Воробьева Ольга Биологический факультет МГУ, 202 группа

1. Возможности анализа состояния конституционного гетерохроматина генома человека с помощью цифровых технологий Воробьева Ольга Биологический факультет МГУ, 202 группа

2. Цель: разработать метод цифрового анализа состояния конституционного гетерохроматина в ядрах клеток культивированных лимфоцитов человека Задачи: • разработать программу определения размеров микроскопических объектов на основе методов предварительного визуального наблюдения, микрофотографии и последующего компьютерного анализа цифрового изображения • определить размеры гетерохроматиновых блоков хромосом человека на стандартных цитогенетических препаратах лимфоцитов периферической крови после процедуры С-окрашивания • сравнить характеристики величин вариабельного гетерохроматинового участка длинного плеча хромосомы Y (Yq12) в стадии метафазы митоза • установить различия степеней конденсации гетерохроматиновых участков в интерфазных и метафазных клетках • оценить перспективы применения метода анализа цифровых изображений дифференциально-окрашенных хромосом в диагностической практике

3. Методы В работе были использованы методы световой микроскопии, цифровой микрографии и компьютерной биометрии с использованием авторской программы. Готовые С-окрашенные препараты хромосом культивированных лимфоцитов периферической крови были любезно предоставлены объединенной цитогенетической лабораторией Научного центра психического здоровья РАМН - МНИИ педиатрии и детской хирургии Минздравсоцразвития РФ (руководители: проф., д.б.н. Юров Ю.Б. и проф., д.б.н. Ворсанова С.Г.). Цифровые изображения кариотипов получали при помощи любительских фотоаппаратов моделей Samsung S 1060, Olympus FE-26 и светового лабораторного микроскопа Nikon YS2-Y. Поиск метафаз проводился визуально при увеличении 200х (окуляр 20х, объектив 10х). Анализ и съемка кариотипов осуществлялись при увеличении 2000х (окуляр 20х, объектив 100х, иммерсия).

4. Метод цифровой биометрии заключался в определении размеров контрастно-окрашенных участков С-гетерохроматина хромосом путем сравнительного анализа цифровых изображений с помощью авторской компьютерной программы “GenoMetr”. Оценка размера сегментов хромосом-мишеней проводилась в миллионах пар оснований – мегабазах (Mb). В ходе работы размер определяемого участка автоматически сопоставлялся с занесенными в программу данными, известными для невариабельных, т.е. эухроматиновых районов хромосом. Основным сравнительным эталоном служило короткое плечо хромосомы 9, которая хорошо дифференцируется при С-окрашивании благодаря большому гетерохроматиновому блоку 9qh. Короткое плечо 9р имеет постоянный размер 45 Mb. • Программа написана на языке Microsoft visual basic v6.0. В ней предусмотрены следующие функции: • загрузка графического файла (микрофотографии) с изображением • кариотипа • полуавтоматическое определение размера участков хромосом-мишеней • количественная оценка и сохранение результатов • Статистическая обработка результатов проводилась с использованием оценки значимости различия по t-критерию Стьюдента и соответствия экспериментального распределения нормальному с использованием программы Excel 2003.

6. Микрография хромосом пациента с кариотипом 48,XXYY. Красными стрелками показаны хромосомы Y, зелеными – хромосомы 9 Скриншот программы “GenoMetr”

7. Результаты Цитогенетические диагнозы пациентам (46,XY; 46,XYqh–,16qh–; 46,XYqh+; 48,XXYY) были поставлены в лаборатории молекулярной цитогенетики МНИИ педиатрии и детской хирургии МЗСР РФ согласно стандартному протоколу и Международной номенклатуре. Нормальный мужской кариотип 46,XY служил для контрольных измерений. Хромосомный набор 46,XYqh–,16qh– указывал на уменьшение гетерохроматиновых сегментов хромосом Y и 16; запись 46,XYqh+ свидетельствовала об увеличении гетерохроматинового сегмента Yq12 (qh). Кариотип 48,XXYY представлял собой хромосомную патологию: удвоенный набор (дисомия) половых хромосом (гоносом). В процессе работы было получено и проанализировано 29 цифровых изображений полных метафазных пластинок для определения протяженности геномного гетерохроматина, проведен сравнительный анализ 465 пар «9р» – «Yqh» по сопоставлению размера гетерохроматина Yq с коротким плечом хромосомы 9.

8. Протяженность C-гетрохроматиновых последовательностей генома, по результатам проведенных исследований у четырех пациентов, варьировала от 231,3 Mb (кариотип 48,XXYY) до 464,7 Mb (кариотип 46,XYqh+), т.е различалась более чем двукратно и составляла 7,2% и 14,5% нормального гаплоидного генома (3200 Mb), соответственно. Размер геномного С-гетерохроматина двух других пациентов составлял 336,28Mb (для нормального кариотипа) и 300,28Mb (при кариотипе 46,XYqh–,16qh–), что соответствует 10,5% и 9,4% гаплоидного генома. Протяженность экстремальных вариантов Yqh- и Yqh+ была определена в 15,80 и 70,59 Mb. Размер двух экстремальных вариантов хромосом Y, таким образом, отличается почти в 4,5 раза. У пациентов с кариотипами 46,XY и 48,XXYY, не имеющих хромосомных вариантов, размер гетерохроматиновых сегментов Y отличался лишь на 3,56 Mb. Однако, при наличии двух хромосом Y в кариотипе, его доля в геноме составляла 1,6%, в отличие от 0,9% при нормальном хромосомном наборе.

9. Сравнительный анализ не выявил достоверных различий в степени конденсации С-гетерохроматина интерфазных и метафазных ядер, что может дополнительно свидетельствовать о его генетической инертности на всех этапах митоза и, возможно, клеточного цикла. Статистическая обработка показала высокую степень достоверности полученных результатов. Для пациента с кариотипом 46,XYqh+, например, эмпирически полученное значение размера гетерохроматина длинного плеча хромосомы Y составляет: L = 70,59 ± 0,88 (Mb), а относительная статистическая ошибка δ = 1,3%.

11. ВЫВОДЫ • Разработанная программа анализа цифровых изображений окрашенных хромосом позволяет определять размер гетерохроматиновых сегментов хромосом in silico с точностью до 1Mb • Протяженность геномного С-гетерохроматина у четырех индивидуумов варьирует в широких пределах и различается более чем двукратно: от 231,3 Mb до 464,7 Mb, что составляет от 7,2% до 14,5% нормального гаплоидного генома, соответственно • Уровень вариабельности гетерохроматина Yq12 в рассмотренной группе составляет 54,79 Mb, что почти в два раза превышает величину нормального сегмента Yqh (~30Mb) • Отсутствие достоверного различия степени конденсации С-гетерохроматина в интерфазе и метафазе может свидетельствовать о его генетической инертности в клеточном цикле • Проведенная статистическая обработка показывает высокую степень достоверности полученных результатов. Разработанная технология может быть использована в цитогенетической диагностике для количественного анализа хромосомных вариантов, а также в исследовательских целях (экология человека, генеалогия, этногеномика)