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細胞遺伝学は基本的に遺伝学の一分野ですが、細胞生物学/細胞学（ヒト解剖学の細分化）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とどのように関連しているかに関心があります。[ 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、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含まれます。
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年に記述された。染色体という名称は、1888年にドイツの解剖学者フォン・ヴァルダイヤーによって命名された。
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) が遺伝子の担体であることが認識されました。レヴィツキーは、核型を遺伝子内容とは対照的に、体細胞染色体の表現型の外観として定義した最初の人物のようです。[ 2 ] [ 3 ]ヒトの核型の調査は、最も基本的な疑問、つまり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のかという疑問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・ウィニヴァルターは、精原細胞には 47 本の染色体、卵原細胞には 48 本の染色体があると報告し、XX/XO性決定機構であると結論付けました。[ 5 ] 1922年、ペインターはヒトの二倍体染色体数が46か48か確信が持てず、当初は46を支持していた。[ 6 ]彼は後に意見を46から48に修正し、ヒトはXX/XY型の性決定システムを持っていると正しく主張した。[ 7 ]彼らの技術を考えると、これらの結果は非常に注目すべきものであった。科学書では、ヒトの染色体数は30年以上48のままであった。この誤りを訂正するために新しい技術が必要であった。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[ 8 ] [ 9 ]は、そのアプローチを見つける責任を負っていた。
人間の核型には46本の染色体しか含まれていないことが一般的に受け入れられるようになったのは1956年になってからのことである。[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]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。[ 13 ]
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させた。1931年、マクリントックとハリエット・クレイトンは、標識された染色体の細胞学的組換えが遺伝的形質（遺伝子）の組換えと相関することを示した。カーネギー研究所に在籍していたマクリントックは、トウモロコシの染色体切断と融合フレアのメカニズムに関する以前の研究を継続した。彼女は、トウモロコシの9番染色体上の同じ遺伝子座で常に発生する特定の染色体切断イベントを特定し、それを「Ds」または「解離」遺伝子座と名付けた。[ 14 ]マクリントックは、トウモロコシの切断された染色体と環状（環状）染色体のメカニズムと遺伝を研究する細胞遺伝学のキャリアを継続した。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った。
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の州の野生集団からショウジョウバエの一種であるDrosophila pseudoobscuraとD. persimilisを収集した。彼らはペインターの手法[ 15 ]を用いて多糸染色体を研究し、野生集団が染色体逆位に関して多型性であることを発見した。ハエはどのような逆位を持っていてもすべて同じように見える。これは隠れた多型性の例である。
自然選択が原因であるという証拠が急速に蓄積された。ドブジャンスキーは、レリティエとテイシエが考案した方法を用いて、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、サンプリングが可能になった。この方法の利点は、移住が結果の考えられる説明から除外されたことである。既知の初期頻度で逆位を含む系統は、制御された条件下で維持することができる。さまざまな染色体型は、選択的に中立であればランダムに変動するはずであるが、特定の頻度に調整されて安定することがわかった。ドブジャンスキーが1951年に著書の第3版を出版した頃には[ 16 ] 、染色体形態は、ほとんどの多型と同様に、ヘテロ接合体の選択的有利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検査に適した生物である。Hotta、Chandleyら[ 19 ]は、交叉が起こると考えられる減数分裂の接合期から太糸期にかけて、ユリと齧歯類の雄の減数分裂細胞でDNAの切断と修復合成の共通パターンが存在するという証拠を提示した。ユリとマウスのように系統的に遠縁な生物間で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交叉の組織化はおそらく普遍的に分布していると結論付けた。
染色体を容易に数えることができる手法が登場すると、染色体の異常や染色体数に関する発見が次々となされた。
体質細胞遺伝学:ダウン症候群などの先天性疾患では、細胞遺伝学によって染色体異常の性質、すなわち「単純な」トリソミーが明らかになった。非分離事象から生じる異常は、両親の一方または胎児において異数性（染色体全体の追加または欠失）を持つ細胞を引き起こす可能性がある。1959年、ルジューヌ[ 20 ]は、ダウン症候群の患者が21番染色体の余分なコピーを持っていることを発見した。ダウン症候群は21トリソミーとも呼ばれる。
発見されたその他の数的異常には、性染色体の異常が含まれます。X 染色体が1本しかない女性はターナー症候群 であり、X染色体が1本多く、合計47本の染色体を持つ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と両立します。哺乳類が性染色体の異数性を許容できるのは、それらを不活性化する能力によるものであり、これは正常な女性では染色体が2コピー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染色体を持つ個体では表現型の影響が見られます 。
13トリソミーはパトー症候群と関連があり、18トリソミーはエドワーズ症候群と関連がある。
後天性細胞遺伝学: 1960 年、ピーター・ノウェルとデビッド・ハンガーフォード[ 21 ]は、慢性骨髄性白血病(CML)患者の白血球に小さな染色体を発見しました。この異常染色体は、両科学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、より高度な技術の開発により、ジャネット・ローリーは、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 の診断になります。現在、780 を超える白血病と数百の固形腫瘍 (肺、前立腺、腎臓など) は、予後価値が重要な後天性染色体異常によって特徴付けられています。これらの染色体異常の同定は、非常に多くの「癌遺伝子」(または癌遺伝子) の発見につながりました。これらの癌遺伝子に関する知識の蓄積により、標的療法の開発が可能となり、患者の生存率が大きく向上しました。このように、細胞遺伝学は癌の理解の進歩において、これまでも、そしてこれからも不可欠な役割を果たし続けています。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アトラス、COSMIC癌データベース、癌における染色体異常および遺伝子融合のミテルマンデータベース）は、研究者や臨床医がこの分野の研究に必要なデータ群を利用できるようにしています。
1960年代後半、トルビョルン・カスペルソンは、各染色体対に固有の縞模様を示すキナクリン蛍光染色法（Qバンド法）を開発した。これにより、本来同じサイズの染色体対を、明確な水平縞模様によって区別することが可能になった。現在、この縞模様は、染色体転座に関わる切断点や構成染色体の解明に用いられている。また、標準化された縞模様の命名法を用いることで、個々の染色体内の欠失や逆位もより正確に特定し、記述することができる。1970年代初頭には、トリプシンとギムザ/ライト染色を用いたGバンド法も同時に開発され、明視野顕微鏡を用いて縞模様を可視化できるようになった。
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。これらの図は、出生前診断と腫瘍学の両分野において、細胞遺伝学を臨床検査室に迅速に導入するための基礎となり、核型分析によって科学者は染色体異常を調べることができるようになりました。羊水から回収した遊離羊水細胞の培養を可能にする技術や、あらゆる培養タイプに対応した高解像度バンド観察を可能にする伸長技術が開発されました。
1980年代には、分子細胞遺伝学の進歩が見られました。1969年以来、放射性同位体標識プローブがDNAとハイブリダイズされていましたが、蛍光標識プローブの使用へと移行しました。既存の技術を用いて染色体標本にハイブリダイズさせる方法は、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、プローブ技術の使用が大幅に増加しました。染色体のマイクロマニピュレーションと検査のさらなる進歩により、染色体マイクロダイセクション技術が開発され、染色体構造の異常を分離、クローン化、より詳細に研究できるようになりました。
通常の染色体分析（核型分析）とは、トリプシン処理後、ギムザ染色、ライシュマン染色、または両者の混合液を用いて染色した中期染色体を分析する検査のことである。これにより、染色体上に特有のバンドパターンが形成される。これらのパターンが生じる分子メカニズムや理由は不明であるが、複製タイミングやクロマチン構造と関連していると考えられている。
細胞遺伝学研究室では、いくつかの染色体バンド染色法が用いられています。キナクリンバンド染色（Qバンド染色）は、特定のバンドパターンを生成するために最初に用いられた染色法です。この方法は蛍光顕微鏡を必要とし、ギムザバンド染色（Gバンド染色）ほど広くは使われていません。リバースバンド染色（Rバンド染色）は熱処理が必要で、Gバンド染色やQバンド染色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、染色体の末端を染色するのに特に有効です。その他の染色法には、Cバンド染色や核小体形成領域染色（NOR染色）などがあります。これらの染色法は、染色体の特定の部分を特異的に染色します。Cバンド染色は、通常セントロメア付近に存在する構成的ヘテロクロマチン を染色し、NOR染色は末端動原体染色体のサテライトとストークを強調します。
高解像度バンド法では、染色体が最大凝縮に達する前の前期または前中期（前中期）に染色を行います。前期および前中期の染色体は中期の染色体よりも伸長しているため、すべての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、従来のバンド法では通常見られない、より目立たない異常を検出できるようになります。[ 23 ]
骨髄、血液、羊水、臍帯血、腫瘍、および組織（皮膚、臍帯、絨毛、肝臓、その他多くの臓器を含む）の細胞は、標準的な細胞培養技術を用いて培養し、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）を培養液に加えます。これにより、有糸分裂で細胞分裂が停止し、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て、低張液に置き換えます。これにより、白血球または線維芽細胞が膨張し、スライドに加えたときに染色体が広がり、赤血球が溶解します。細胞を低張液に浸した後、カルノア固定液（メタノールと氷酢酸の3：1 ）を加えます。これにより、細胞が死滅し、残った白血球の核が硬化します。細胞は通常、破片や残存する赤血球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に滴下します。スライドをオーブンで加熱するか、数日間放置した後、染色および分析の準備が整います。
染色体バンド分析は、細胞遺伝学の臨床検査技師（CLSp(CG)）が顕微鏡を用いて行います。通常、20個の細胞が分析され、これはモザイク現象を許容できるレベルで除外するのに十分です。結果は要約され、認定細胞遺伝学専門医に渡され、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）に基づいて報告されます。
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用いて細胞遺伝学的細胞標本にハイブリダイズさせる手法のことである。
標準的な前処理に加えて、FISH法は以下のものにも適用できます。
このセクションでは、標準的な細胞遺伝学的標本の作製について説明します。
スライドは通常、2X SSC（食塩、クエン酸ナトリウム）からなる塩溶液を用いて熟成されます。次に、スライドをエタノールで脱水し、プローブ混合液を加えます。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れ、少なくとも4時間再アニーリングされます。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。
FISH検体の分析は、細胞遺伝学を専門とする臨床検査技師が蛍光顕微鏡を用いて行います。腫瘍学においては、一般的に、低レベルの残存疾患を除外するために、多数の間期細胞を計測します。通常、200個から1,000個の細胞を計測します。先天性疾患の場合は、通常、20個の 中期細胞を計測します。
現在、進歩の焦点は分子細胞遺伝学にあり、標準的なFISH法による染色体標本の計数を行う自動システムや、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分析技術などが含まれる。