lesson 2: analyzing chromosomes

35
M. Demsky, T. Mercado, ASHG GENA 2008 Cohort Learning Cycle Stage(s): Explore/Explain/Elaborate/Evaluate Adapted from: Adventures in Karyotyping Marcy Demsky, Sachem North High School NY Theresa Mercado, State University of New York at Stony Brook, NY ASHG Concept(s) Addressed: Nature of geneƟc material #2 Time Required: 130140 minutes [Adapted from hƩp://home.earthlink.net/~heinabilene/karyotypes/karyoty.htm] Explore 1) Have students read “IntroducƟon to Karyotyping” (Appendix I). Discuss the following quesƟons with the class: What is the purpose of a karyotype? What informaƟon does it tell you? How is karyotyping done? Why is it important that cells are arrested at metaphase? Since we are dealing with human karyotypes, how many matched pairs of chromosomes would you expect to see for a female? For a male? 2) For this acƟvity, students will work as cytogeneƟc technologists to complete a parƟal karyotype by cuƫng out the remaining chromosomes in the spread and matching them with their homologs. Students should then determine the chromosome complement of their karyotype (e.g., 46, XX). Pass out copies of: “ClassicaƟon of Chromosomes for Karyotyping” (Appendix II), the parƟally completed karyotype (Appendix III), and the corresponding metaphase spread (Appendix IV). Going further: Students can explore the careers of various geneƟcs professionals using the following resource: hƩp://www.ashg.org/educaƟon/careers.shtml PrinƟng of the karyotypes from the Appendixes provided should be done on a good quality printer for opƟmal chromosome visualizaƟon. Explain 1) Discuss the results of the karyotype as a class. Ask students what the chromosome complement of the paƟent is. Is the paƟent male or female? How do they know? Are any chromosomal abnormaliƟes present? Ask students if they noƟce anything about the homologous pairs of chromosomes. Hopefully students will noƟce that in this case, the homologs are idenƟcal. Ask if this is the case in real life. Let them know that this was done on purpose to get them accustomed to matching the chromosomes. In the next part of the lab, they will encounter a “real” metaphase spread and the homologs will be dierent. 2) Introduce students to the two broad categories of chromosome abnormaliƟes, numerical abnormaliƟes and structural abnormaliƟes. Discuss how these types of abnormaliƟes occur (students should already be familiar with meiosis) through nondisjuncƟon and errant repair of doublestranded DNA breaks, respecƟvely. Introduce the terms monosomy, trisomy, and translocaƟon. Ask students how they think these abnormaliƟes might aect a paƟent. 20 min 2030 min 5 min 15 min The GeneƟcistEducator Network of Alliances Project NSF EHR#0634296 www.ashg.org/educaƟon/gena.shtml Lesson 2: Analyzing Chromosomes

Upload: nguyendieu

Post on 02-Jan-2017

252 views

Category:

Documents


4 download

TRANSCRIPT

Page 1: Lesson 2: Analyzing Chromosomes

M. Demsky, T. Mercado, ASHG GENA 2008 Cohort 

Learning Cycle Stage(s):   Explore/Explain/Elaborate/Evaluate 

Adapted from:       Adventures in Karyotyping         Marcy Demsky, Sachem North High School NY         Theresa Mercado, State University of New York at Stony Brook, NY 

ASHG Concept(s) Addressed:   Nature of gene c material  #2 

Time Required:       130‐140 minutes 

[Adapted from h p://home.earthlink.net/~heinabilene/karyotypes/karyoty.htm]   Explore 1)  Have students read “Introduc on to Karyotyping” (Appendix I).  Discuss the following ques ons 

with the class:  What is the purpose of a karyotype? What informa on does it tell you?  How is karyotyping done? Why is it important that cells are arrested at metaphase?   Since we are dealing with human karyotypes, how many matched pairs of chromosomes would 

you expect to see for a female?  For a male? 2)  For this ac vity, students will work as cytogene c technologists to complete a par al karyotype by 

cu ng out the remaining chromosomes in the spread and matching them with their homologs. Students should then determine the chromosome complement of their karyotype (e.g., 46, XX).  Pass out copies of:   “Classifica on of Chromosomes for Karyotyping” (Appendix II),  the par ally completed karyotype (Appendix III),   and the corresponding metaphase spread (Appendix IV).    Going further: Students can explore the careers of various gene cs professionals using the fol‐

lowing resource: h p://www.ashg.org/educa on/careers.shtml   Prin ng of the karyotypes from the Appendixes provided should be done on a good quality 

printer for op mal chromosome visualiza on.  Explain 1)   Discuss the results of the karyotype as a class.  Ask students what the chromosome complement of 

the pa ent is.  Is the pa ent male or female?  How do they know?  Are any chromosomal abnor‐mali es present?   Ask students if they no ce anything about the homologous pairs of chromosomes.  Hopefully 

students will no ce that in this case, the homologs are iden cal.  Ask if this is the case in real life.  Let them know that this was done on purpose to get them accustomed to matching the chromosomes.  In the next part of the lab, they will encounter a “real” metaphase spread and the homologs will be different.  

2)   Introduce students to the two broad categories of chromosome abnormali es, numerical abnor‐mali es and structural abnormali es.  Discuss how these types of abnormali es occur (students should already be familiar with meiosis) through non‐disjunc on and errant repair of double‐stranded DNA breaks, respec vely.  Introduce the terms monosomy, trisomy, and transloca on.  Ask students how they think these abnormali es might affect a pa ent.   

   

20 min      

20‐30 min             

5 min        

15 min 

The Gene cist‐Educator Network of Alliances Project ● NSF EHR#0634296 ● www.ashg.org/educa on/gena.shtml 

Lesson 2: Analyzing Chromosomes 

Page 2: Lesson 2: Analyzing Chromosomes

M. Demsky, T. Mercado, ASHG GENA 2008 Cohort 

Elborate 1)  Tell students that now that they have some experience as cytogene c techonologists, they will re‐

visit the case studies they built pedigrees for in the previous lesson.  Give each group the appropri‐ate parental karyotypes (Appendix V), an envelope of the appropriate pre‐cut fetal chromosomes (Appendix VI), double‐sided tape, and blank paper.  Each group should create a fetal karyotype, and then determine the chromosomal complement of the pa ent, the pa ent’s gender, whether or not a chromosomal abnormality exists, and, if so, what that abnormality is.  a.  To prepare re‐usable pre‐cut chromosomes, discretely label the backs of each chromosome in 

Appendix VI with family name and chromosome number, laminate the sheets, then cut out the chromosomes and place each set in an envelope labeled with the family name.  

b.  To help students correctly iden fy chromosomes, it is helpful to cut the chromosomes from copies of the fetal karyotype answer keys such that one homolog retains the chromosome number.  

c.  Although they will not be directly used in this ac vity, students may also be given copies of the original metaphase spread (Appendix VII) to emphasize that some of the work has already been done.   

2)  Have each group prepare a short, five minute case review presenta on of their pedigree and kary‐otype results for the class using the Case Review Prepara on Worksheet (Appendix VIII).  Students can find more informa on about par cular abnormali es by visi ng h p://home.earthlink.net/~heinabilene/karyotypes/karyoty.htm.  

3)  During the presenta ons, students from each group should take turns addressing the ques ons from the prepara on worksheet using their assembled pedigree and karyotypes for reference (use a document viewer to project them to the class).  Have students in the audience keep track of each case using the Case Review Analysis Worksheet (Appendix IX).  

 Evaluate   Students will reprise their roles as gene c counselors and compose a le er to the parents of their 

pa ent explaining their findings.  Give students a copy of both the le er guidelines (Appendix X) and the evalua on rubric (Appendix XI). While students may work in their groups to structure the le er, each student should individually submit a professional le er wri en in their own words.  a.  The group focusing on the Doherty case should be informed that while karyotyping revealed a 

normal chromosomal complement, subsequent screening revealed a genotype associated with cys c fibrosis.   

b.  Likewise, the group focusing on the Jackson case should be informed that further screening indicated the presence of a genotype associated with sickle cell anemia.   

 20 min 

              

20 min    

30 min      

HW 

The Gene cist‐Educator Network of Alliances Project ● NSF EHR#0634296 ● www.ashg.org/educa on/gena.shtml 

Page 3: Lesson 2: Analyzing Chromosomes

M. Demsky, T. Mercado, ASHG GENA 2008 Cohort 

Appendix I CYTOGENETICS LAB ‐ KARYOTYPING 

 Name:________________________________________________    Date:________________   Period:____________ 

Special thanks to [email protected], and [email protected]                 

      Metaphase Spread          Karyotype   Introduc on to Karyotyping  Karyotyping is the process by which cytogene cists take photographs of chromosomes in order to determine the chro‐mosome complement of an individual, including the number of chromosomes and any abnormali es.  White blood cells, cells obtained from amnio c fluid, or cells from cancerous tumors are cultured (incubated) in media containing essen al nutrients, at a temperature that resembles the body, allowing the cells to con nue to undergo mitosis. Mitosis is stopped at metaphase using chemicals, and the cells are ‘harvested’ and then placed onto a micro‐scope slide, spread out, and stained so they can be seen.  The most commonly used stain, Giemsa, stains densely packed DNA more darkly than less‐densely packed DNA, crea ng a characteris c banding pa ern for each chromo‐some.  The cells are viewed under a microscope that is specially adapted with a camera to take a picture of the chro‐mosomes from one or more of the cells.  Once the picture is taken and enlarged, the chromosomes are cut out and arranged in pairs according to size, banding pa ern, and loca on of the centromere. There are 22 pairs of chromosomes called autosomes, which should match up exactly. In females the XX sex chromosomes match, while in males, the XY sex chromosomes do not match.  Karyotypes all cytogene c technologists, medical gene cists, or gene c counselors to determine whether a diagnosed birth defect is due to a chromosomal abnormality or to predict whether a fetus may be at risk for a gene c disorder.     

The Gene cist‐Educator Network of Alliances Project ● NSF EHR#0634296 ● www.ashg.org/educa on/gena.shtml 

Page 4: Lesson 2: Analyzing Chromosomes

M. Demsky, T. Mercado, ASHG GENA 2008 Cohort 

MATERIALS: scissors double‐sided tape karyotyping sheets photograph of metaphase spread  PROCEDURE: 1)   Obtain a metaphase spread and par ally completed karyotype.  2)  Cut out each chromosome remaining in the spread individually.  3)  Match the chromosomes with their homologous companion on the karyotype. For example, chromosome #1 is the 

largest. Its corresponding match should be of the same size, with the same banding pa ern, and have the same centromere loca on. 

 4)  Using double‐sided tape, affix the chromosome pairs to the karyotype sheet.  5)  Determine the karyotype and write it in the space provided. 

The Gene cist‐Educator Network of Alliances Project ● NSF EHR#0634296 ● www.ashg.org/educa on/gena.shtml 

Page 5: Lesson 2: Analyzing Chromosomes

M. Demsky, T. Mercado, ASHG GENA 2008 Cohort 

Appendix II Classifica on of Chromosomes for Karyotyping  

                       

 Chromosomes are arranged into seven groups based on size, centromere loca on, and banding pa ern.  Centromeres can be found:  In the middle of a chromosome (metacentric)  Closer to one end than the other (submetacentric)  Very close to one end (acrocentric)  Group A: chromosomes 1‐3 are largest with metacentric centromeres 

Group B: chromosomes 4‐5 are large with submetacentric centromeres 

Group C: chromosomes 6‐12 are medium‐sized with submetacentric centromeres 

Group D: chromosomes 13‐15 are medium‐sized with acrocentric centromeres 

Group E: chromosomes 16‐18 are short with submetacentric centromeres 

Group F: chromosomes 19‐20 are short with metacentric centromeres 

Group G: chromosomes 21‐22 are very short with acrocentric centromeres 

Chromosome X is similar to group C, Chromosome Y is similar to group G 

The Gene cist‐Educator Network of Alliances Project ● NSF EHR#0634296 ● www.ashg.org/educa on/gena.shtml 

Page 6: Lesson 2: Analyzing Chromosomes
Terry
Typewritten Text
HALF KARYOTYPE - DAY 1
klontok
Typewritten Text
klontok
Typewritten Text
klontok
Typewritten Text
Appendix III
klontok
Typewritten Text
klontok
Typewritten Text
klontok
Typewritten Text
Page 7: Lesson 2: Analyzing Chromosomes
Terry
Typewritten Text
HALF METAPHASE - DAY 1
klontok
Typewritten Text
Appendix IV
Page 8: Lesson 2: Analyzing Chromosomes
Terry
Typewritten Text
MRS RAMIREZ
klontok
Typewritten Text
Appendix V
Page 9: Lesson 2: Analyzing Chromosomes
Terry
Typewritten Text
MR. RAMIREZ
Page 10: Lesson 2: Analyzing Chromosomes
Terry
Typewritten Text
MRS. WOLF
Page 11: Lesson 2: Analyzing Chromosomes
Terry
Typewritten Text
MR WOLF
Page 12: Lesson 2: Analyzing Chromosomes
Terry
Typewritten Text
MRS. SINGH
Page 13: Lesson 2: Analyzing Chromosomes
Terry
Typewritten Text
MR SINGH
Page 14: Lesson 2: Analyzing Chromosomes
Terry
Typewritten Text
MRS. JACKSON
Page 15: Lesson 2: Analyzing Chromosomes
Terry
Typewritten Text
MR JACKSON
Page 16: Lesson 2: Analyzing Chromosomes
Terry
Typewritten Text
MRS.GREENE
Page 17: Lesson 2: Analyzing Chromosomes
Terry
Typewritten Text
MR GREENE
Page 18: Lesson 2: Analyzing Chromosomes
Terry
Typewritten Text
MRS DOHERTY
Page 19: Lesson 2: Analyzing Chromosomes
Terry
Typewritten Text
MR. DOHERTY
Page 20: Lesson 2: Analyzing Chromosomes
Terry
Typewritten Text
DOHERTY FETUS
klontok
Typewritten Text
klontok
Typewritten Text
46, XX (normal)
klontok
Typewritten Text
klontok
Typewritten Text
klontok
Typewritten Text
Appendix VI
Page 21: Lesson 2: Analyzing Chromosomes
Terry
Typewritten Text
GREENE FETUS
klontok
Typewritten Text
47, XX +21 (trisomy 21, Down syndrome)
klontok
Typewritten Text
Page 22: Lesson 2: Analyzing Chromosomes
Terry
Typewritten Text
JACKSON FETUS
klontok
Typewritten Text
46, XY (normal)
klontok
Typewritten Text
Page 23: Lesson 2: Analyzing Chromosomes
Terry
Typewritten Text
SINGH FETUS
klontok
Typewritten Text
45, XY, t(13:14) (Robertsonian translocation of 13 and 14)
klontok
Typewritten Text
klontok
Typewritten Text
klontok
Typewritten Text
klontok
Typewritten Text
Page 24: Lesson 2: Analyzing Chromosomes
Terry
Typewritten Text
RAMIERZ FETUS
klontok
Typewritten Text
klontok
Typewritten Text
46, XX, t(14:21) (Robertsonian translocation of 14 and 21, Down syndrome resulting from extra copy of 21)
klontok
Typewritten Text
klontok
Typewritten Text
klontok
Typewritten Text
klontok
Typewritten Text
Page 25: Lesson 2: Analyzing Chromosomes
Terry
Typewritten Text
WOLF CHILD
klontok
Typewritten Text
45, XO (monosomy X)
Page 26: Lesson 2: Analyzing Chromosomes
Terry
Typewritten Text
DOHERTY FETUS METAPHASE
klontok
Typewritten Text
Appendix VII
Page 27: Lesson 2: Analyzing Chromosomes
Terry
Typewritten Text
GREENE FETUS
Page 28: Lesson 2: Analyzing Chromosomes
Terry
Typewritten Text
JACKSON FETUS
Page 29: Lesson 2: Analyzing Chromosomes
Terry
Typewritten Text
SINGH FETUS
Page 30: Lesson 2: Analyzing Chromosomes
Terry
Typewritten Text
RAMIREZ FETUS
Page 31: Lesson 2: Analyzing Chromosomes
Terry
Typewritten Text
WOLF CHILD
Page 32: Lesson 2: Analyzing Chromosomes

M. Demsky, T. Mercado, ASHG GENA 2008 Cohort 

Appendix VIII Case Review Prepara on Worksheet 

1)   Did the pedigree analysis reveal any pa erns of miscarriage or inherited disease within your pa ent’s family?         2)  Why was chromosome analysis requested on your pa ent?       3)  What  ssue was used to obtain the karyotype?       4)  What is the chromosomal complement of your pa ent?  What is your pa ent’s sex?  How do you know?       5)  Did the karyotype reveal any chromosomal abnormali es?  Explain using your pa ent’s karyotype. 

a.  If so, how did the abnormality occur? Are they present in the parental karyotypes?   b.  If so, is there a phenotype associated with this abnormality? c.  If not, describe why not (what occurred properly?). 

      6)  If your pa ent’s karyotype did not reveal any chromosomal abnormali es, are there other inherited diseases in 

their family pedigree that the pa ent should be monitored for?  

The Gene cist‐Educator Network of Alliances Project ● NSF EHR#0634296 ● www.ashg.org/educa on/gena.shtml 

Page 33: Lesson 2: Analyzing Chromosomes

M. Demsky, T. Mercado, ASHG GENA 2008 Cohort 

Appendix IX   Case Review Analysis Worksheet 

  

The Doherty Fetus  What is the gender of the pa ent?  Normal or abnormal chromosomes?  Reason for (ab)normality?  Normal or abnormal phenotype?  Expected to be healthy or unhealthy?    The Greene Newborn  What is the gender of the pa ent?  Normal or abnormal chromosomes?  Reason for (ab)normality?  Normal or abnormal phenotype?  Expected to be healthy or unhealthy?    The Jackson Fetus  What is the gender of the pa ent?  Normal or abnormal chromosomes?  Reason for (ab)normality?  Normal or abnormal phenotype?  Expected to be healthy or unhealthy? 

The Gene cist‐Educator Network of Alliances Project ● NSF EHR#0634296 ● www.ashg.org/educa on/gena.shtml 

The Ramirez Fetus  What is the gender of the pa ent?  Normal or abnormal chromosomes?  Reason for (ab)normality?  Normal or abnormal phenotype?  Expected to be healthy or unhealthy?    The Singh Fetus  What is the gender of the pa ent?  Normal or abnormal chromosomes?  Reason for (ab)normality?  Normal or abnormal phenotype?  Expected to be healthy or unhealthy?    The Wolf Fetus  What is the gender of the pa ent?  Normal or abnormal chromosomes?  Reason for (ab)normality?  Normal or abnormal phenotype?  Expected to be healthy or unhealthy? 

Page 34: Lesson 2: Analyzing Chromosomes

M. Demsky, T. Mercado, ASHG GENA 2008 Cohort 

Appendix X  You are the Gene c Counselor that met with the family whose chromosomes you worked on as a Cytogene c Technol‐ogist. Your final assignment is to write a le er to the family and explain their results to them in words that they can understand (not in gene c terminology!).  Be sure to cover the following pieces of informa on in your le er.  Dear Mr. & Mrs. __________________________,   Describe the purpose of the le er. 

Review  why chromosome analysis was recommended for their fetus/newborn. 

Explain how the analysis was performed, from obtaining the chromosomes to producing a finished karyotype. 

Describe how the available parental chromosomes were helpful or not helpful for the diagnosis of their fetus/newborn. 

What did their fetal/newborn karyotype reveal? Were the chromosomes numerically or structurally normal or ab‐normal? 

If the chromosomes were abnormal, describe in words that the pa ent can understand how the abnormality oc‐curred. 

What are the implica ons of these chromosome results for their fetus/newborn? Is their fetus/newborn expected to have any medical problems? If so, describe them. 

Were there any other problems detected a er the chromosome analysis was performed? Explain. 

Do you recommend any addi onal tes ng be performed on their fetus/newborn? (addi onal ultrasounds to fur‐ther study organ structure, etc.) 

What is the likelihood that this problem (if evident) could happen again in a future pregnancy? What is the recur‐rence risk? Explain why they should/should not be concerned. 

Close your le er professionally and sign your name.  

The Gene cist‐Educator Network of Alliances Project ● NSF EHR#0634296 ● www.ashg.org/educa on/gena.shtml 

Page 35: Lesson 2: Analyzing Chromosomes

M. Demsky, T. Mercado, ASHG GENA 2008 Cohort 

Appendix XI 

The Gene cist‐Educator Network of Alliances Project ● NSF EHR#0634296 ● www.ashg.org/educa on/gena.shtml 

CATEGORY  4  3  2  1 

Saluta on & Closing 

Saluta on and closing have no errors in capitali‐za on and punctu‐a on. 

Saluta on and closing have 1‐2 errors in capitali‐za on and punctu‐a on. 

Saluta on and closing have 3 or more errors in capitaliza on and punctua on. 

Saluta on and/or closing are miss‐ing. 

Sentences & Paragraphs 

Sentences and paragraphs are complete, well‐constructed, and of varied struc‐ture. 

All sentences are complete and well‐constructed (no fragments, no run‐ons). Paragraphs are generally well‐structured. 

Most sentences are complete and well‐constructed. Paragraph struc‐ture needs some work. 

Many sentence fragments or run‐on sentences OR‐paragraph struc‐ture needs lots of work. 

Grammar & Spelling 

Writer makes no errors in grammar or spelling. 

Writer makes 1‐2 errors in grammar and/or spelling. 

  

Writer makes 3‐4 errors in grammar and/or spelling. 

Writer makes more than 4 er‐rors in grammar and/or spelling. 

Ideas  Ideas were ex‐pressed in a clear and organized fashion. It was easy to figure out what the le er was about. 

Ideas were ex‐pressed in a pre y clear manner, but the organiza on could have been be er. 

Ideas were some‐what organized, but were not very clear. It took more than one reading to figure out what the le er was about. 

The le er seemed to be a collec on of unrelated sen‐tences.  It was very difficult to figure out what the le er was about. 

Content Accu‐racy 

The le er contains at least 9 accurate facts about the topic. 

The le er contains 7‐8 accurate facts about the topic. 

The le er contains 4‐5 accurate facts about the topic. 

The le er con‐tains less than 4 accurate facts about the topic. 

Length  The le er contains 6 or more para‐graphs. 

The le er contains 5 paragraphs. 

The le er contains 4 paragraphs. 

The le er is less than 4 para‐graphs. 

Capitaliza on & Punctua on 

Writer makes no errors in capitali‐za on and punctu‐a on. 

Writer makes 1‐2 errors in capitali‐za on and punctu‐a on. 

Writer makes 3‐4 errors in capitali‐za on and punctu‐a on. 

Writer makes more than 4 er‐rors in capitaliza‐on and punctua‐on. 

Format  Complies with all the requirements for an informa ve le er. 

Complies with 95% of the re‐quirements for an informa ve le er. 

Complies with 80% of the re‐quirements for an informa ve le er. 

Complies with less than 75% of the requirements for an informa ve le er.