Costruzione di un cariogramma

Gli studenti analizzano il cariotipo umano attraverso la costruzione del cariogramma. Pur utilizzando cromosomi disegnati anziché le foto di cromosomi reali, gli studenti riescono a determinare il sesso dell’individuo e ad individuare eventuali anomalie nell’assetto cromosomico (trisomie) mediante un procedimento sostanzialmente analogo a quello utilizzato in diagnostica. In questa esperienza le trisomie considerate sono quella del cromosoma 13 (sindrome di Patau), del cromosoma 18 (sindrome di Edwards), del cromosoma 21 (sindrome di Down), o dei cromosomi sessuali (XXY, sindrome di Klinefelter). L’attività può essere di stimolo per approfondimenti scientifici e banco di prova per competenze matematiche di base. Il laboratorio può essere condotto in classe, con l’ausilio di semplice materiale di cancelleria. 

Scheda sintetica delle attività

• Consegna del materiale: ogni studente avrà la foto di un set di cromosomi umani disegnati e opportunamente ingranditi (uno degli allegati 1-4) e uno schema (allegato 5) per facilitare la disposizione ordinata dei cromosomi nel cariogramma, forbici, righello e colla 
• Attività collettiva di problem solving per ricostruire, in linea generale, come viene preparato il campione di cromosomi da analizzare
• Consegna delle indicazioni di lavoro: il docente spiega il criterio con cui i cromosomi devono essere disposti nel cariogramma
• Gli studenti costruiscono il cariogramma
• Analisi del cariogramma, definizione del cariotipo umano e individuazione dell’anomalia del cariotipo esaminato. 
• Fase asincrona di approfondimento dell’anomalia individuata, della sindrome che ne deriva e della frequenza con cui si presenta
• Restituzione dell’approfondimento e verifica della comprensione, dal punto di vista scientifico e matematico (per esempio con l’uso del concetto di rapporto e di frequenza)
• Spazio per eventuali ulteriori approfondimenti di tipo matematico-scientifico o interdisciplinare

Risorse

• Foto di set di cromosomi relativi a diversi cariotipi umani 
• Prospetto per la costruzione del cariogramma 
• Forbici 
• Righello 
• Colla 

Allegati

• Allegato 1: Cariotipo trisomia 13 – sindrome di Patau
• Allegato 2: Cariotipo trisomia 18 – sindrome di Edwards
• Allegato 3: Cariotipo trisomia 21 – sindrome di Down
• Allegato 4: Cariotipo XXY – sindrome di Klinefelter
• Allegato 5: Scheda cariotipo

Prerequisiti

• Conoscere la funzione e la struttura del DNA
• Conoscere il significato di cromosomi omologhi, autosomi e cromosomi sessuali, di mutazioni genetiche e di anomalie cromosomiche
• Conoscere la meiosi
• Conoscere i rapporti, le proporzioni, la notazione scientifica e la frequenza

Obiettivi di apprendimento

• Conoscere il cariotipo umano 
• Comprendere il significato di anomalia cromosomica
• Comprendere l’utilità del cariogramma come tecnica d’indagine
• Saper utilizzare il concetto di rapporto per stimare la frequenza di una sindrome
• Saper fare una stima delle dimensioni di un cromosoma condensato

Dotazioni di sicurezza

Nessuna

Svolgimento

Premessa

Data la foto di un pool di cromosomi umani in metafase, mescolati e disegnati su un foglio A4, viene chiesto ai ragazzi di misurarli, ritagliarli e appaiarli al fine di organizzare il cariogramma. I ragazzi analizzano quindi il cariotipo e valutano la presenza di eventuali anomalie cromosomiche. Alla fase laboratoriale segue quella di analisi e approfondimento dei risultati ottenuti. 

Realizzazione 

Fase 1 – circa 1h 

Ogni ragazzo dovrà avere:   

• una scheda contenente il disegno di un pool di cromosomi in metafase, mescolati, corrispondenti ad un cariotipo umano completo e contenente un’anomalia cromosomica (figure 1- 4). Solo i cromosomi sessuali sono indicati. Non viene detto ai ragazzi che il cariotipo è anomalo;  

• una scheda su cui è stato predisposto lo schema con cui dovranno costruire il cariogramma (figura 5 e allegato 5)); 

• un righello, forbici e colla. 

Viene spiegato ai ragazzi che il cariogramma è un diagramma con cui i cromosomi vengono messi in un ordine preciso, seguendo regole convenzionali volte a poter analizzare i cromosomi omologhi, valutarne il numero (aneuplidia) ed eventuali modifiche nella disposizione delle loro parti (delezioni, inserzioni, inversioni e traslocazioni). Non sarà necessario entrare nello specifico o chiedere ai ragazzi di ricordare i nomi delle diverse tipologie di mutazioni.

Gli studenti potranno immedesimarsi nel lavoro del genetista e ipotizzare come è stato possibile ottenere quella “fotografia” di cromosomi. Quindi vengono guidati in un’attività di problem solving  volta a capire come preparare il campione da osservare al microscopio e da fotografare.

In che fase deve trovarsi la cellula affinché sia possibile osservare i suoi cromosomi?
 I ragazzi vengono guidati a concludere che la cellula deve trovarsi nella fase di divisione, perché la cromatina sia condensata nei cromosomi.
  
In che fase della divisione cellulare è più opportuno che si trovino i cromosomi affinché sia possibile osservarli? 
I ragazzi arriveranno a concludere che la cellula deve trovarsi in metafase perché i cromosomi sono disposti ordinatamente nel piano equatoriale della cellula.  

Come è possibile estrarre i cromosomi dalla cellula? 
I ragazzi ipotizzeranno che è necessario rompere la membrana, e che si può provocare la lisi della cellula con una soluzione ipotonica.  

Come vengono messi in evidenza i cromosomi per poterli osservare? 
Attraverso una colorazione specifica. Il docente rivela che viene usato il colorante GIEMSA che non solo colora il cromosoma, ma mette anche in evidenza dei “bandeggi”, righe orizzontali che dipendono dalla diversa composizione del DNA. I bandeggi sono altamente specifici per ogni cromosoma, tanto da aiutare nell’identificazione del cromosoma e di eventuali traslocazioni e riarrangiamenti.  

Fase 2 – circa 2h

1) Il docente fornisce le indicazioni di lavoro:  

• individuare le coppie di cromosomi omologhi sulla base delle dimensioni (misura precisa con il righello) e dei bandeggi (righe orizzontali che dipendono dalla diversa composizione del DNA e che sono altamente specifiche per ogni cromosoma); 
• ritagliare i cromosomi (ritagliare dei rettangolini attorno al cromosoma, non è necessario seguirne la curvatura), disporre le coppie di cromosomi omologhi dal più grande (numero 1) al più piccolo (convenzionalmente il numero 22 anche se il più piccolo è in realtà il numero 21) e in ultimo i cromosomi sessuali;  
• tutti i cromosomi dovranno essere allineati rispetto al centromero (restringimento che costituisce il sito di attacco al fuso meiotico e mitotico) e disposti con i bracci corti verso l’altro e i bracci lunghi verso il basso. Infine, incollare i cromosomi.  

2) I ragazzi iniziano a costruire il cariogramma. 

3) Analisi dei risultati.

Ogni ragazzo dovrebbe ottenere un cariogramma simile a quello riportato nella figura 6. Nello specifico, questo cariogramma è stato ottenuto con il set C (figura 3), pertanto riporta la trisomia del cromosoma 18 associata alla sindrome di Edwards. In base al set di partenza, ogni studente dovrebbe accorgersi che i cromosomi omologhi, in un caso, non sono due ma tre; quindi, comprenderà di aver individuato una trisomia.

Il docente potrà stimolare i ragazzi a cercare nel web informazioni relative alla trisomia individuata, in modo da poterla identificare e da approfondire la sindrome che ne deriva. È consigliabile guidare i ragazzi nella ricerca, per evitare che trovino nel web notizie troppo complesse o impressionanti. L’attività di approfondimento potrà essere svolta in asincrono, cioè come compito da eseguire a casa; durante la lezione successiva i ragazzi riporteranno le notizie che avranno trovato e le condivideranno con i compagni. 

Fase 3 – circa 1h

Restituzione degli approfondimenti, verifica della comprensione, risposte ad eventuali richieste di chiarimento o curiosità. I ragazzi vengono guidati in riflessioni e confronti.

Verrà posta attenzione alla frequenza con cui si presentano le diverse sindromi individuate (1/700 Down, 1/1000 nati maschi Klinefelter), mettendo quindi alla prova le competenze matematiche acquisite (concetto di frequenza, calcolo del rapporto). In relazione alla tipologia di classe con cui si sta lavorando e del tempo che si intende investire per l’argomento, si potrà proseguire con analisi matematiche più approfondite. Ad esempio, attraverso l’uso delle proporzioni e della notazione scientifica con esponente negativo, a partire dalla dimensione di un paio di basi (1 bp è circa 0,34 nm) e dalla dimensione di un cromosoma in bp, si potrà determinare la lunghezza di un cromosoma non condensato e si potrà comprendere la necessità del superavvolgimento del DNA (il DNA umano non superavvolto è lungo quasi due metri).

Utilizzando la scala di ingrandimento e riduzione, si potrà poi risalire all’ingrandimento della foto che era stata loro consegnata. Con queste attività potrà essere sottolineata la valenza della matematica come disciplina trasversale, cioè strumento necessario per analizzare altri campi di studio ed esprimere valutazioni oggettive e confrontabili. Verrà poi spiegata l’utilità in ambito diagnostico della costruzione di un cariogramma e questo metodo d’indagine potrà essere paragonato all’uso delle banche dati computerizzate (NCBI-BLAST). Per favorire l’approccio interdisciplinare (sociologia e storia), si potrà spiegare che lo studio del cariotipo è stato utile per ricostruire alcune rotte delle diverse migrazioni umane (es. vichinghi). 

Fase 4 – circa 1h

Verrà chiesto ai ragazzi di scrivere una relazione sull’attività svolta. La relazione avrà il titolo “Allestimento del cariogramma” e verrà elaborata secondo lo schema: materiale occorrente, esecuzione, analisi e conclusioni, note e cenni teorici. La relazione viene redatta in classe e poi viene valutata in termini di chiarezza espositiva e corretto uso del linguaggio specifico, correttezza e completezza della descrizione e della spiegazione, pertinenza e ampiezza dell’approfondimento finale.  

Note e storia

Non tutti i ragazzi hanno adeguate capacità organizzative e abilità manuali sufficienti per completare con successo questa attività. Non è scontato, infatti, che gli studenti sappiano mettere in atto le indicazioni di lavoro. Ad esempio, alcuni studenti potrebbero appaiare i cromosomi sbagliati a causa di misurazioni poco precise, individuando la trisomia errata. Pertanto, potrà essere necessaria una guida durante l’attività di laboratorio. Alcuni studenti potrebbero dover ripetere a casa o correggere in qualche parte l’attività svolta. 

Per eventuali approfondimenti in merito alle sindromi connesse alle trisomie prese in esame, il sito dell’Ospedale Pediatrico Bambino Gesù è solo una delle possibili fonti di informazione cui i ragazzi possono accedere; tuttavia, si suggerisce di indirizzare i ragazzi nella ricerca di informazioni perché possono essere trovati contenuti troppo complessi o impressionanti per la loro età.   

Si ringrazia il prof. Giuseppe Micieli per le schede/allegati e il link al sito da cui sono state prese le immagini.

Bibliografia

• Sindromi cromosomiche – Ospedale pediatrico Bambino Gesù 
• Chromosome Study – Biology Corner (fonte delle immagini fornite agli studenti)
• Le anomalie cromosomiche: allestimento di un cariotipo – Esperimento LS-OSA per le scuole secondarie di II grado

Autori

 Silvia Bianconi, I.C. Perugia 11, Perugia