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核型とは、種または個体の細胞内の染色体セット全体の一般的な外観であり、主にその大きさ、数、形状が含まれます。 [ 1 ] [ 2 ]核型分析とは、染色体の数や異常の有無など、個体の染色体構成を決定することによって核型を識別するプロセスです。
核型図またはイディオグラムは、染色体が一般的にペアで配置され、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る核型の図解です。核型分析は一般的に細胞周期の中期に光学顕微鏡と写真撮影を組み合わせて行われ、その結果として顕微鏡写真核型図（または単に顕微鏡写真核型図）が得られます。一方、模式核型図は核型の図解表現です。模式核型図では、簡潔にするために各染色体の姉妹染色分体のうち1つだけが一般的に示され、実際にはそれらは非常に近接しているため、解像度が十分に高くない限り、顕微鏡写真でも1つのように見えます。染色体セット全体の研究は、核学と呼ばれることもあります。
核型は、生物の染色体数と、光学顕微鏡下でのこれらの染色体の外観を記述するものです。染色体の長さ、セントロメアの位置、バンドパターン、性染色体間の違い、その他の物理的特徴に注意が払われます。[ 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と表記される。生殖細胞系列では染色体数はnである(ヒト: n = 23)。[ 4 ] [ 5 ] p28したがって、ヒトでは2n = 46 である。
通常の二倍体生物では、常染色体は2コピー存在します。性染色体が存在する場合もあります。多倍体細胞は染色体を複数コピー持ち、一倍体細胞は染色体を1コピーしか持ちません。
核型は、染色体異常、細胞機能、分類学的関係の研究、医学研究の支援、過去の進化イベントに関する情報の収集（核型分類学）など、多くの目的に使用できます。 [ 6 ]
核型の研究は染色によって可能になります。通常、細胞分裂中にコルヒチン溶液によって細胞が停止された後、通常は最も凝縮している中期または前中期に、ギムザ染色液などの適切な染色液[ 8 ]が適用されます。ギムザ染色液が正しく付着する ためには、すべての染色体タンパク質が消化されて除去されている必要があります。ヒトの場合、白血球は組織培養で容易に分裂および増殖を誘導できるため、最も頻繁に使用されます。[ 9 ]時には、分裂していない（間期）細胞で観察が行われることがあります。胎児の性別は、間期細胞の観察によって予測できます（羊水穿刺およびバール小体を参照）。
核型の6つの異なる特徴が通常観察され、比較されます: [ 10 ]
したがって、核型の詳細な記述には、染色体の数、種類、形状、縞模様、およびその他の細胞遺伝学的情報が含まれる場合がある。
以下のようなバリエーションがよく見られます。
このセクションに示されている顕微鏡写真と模式図の核型図はどちらも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するため）とギムザ染色後の染色体の外観であるGバンド染色で見られるような、暗い領域と明るい領域を示しています。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含量も高くなっています。[ 11 ]
顕微鏡写真と模式図の両方の核型図は、ヒトの正常な二倍体核型を示しています。これは、ヒト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) を含んでいます。ヒトの二倍体性に対する主な例外は、23 本の不対染色体を持つ一倍体である配偶子(精子と卵子) であり、この倍数性はこれらの核型図には示されていません。顕微鏡写真の核型図はグレースケールに変換されていますが、模式図の核型図は、ギムザ染色でよく見られる紫色を示しています (これは、DNA を紫色に染めるアズール B 成分によるものです)。[ 14 ]
このセクションの模式核型図は、理想化された核型の図解です。各染色体対について、左側の目盛りは長さを百万塩基対単位で示し、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システムにおいて染色体異常の位置を示すために使用されます。各染色体の列は、セントロメアレベルで垂直に整列しています。
核型図の特徴であるサイズ、セントロメアの位置、および場合によっては染色体サテライト（二次狭窄部より遠位のセグメント）の存在に基づいて、ヒト染色体は次のグループに分類されます。[ 15 ]
あるいは、ヒトゲノムは、対合、性差、細胞核内かミトコンドリア内かといった位置に基づいて、以下のように分類することもできる。
模式核型図は一般的に、細胞の状態のG 0期（複製細胞周期外）に対応する DNA コピー数を示します。これは細胞で最も一般的な状態です。このセクションの模式核型図もこの状態を示しています。この状態（および細胞周期のG 1期）では、各細胞は各種類の常染色体を 2 本ずつ持ち（2n と表記）、各染色体は各遺伝子座のコピーを 1 つずつ持ち、各遺伝子座のコピー数は合計 2 本（2c）となります。模式核型図の中央上部には、細胞周期のS 期（S と表記）でDNA 合成が行われた後の 3 番染色体対も示されています。この期間にはG 2期と中期（「Meta」と表記）が含まれます。この期間中、染色体数は依然として 2n ですが、各染色体には各遺伝子座の 2 コピーがあり、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 ]顕微鏡写真の核型図の染色体もこの状態にあります。これは、通常、染色体が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 コピーが非常に近いため、画像解像度が十分に高くない限り 1 つのように見えます。実際には、G 0 期と G 1期の間、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。
ヒト細胞あたりのヒト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）まで変化する。 [ 19 ]
真核生物におけるDNAの複製と転写は高度に標準化されているが、核型についてはそうとは言えず、非常に多様である。染色体は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造に違いが見られる。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る。
種内でも大きな変異が見られる場合もある。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る。
我々の見解では、どちらか一方のプロセスだけで観察される幅広い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併用すれば、核型分裂は、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る。[ 20 ]
核型については記述的なレベルでは多くのことが知られており、核型構造の変化が多くの種の進化の過程に影響を与えてきたことは明らかであるが、その一般的な意義が何であるかは全く不明である。
多くの綿密な調査が行われているにもかかわらず、核型進化の原因についてはほとんど理解されておらず、核型進化の一般的な意義も不明瞭である。
—メイナード・スミス[ 21 ]
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、あるいは核型に対するその他の目に見える調整を行う。
近縁種間の変異の顕著な例として、カート・ベニルシュケとドリス・ヴルスターが調査したキバノロが挙げられる。中国キバノロ（Muntiacus reevesi）の二倍体数は46で、すべて末端動原体型であることが判明した。近縁のインドキバノロ（Muntiacus muntjak）の核型を調べたところ、雌＝6、雄＝7の染色体を持っていることに驚いた。[ 28 ]
彼らは自分たちの見たものが信じられなかった…組織培養に何か問題があると考え、2、3年間沈黙を守っていた…しかし、さらに数個の標本を入手したとき、彼らは（自分たちの発見を）確認した。
— Hsu p. 73-4 [ 29 ]
（比較的）無関係な種間の核型における染色体数は非常に多様である。最も少ない記録は、半数体 n = 1 の線虫Parascaris univalensとアリのMyrmecia pilosulaである。[ 30 ]最も多い記録はシダ植物のどこかにあり、平均 1262 本の染色体を持つOphioglossum がトップである。 [ 31 ] 動物で最高記録は、372 本の染色体を持つコチョウザメAcipenser brevirostrumかもしれない。[ 32 ]過剰染色体またはB 染色体の存在は、交配可能な1 つの集団内でも染色体数が変化する可能性があることを意味し、異数体も別の例であるが、この場合、それらは集団の正常なメンバーとはみなされない。
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（末端動原体または末端動原体）とみなされる染色体の数に依存します。ヒトは、 5 つの末端動原体染色体対（13、14、15、21、および22 ）が存在するため、FN = 82 です。 [ 35 ]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（非性連鎖染色体）セットあたりの目に見える主要な染色体腕の数です。
倍数性とは、細胞内に存在する完全な染色体セットの数のことである。
近縁種における、単一の基本数の倍数のみで構成される倍数体系列は、正倍数体として知られています。
多くの場合、内倍数体核には数万本の染色体が含まれています（正確な数は数えられません）。細胞には必ずしも正確な倍数（2のべき乗）の染色体が含まれているわけではないため、「細胞分裂を伴わない複製によって染色体セットの数が増加する」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、生合成に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で散発的に発生し、多様かつ複雑であり、さまざまな方法で分化と形態形成に役立っています。[ 47 ]
異数性とは、細胞内の染色体数がその種に典型的な数と異なる状態を指します。これにより、余分な染色体や1本以上の染色体の欠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、発達障害を引き起こします。ダウン症候群やターナー症候群はその例です。
近縁種のグループ内でも異数性が発生することがある。植物の典型的な例としては、配偶子（＝半数体）の数が x = 3、4、5、6、7 の系列を形成するCrepis属や、 x = 3 から x = 15 までのすべての数が少なくとも 1 つの種によって表されるCrocus 属などがある。さまざまな証拠から、進化の傾向はグループごとに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 の染色体を持つが、ヒトは 23x2 である。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、染色体数が減少した。[ 49 ]
一部の種は、異なる染色体構造形態に関して多型性を示します。 [ 50 ]構造的変異は、異なる個体における染色体数の違いに関連している可能性があり、これはテントウムシChilocorus stigma、Ameles属のカマキリの一部、[ 51 ]ヨーロッパトガリネズミSorex araneusで見られます。[ 52 ]ブルターニュ海岸の軟体動物Thais lapillus (イヌツノガイ)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あります。[ 53 ]
多糸染色体を持つ昆虫の染色体バンドの詳細な研究は、近縁種間の関係を明らかにすることができる。その古典的な例は、ハンプトン・L・カーソンによるハワイ産ショウジョウバエの染色体バンドの研究である。
ハワイ諸島は約6,500平方マイル（17,000平方キロメートル）の面積に、熱帯雨林から亜高山帯の草原まで、世界で最も多様なショウジョウバエ類が生息している。これらの約800種のハワイ産ショウジョウバエ類は、通常、ショウジョウバエ科のDrosophila属とScaptomyza属の2つの属に分類される。
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」群の多糸染色体の縞模様は、ゲノム解析が実用化されるずっと以前に、カーソンが進化系統樹を解明するのに役立った。ある意味では、遺伝子の配置は各染色体の縞模様に表れている。染色体の再配列、特に逆位によって、どの種が近縁であるかを判別することが可能になる。
結果は明らかです。逆転現象をツリー形式でプロットすると（他のすべての情報とは独立して）、古い島から新しい島への種の明確な「流れ」が示されます。古い島への植民地化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年代測定法を使用すると、現在の島々は0.4百万年前（mya）（マウナケア）から1000万年前（ネッカー）までです。海上に残っているハワイ諸島の最古の島はクレ環礁で、3000万年前まで遡ることができます。群島自体（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た）は、少なくとも白亜紀まで、はるかに長い間存在していました。現在海面下にある以前の島々（ギヨー）は天皇海山列を形成しています。[ 54 ]
ハワイに生息するショウジョウバエ属とスカプトミザ属の在来種はすべて、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る。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た。単一の妊娠した雌が島に定着することも可能だが、同じ種の集団であった可能性の方が高い。[ 55 ] [ 56 ] [ 57 ] [ 58 ]
染色体は、特定の染色剤で処理すると縞模様を示します。縞模様とは、染色体の長さに沿って現れる明暗が交互に現れる縞のことです。この独特な縞模様は、染色体の識別や、染色体切断、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。様々な染色体処理によって、Gバンド、Rバンド、Cバンド、Qバンド、Tバンド、NORバンドなど、多様な縞模様が得られます。
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 ]
（図示されている）「古典的な」核型分析では、染色体のバンドを染色するために、ギムザ染色（Gバンド染色）などの色素、あるいはメパクリジン（キナクリジン）などの色素が用いられます。ギムザ染色はDNAのリン酸基に特異的に染色します。キナクリンはアデニンとチミンが豊富な領域に結合します。各染色体にはそれぞれ特徴的なバンドパターンがあり、それによって染色体を識別することができます。対になった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、長腕を下に配置して配置します。一部の核型では、短腕と長腕をそれぞれpとqと呼びます。さらに、染色の異なる領域とサブ領域には、染色体腕の近位から遠位に向かって番号が付けられます。たとえば、猫鳴き症候群は、5 番染色体の短腕の欠失を伴います。これは 46,XX,5p- と表記されます。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、これは 46,XX,del(5)(p15.2) と表記されます。[ 62 ]
マルチカラーFISHと旧来のスペクトル核型分析は、生物のすべての染色体対を異なる色で同時に可視化するために使用される分子細胞遺伝学的技術です。各染色体用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製されます。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、多くの異なる色を生成するために組み合わせ標識法が使用されます。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備えた蛍光顕微鏡、またはスペクトル核型分析の場合は蛍光顕微鏡に接続された干渉計を使用して取得および分析されます。mFISH画像の場合、得られた元の画像からの蛍光色素のすべての組み合わせは、専用の画像解析ソフトウェアで擬似カラーに置き換えられます。これにより、染色体または染色体の一部を可視化および識別することができ、染色体再編成の分析が可能になります。[ 63 ] スペクトル核型分析の場合、画像処理ソフトウェアはスペクトル的に異なる各組み合わせに擬似色を割り当て、個別に着色された染色体を視覚化できるようにする。[ 64 ]
マルチカラーFISHは、ギムザ染色法などの他の手法では十分な精度が得られない場合に、がん細胞やその他の疾患における構造的染色体異常を特定するために使用されます。
デジタル核型分析は、ゲノム規模でDNAコピー数を定量化するために使用される技術です。ゲノム全体にわたる特定の遺伝子座からの短いDNA配列が分離され、数えられます。[ 65 ]この方法は仮想核型分析とも呼ばれます。この技術を使用すると、中期染色体を使用する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可能です。いくつかの遺伝子座の欠失は、癌の発生に関連していることが知られています。このような欠失は、癌の発生に関連する遺伝子座を使用したデジタル核型分析によって発見されます。[ 66 ]
染色体異常には、余分な染色体や欠失した染色体が存在するような数的異常と、派生染色体、転座、逆位、大規模な欠失や重複などの構造的異常があります。異数性とも呼ばれる数的異常は、配偶子形成時の減数分裂における不分離の結果として発生することが多く、通常の2コピーの代わりに3コピーの染色体が存在するトリソミーは、一般的な数的異常です。構造的異常は、相同組換えのエラーによって発生することが多いです。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、その場合は罹患した人の体内のすべての細胞に存在します。また、有糸分裂中に発生し、正常な細胞と異常な細胞が混在する遺伝的モザイク個体を生み出すこともあります。
ヒトの疾患につながる染色体異常には以下のようなものがある。
染色体の一部が失われることによって生じる疾患には、以下のようなものがある。
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。染色体という名称は、1888年にドイツの解剖学者ハインリヒ・フォン・ヴァルダイヤーによって命名されました。これは、古代ギリシャ語のκάρυον karyon（「核」、「種子」、「核」）とτύπος typos（「一般的な形」）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 (核型で観察できる) が遺伝子の担体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・ヴァヴィロフと共同研究を行ったグリゴリー・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、CD ダーリントン[ 71 ]とマイケル JD ホワイト[ 4 ] [ 13 ]の著作で追跡できます。
ヒトの核型の調査は、最も基本的な疑問である「正常な二倍体ヒト細胞にはいくつの染色体が含まれているか」を解決するのに何年もかかりました。 [ 72 ] 1912年、ハンス・フォン・ウィニヴァルターは精原細胞に47本の染色体、卵原細胞に48本の染色体があると報告し、XX/XOの性決定機構であると結論付けました。[ 73 ] 1922年、ペインターはヒトの二倍体が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 ]後に意見を46から48に修正し、ヒトは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、これらの結果は驚くべきものでした。
アルバート・レバンの研究室で働いていたジョー・ヒン・ティオ[ 76 ]は、当時利用可能だった新しい技術を用いて染色体数を46と発見した。
この研究は1955年に行われ、1956年に発表された。ヒトの核型には46本の染色体しか含まれていない。[ 77 ] [ 29 ]他の大型類人猿は48本の染色体を持っている。ヒトの2番染色体は、 2つの祖先類人猿の染色体が末端同士で融合した結果であることが現在では知られている。[ 78 ] [ 79 ]
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