می کند تا:
-
پایداری کروموزومی لاین های اصلاحی را بررسی کنند.
-
جابجایی ها (Translocations) و حذف های کروموزومی ناخواسته را شناسایی کنند.
-
از انتقال صحیح ژن های مطلوب در نسلهای بعدی اطمینان حاصل کنند.
پلیپلوئیدی و افزایش عملکرد گیاهان
پلی پلوئیدی (Polyploidy) یکی از پدیده های مهم در تکامل و اصلاح گیاهان است که به افزایش تعداد مجموعه های کروموزومی منجر می شود. سیتوژنتیک نقش محوری در شناسایی و تثبیت پلی پلوئیدها دارد.
نتایج پلی پلوئیدی در کشاورزی:
-
افزایش اندازه دانه و میوه
-
بهبود تحمل به خشکی، شوری و سرما
-
افزایش زیست توده و عملکرد
نمونه های موفق پلی پلوئیدی:
-
گندم نان (Hexaploid)
-
موز و سیب زمینی
-
یونجه
شناسایی ژن های مقاومت به تنش های زیستی و غیر زیستی
با استفاده از تکنیک های FISH، GISH و نقشه برداری کروموزومی، محققان می توانند مکان ژن های مرتبط با:
-
مقاومت به بیماری ها
-
تحمل تنش خشکی و شوری
-
مقاومت به آفات
را در سطح کروموزومی شناسایی کرده و آنها را به صورت هدفمند وارد ارقام زراعی کنند. این موضوع به ویژه در شرایط تغییرات اقلیمی اهمیت بالایی پیدا کرده است.
سیتوژنتیک در گیاهان تراریخته و ویرایش ژنوم
در فناوری های نوین مانند CRISPR/Cas9، سیتوژنتیک برای:
-
بررسی پایداری کروموزومی پس از ویرایش ژن
-
اطمینان از عدم ایجاد ناهنجاری های ناخواسته
-
ارزیابی ایمنی ژنتیکی گیاه
استفاده می شود. به عبارت دیگر، سیتوژنتیک نقش کنترل کیفیت ژنتیکی را در کشاورزی زیست فناورانه ایفا می کند.
کاربرد در گیاهان باغی و درختان میوه
در گیاهان باغی مانند مرکبات، انگور، خرما و سیب، که چرخه اصلاح آن ها طولانی است، سیتوژنتیک کمک می کند تا:
-
ناسازگاری های ژنتیکی شناسایی شود.
-
پایه ها و پیوندک های سازگار انتخاب شوند.
-
ناباروری یا کاهش عملکرد ژنتیکی تشخیص داده شود.
این موضوع در تولید نهال های سالم و یکنواخت اهمیت بالایی دارد.
حفاظت از تنوع ژنتیکی و منابع ژرم پلاسم
سیتوژنتیک در بانک های ژن و برنامه های امنیت غذایی جهانی ابزاری مهم برای موارد ذیل است:
-
بررسی تنوع کروموزومی گونه های بومی
-
حفاظت از ژرمپلاسم گیاهان زراعی
-
جلوگیری از فرسایش ژنتیکی
سیتوژنتیک مدرن (جدید) در علوم سلولی
تکنیک های بنیادی و کلاسیک سیتولوژی نقطه شروع عالی برای مطالعات سیتوژنتیک گیاهی هستند. بر این اساس، FISH توانایی ما را برای شناسایی کروموزوم های خاص برای تقریباً هر گونه گیاهی با کروموزوم های مورفولوژیکی غیر قابل تشخیص گسترش داده است. با استفاده از FISH امکان شناسایی سریع خصوصیات سیتوژنتیکی و شناسایی کروموزوم ها با استفاده از انواع کاوشگرهایی مانند کاوشگرهایی که از DNA های تکراری، کلون های قطعه بزرگ یا گونه های نزدیک به هم مرتبط هستند، می دهد. توسعه اخیر نقشه های سیتوژنتیکی کاج لوبلی (Pinus taeda) و پرتقال تلخ چینی (Poncirus trifoliata) گواهی بر این نکته است.
.
نقشه های سیتوژنتیکی
نقشه های سیتوژنتیک، که بر اساس contigs نهایی هستند، یک چارچوب مفهومی منحصر به فرد برای تحقیقات ژنومیک ساختاری و عملکردی ارائه می دهند. (Contigs : مجموعه ای از بخشها یا توالی های DNA است که بهگونه ای همپوشانی دارند که نمایشی پیوسته از یک ناحیه ژنومی ارائه می کند.) سیتولوژی مولکولی ابزاری کارآمد برای مکان یابی توالی، اعتبار سنجی مرتبه و اندازه شکاف و همچنین شناسایی مناطق پیچیده مانند سانترومرها ارائه می دهد.
سیتوژنتیک در کشاورزی، پایه اصلاح نباتات مدرن است. این فناوری ابزار کلیدی افزایش عملکرد و پایداری تولید و مکمل ضروری بیوتکنولوژی و ویرایش ژنوم است.
همچنین نقش آن در تأمین امنیت غذایی جهانی روز به روز پررنگ تر می شود.
منابع:
بروز رسانی شده در: ۱۴۰۴/۰۹/۱۰
