Cariotipo: cos’è, come si legge e quali anomalie può mostrare

Che cos’è il cariotipo?

Il cariotipo descrive il corredo cromosomico di un individuo o di una cellula. Nell’essere umano, le cellule somatiche sono normalmente diploidi e possiedono 46 cromosomi organizzati in:

• 22 coppie di autosomi;
• 1 coppia di cromosomi sessuali.

I cromosomi delle coppie autosomiche vengono convenzionalmente numerati da 1 a 22. La ventitreesima coppia è costituita invece dai cromosomi sessuali. In una rappresentazione citogenetica standard possiamo quindi trovare, per esempio 46,XX oppure 46,XY.
Il primo numero indica il numero totale dei cromosomi, mentre le lettere successive descrivono i cromosomi sessuali.

Cariotipo e cariotipizzazione sono la stessa cosa?

I due termini sono strettamente collegati, ma non indicano esattamente la stessa cosa.
Il cariotipo è il corredo cromosomico osservato e descritto. La cariotipizzazione, o analisi del cariotipo, è invece il procedimento utilizzato per studiare i cromosomi di una cellula.

Nell’uso comune i due termini vengono talvolta impiegati in modo quasi intercambiabile, ma dal punto di vista concettuale è utile distinguerli.

Come viene realizzato un cariotipo?

Per analizzare i cromosomi è necessario ottenere cellule adatte all’osservazione citogenetica. Nel cariotipo convenzionale vengono generalmente studiate cellule in una fase della divisione cellulare nella quale i cromosomi sono sufficientemente condensati da poter essere osservati al microscopio.

La metafase è particolarmente utile perché in questa fase i cromosomi raggiungono un elevato grado di condensazione. In termini generali, l’analisi prevede:

1. ottenimento di cellule dal campione;
2. eventuale coltura cellulare;
3. blocco delle cellule in metafase;
4. preparazione dei cromosomi;
5. colorazione e bandeggio;
6. osservazione al microscopio;
7. classificazione dei cromosomi.

Il risultato permette di valutare soprattutto numero, dimensioni, morfologia e struttura generale dei cromosomi.

Come si ordinano i cromosomi nel cariotipo?

Nella rappresentazione del cariotipo i cromosomi vengono organizzati in coppie di omologhi e ordinati secondo criteri citogenetici. Tra gli elementi considerati troviamo:

• dimensione del cromosoma;
• posizione del centromero;
• pattern di bandeggio;
• morfologia complessiva.

I cromosomi omologhi possiedono gli stessi loci genetici nelle corrispondenti regioni, ma non devono necessariamente contenere gli stessi alleli. Uno dei due cromosomi omologhi è normalmente di origine materna e l’altro di origine paterna.

Che cos’è il bandeggio cromosomico?

Per distinguere e analizzare i cromosomi vengono utilizzate tecniche di colorazione che producono caratteristici pattern di bande. Una delle tecniche più diffuse nella citogenetica convenzionale è il bandeggio G.

Il trattamento dei cromosomi genera una successione di bande più scure e più chiare che consente di:

• riconoscere i diversi cromosomi;
• confrontare cromosomi omologhi;
• individuare alcune alterazioni strutturali;
• localizzare approssimativamente le regioni coinvolte.

Il pattern di bande rappresenta quindi una sorta di riferimento morfologico per l’identificazione cromosomica.

Come si legge un cariotipo umano?

La lettura del cariotipo umano parte generalmente da tre domande:

1. quanti cromosomi sono presenti?
2. quali cromosomi sessuali sono presenti?
3. sono presenti alterazioni numeriche o strutturali evidenti?

Consideriamo alcuni esempi.

46,XX

La notazione 46,XX indica un cariotipo con:

• 46 cromosomi totali;
• due cromosomi X.

46,XY

La notazione 46,XY indica:

• 46 cromosomi totali;
• un cromosoma X;
• un cromosoma Y.

Queste rappresentazioni descrivono il numero totale e la composizione dei cromosomi sessuali, ma una descrizione citogenetica completa può contenere ulteriori simboli quando sono presenti anomalie.

Autosomi e cromosomi sessuali

I 46 cromosomi delle cellule somatiche umane non sono tutti equivalenti. Si distinguono:

• 44 autosomi, organizzati in 22 coppie;
• 2 cromosomi sessuali.

Gli autosomi vengono numerati convenzionalmente da 1 a 22. I cromosomi sessuali vengono invece indicati con X e Y. Questa distinzione è particolarmente importante nella lettura del cariotipo perché le anomalie possono interessare sia gli autosomi sia i cromosomi sessuali.

Che cosa significa diploide?

Le cellule somatiche umane sono normalmente diploidi.
Il simbolo utilizzato è 2n. Ciò significa che possiedono due serie di cromosomi omologhi. Nell’essere umano 2n = 46. I gameti, invece, sono aploidi n = 23. La fecondazione combina due gameti e ristabilisce il numero diploide.

Questo meccanismo è strettamente collegato alla meiosi e alla corretta segregazione dei cromosomi.

Euploidia, aneuploidia e poliploidia

Per comprendere le alterazioni del cariotipo bisogna distinguere alcuni concetti fondamentali.

Che cos’è l’euploidia?

Il termine euploidia indica la presenza di un numero di cromosomi corrispondente a multipli completi del corredo aploide. Nell’essere umano la normale condizione diploide delle cellule somatiche è quindi un assetto euploide 2n = 46.

Che cos’è un’aneuploidia?

Una aneuploidia consiste nella presenza di un numero anomalo di singoli cromosomi senza che venga modificato l’intero set cromosomico. Si possono verificare, per esempio:

• una copia cromosomica in più;
• una copia cromosomica in meno.

Tra le forme più note troviamo:

• trisomia: presenza di tre copie di un cromosoma;
• monosomia: presenza di una sola copia di un cromosoma che normalmente sarebbe presente in coppia.

Che cos’è la poliploidia?

La poliploidia riguarda invece l’aumento del numero di interi corredi cromosomici.
Per esempio, una cellula triploide possiede tre set cromosomici 3n.
Il fenomeno è comune e biologicamente importante in numerose specie vegetali, mentre nell’essere umano le poliploidie complete sono generalmente associate a gravi alterazioni dello sviluppo.

Trisomia 21 e cariotipo

Uno degli esempi più importanti di aneuploidia è la trisomia 21, associata alla sindrome di Down. In questo caso sono presenti tre copie del cromosoma 21.

Una possibile notazione citogenetica è 47,XX,+21 oppure 47,XY,+21. Il numero 47 indica che è presente un cromosoma in più rispetto al normale corredo diploide, mentre +21 identifica il cromosoma soprannumerario.
La trisomia 21 è uno degli esempi espressamente richiamati anche nel programma di Biologia del semestre aperto.

Da cosa possono derivare le aneuploidie?

Una delle principali cause delle aneuploidie è la non-disgiunzione, cioè la mancata separazione corretta dei cromosomi durante la divisione cellulare. Durante la meiosi possono non separarsi correttamente:

• i cromosomi omologhi;
• oppure i cromatidi fratelli.

Possono così formarsi gameti contenenti un cromosoma in più o in meno. Se uno di questi gameti partecipa alla fecondazione, il numero cromosomico dello zigote può risultare alterato.

Alterazioni strutturali visibili nel cariotipo

Il cariotipo può evidenziare anche diverse alterazioni strutturali dei cromosomi, purché abbiano dimensioni sufficienti per essere rilevate con la tecnica utilizzata. Tra le principali troviamo:

• delezioni;
• duplicazioni;
• inversioni;
• traslocazioni;
• inserzioni cromosomiche.

Delezione

Una delezione consiste nella perdita di un segmento cromosomico. Possono quindi andare perse una o più regioni contenenti geni e sequenze regolatorie.

Duplicazione

Una duplicazione comporta la presenza di una copia aggiuntiva di un tratto cromosomico. Ciò può determinare un aumento del numero di copie dei geni presenti in quella regione.

Inversione

In una inversione, un segmento cromosomico viene reinserito nello stesso cromosoma con orientamento invertito. La quantità complessiva di DNA può rimanere invariata, ma la nuova disposizione può interferire con geni, regioni regolatorie o processi meiotici.

Traslocazione

Una traslocazione implica lo spostamento di materiale cromosomico in una posizione differente, spesso tra cromosomi non omologhi. Le traslocazioni possono essere:

• bilanciate;
• sbilanciate.

In una traslocazione bilanciata non vi è necessariamente una perdita o un guadagno significativo di materiale genetico, mentre nelle forme sbilanciate possono essere presenti regioni in eccesso o mancanti.

Anomalia cromosomica non significa necessariamente malattia

È importante evitare una semplificazione eccessiva. Non tutte le alterazioni strutturali producono necessariamente un fenotipo patologico evidente.
Una persona può, per esempio, essere portatrice di una traslocazione bilanciata senza manifestare particolari problemi clinici, perché non vi è una significativa perdita o acquisizione di materiale genetico.

La presenza della traslocazione può però avere conseguenze durante la produzione dei gameti e aumentare il rischio di generare combinazioni cromosomiche sbilanciate nella discendenza.
L’effetto di una variazione cromosomica dipende quindi dalla regione coinvolta, dai geni interessati e dal tipo di riarrangiamento.

Che cosa può rilevare il cariotipo?

Il cariotipo convenzionale è particolarmente utile per rilevare alterazioni cromosomiche di dimensioni relativamente grandi. Può evidenziare, per esempio:

• aneuploidie;
• poliploidie;
• grandi delezioni;
• grandi duplicazioni;
• traslocazioni;
• inversioni;
• alcuni mosaicismi.

La citogenetica convenzionale offre quindi una visione generale dell’organizzazione cromosomica dell’intero genoma.

Che cosa non può mostrare un cariotipo?

Il cariotipo non permette di individuare tutte le possibili alterazioni genetiche. È particolarmente importante ricordarlo perché un cariotipo normale non significa che l’intero DNA sia privo di varianti.
La risoluzione della citogenetica convenzionale è limitata: variazioni molto piccole possono non essere visibili. Il cariotipo non è quindi lo strumento adatto, per esempio, per individuare:

• la maggior parte delle mutazioni puntiformi;
• piccole inserzioni o delezioni;
• molte microdelezioni e microduplicazioni;
• numerose varianti a livello di singolo gene.

A seconda del quesito clinico possono essere utilizzate tecniche con una maggiore risoluzione, come analisi molecolari, FISH o microarray cromosomici.
NCBI sottolinea infatti che il cariotipo convenzionale è particolarmente adatto alle grandi alterazioni cromosomiche, mentre anomalie più piccole possono richiedere tecniche più sensibili.

Cariotipo e FISH: qual è la differenza?

La FISH, fluorescence in situ hybridization, utilizza sonde fluorescenti capaci di riconoscere specifiche sequenze di DNA.
A differenza del cariotipo convenzionale, che offre una visione generale dei cromosomi, la FISH può essere utilizzata per analizzare in modo mirato determinate regioni cromosomiche.

Le due tecniche non sono quindi semplicemente alternative: possono rispondere a domande differenti e, in alcuni casi, essere complementari.

Cariotipo e analisi cromosomica con microarray

Anche il microarray cromosomico analizza alterazioni del materiale genetico, ma con caratteristiche differenti rispetto al cariotipo. Può individuare variazioni del numero di copie di dimensioni inferiori rispetto a quelle normalmente rilevabili con la citogenetica convenzionale.
D’altra parte, il cariotipo conserva alcuni vantaggi importanti: permette di osservare direttamente la struttura cromosomica e può identificare riarrangiamenti bilanciati che non comportano necessariamente variazioni del numero di copie.

La scelta della tecnica dipende quindi dal tipo di anomalia che si intende ricercare.

In quali situazioni viene utilizzato il cariotipo?

L’analisi citogenetica può essere richiesta in diversi contesti medici. Tra questi possono rientrare:

• studio di sospette anomalie cromosomiche;
• diagnosi prenatale in situazioni selezionate;
• alcuni problemi riproduttivi;
• abortività ricorrente;
• studio di determinate anomalie congenite;
• alcune patologie ematologiche e neoplastiche.

Il tipo di campione e di analisi dipende naturalmente dal quesito diagnostico.

Il cariotipo nelle cellule tumorali

Le alterazioni cromosomiche non devono essere necessariamente presenti fin dalla nascita. Durante la vita, alcune cellule possono acquisire modificazioni cromosomiche somatiche.
Questo fenomeno è particolarmente importante in oncologia.

Alcuni tumori presentano infatti alterazioni cromosomiche caratteristiche, comprese traslocazioni che possono generare nuovi geni di fusione o modificare la regolazione di geni coinvolti nella proliferazione cellulare.
Per questo motivo le analisi citogenetiche possono avere valore diagnostico, prognostico o contribuire alla classificazione di determinate neoplasie.

Che cos’è il mosaicismo?

Il mosaicismo si verifica quando nello stesso individuo sono presenti popolazioni cellulari geneticamente differenti derivate dallo stesso zigote. Per esempio, alcune cellule possono possedere un determinato assetto cromosomico e altre un assetto differente.

Questo può avvenire quando un errore cromosomico si verifica durante una divisione mitotica dopo la fecondazione. L’identificazione di un mosaicismo mediante cariotipo può dipendere da:

• percentuale delle cellule coinvolte;
• numero delle cellule analizzate;
• tipo di tessuto esaminato.

Un mosaicismo presente in un tessuto potrebbe infatti non essere necessariamente rilevato analizzandone un altro.

Cariotipo, genoma e DNA: non sono sinonimi

Un errore frequente consiste nel confondere cariotipo e genoma. Il genoma comprende l’intero patrimonio genetico dell’organismo. Il cariotipo descrive invece principalmente il numero e le caratteristiche macroscopiche dei cromosomi.

Possiamo quindi avere due individui con un cariotipo convenzionalmente identico 46,XX ma con milioni di differenze nella loro sequenza di DNA. Il cariotipo non rappresenta dunque una lettura completa del DNA.

Cariotipo e cromosoma: qual è la differenza?

Anche questi termini non vanno confusi. Un cromosoma è una struttura costituita da DNA associato a proteine.
Il cariotipo descrive invece l’insieme dei cromosomi di una cellula o di un individuo secondo caratteristiche come numero, dimensioni e struttura.

In altre parole:
cromosoma = singola struttura
cariotipo = organizzazione complessiva del corredo cromosomico

Un esempio pratico di lettura del cariotipo

Consideriamo la seguente notazione 47,XY,+21. Possiamo leggerla passo dopo passo.

• 47 indica il numero totale dei cromosomi
• XY indica la presenza dei cromosomi sessuali X e Y
• +21 indica la presenza di una copia aggiuntiva del cromosoma 21

Il cariotipo descrive quindi una trisomia del cromosoma 21. Consideriamo invece 46,XX. Il numero complessivo è 46 e non viene indicata alcuna variazione cromosomica nella notazione semplificata.
Questo tipo di esercizio è molto utile perché abitua a leggere le informazioni nell’ordine corretto anziché memorizzare singole sigle.

Come studiare il cariotipo in modo efficace

Per comprendere davvero il cariotipo, è preferibile seguire una sequenza logica.

1. Impara il corredo cromosomico normale

Ricorda innanzitutto 46 cromosomi = 23 coppie di cui 22 coppie di autosomi + 1 coppia di cromosomi sessuali.

2. Distingui alterazioni numeriche e strutturali

Le alterazioni numeriche modificano il numero dei cromosomi. Le alterazioni strutturali modificano invece l’organizzazione di uno o più cromosomi.

3. Collega le anomalie alla divisione cellulare

Le aneuploidie diventano molto più semplici da comprendere se vengono collegate alla segregazione dei cromosomi durante meiosi e mitosi.

4. Impara a interpretare le notazioni

Non limitarti a memorizzare “trisomia 21”. Prova a interpretare 47,XX,+21. Oppure 47,XY,+21. partendo dal numero totale dei cromosomi.

Errori frequenti nello studio del cariotipo

Tra gli errori più comuni troviamo:

• confondere cariotipo e genoma;
• affermare che tutte le cellule umane abbiano sempre 46 cromosomi, dimenticando per esempio i gameti;
• confondere aneuploidia e poliploidia;
• considerare ogni alterazione cromosomica necessariamente patologica;
• pensare che un cariotipo normale escluda qualsiasi variante genetica;
• confondere cromosomi omologhi e cromatidi fratelli;
• confondere alterazioni numeriche e strutturali;
• pensare che il cariotipo permetta di leggere la sequenza del DNA.

Domande frequenti sul cariotipo

Che cos’è il cariotipo?

Il cariotipo descrive il numero e le caratteristiche principali dei cromosomi presenti in una cellula o in un individuo.

Qual è il cariotipo umano normale?

Le cellule somatiche umane possiedono normalmente 46 cromosomi organizzati in 23 coppie: 22 coppie di autosomi e una coppia di cromosomi sessuali.

Cosa significa 46,XX?

Indica un cariotipo costituito da 46 cromosomi totali e due cromosomi sessuali X.

Cosa significa 46,XY?

Indica un cariotipo costituito da 46 cromosomi totali e dai cromosomi sessuali X e Y.

Cosa significa 47,XX,+21?

Indica 47 cromosomi totali, due cromosomi X e una copia aggiuntiva del cromosoma 21.

Qual è la differenza tra aneuploidia e poliploidia?

Nell’aneuploidia cambia il numero di singoli cromosomi. Nella poliploidia cambia invece il numero di interi set cromosomici.

Il cariotipo può individuare tutte le malattie genetiche?

No. Il cariotipo è adatto soprattutto a rilevare anomalie cromosomiche relativamente grandi. Molte varianti di singoli geni o alterazioni molto piccole richiedono tecniche molecolari con una risoluzione superiore.

Il cariotipo può essere normale anche in presenza di una malattia genetica?

Sì. Una patologia causata, per esempio, da una variante in un singolo nucleotide può non determinare alcuna alterazione visibile nel cariotipo.

Cariotipo: cosa ricordare

Il cariotipo permette di descrivere e analizzare il corredo cromosomico di una cellula.
Nell’essere umano le cellule somatiche possiedono normalmente 46 cromosomi organizzati in 23 coppie. L’analisi citogenetica consente di individuare diverse alterazioni numeriche, come le aneuploidie, e strutturali, come delezioni, duplicazioni, inversioni e traslocazioni.

È però fondamentale ricordare che il cariotipo offre una visione relativamente macroscopica dei cromosomi e non permette di individuare tutte le possibili varianti del DNA.
Per studiare efficacemente questo argomento collega sempre cromosomi, meiosi, diploidia, segregazione e anomalie cromosomiche, anziché imparare separatamente le singole definizioni.

Puoi approfondire il tema leggendo gli articoli sui cromosomi omologhi e la meiosi, sulle differenze tra cromosoma e cromatidi oppure tornare alla guida generale sulla genetica.