Afwijkingen kunnen aan het licht komen die ten grondslag liggen aan genetische ziekten door het aantal en de fysieke kenmerken van chromosomen te beschrijven. Deze beschrijving wordt vergemakkelijkt door speciale kleuringstechnieken die een bepaald streeppatroon op elk chromosoom produceren. State-of-the-art technieken maken deze aanpak nog krachtiger, waardoor individuele ziekteverwekkende genen kunnen worden opgespoord.
Sommige genetische ziekten kunnen worden opgespoord door te kijken naar de structuur en het aantal chromosomen dat ontstaat wanneer het DNA tijdens mitose wordt samengeperst. Zodra chromosomen zijn gevormd, stoppen cytogenetici de mitose en voeren ze de kleuring uit. De kleuring produceert een duidelijk streeppatroon dat verschillende kenmerken onthult, zoals het aantal, de vorm en het type chromosomen. Zo'n beschrijving van de chromosomen van een individu wordt een karyotype genoemd.
Om karyotypering te vergemakkelijken, wordt een afbeelding gemaakt van het gekleurde chromosomen en individuele chromosomen worden geïdentificeerd en uit de afbeelding geknipt. De chromosomen worden vervolgens in paren en op grootte gerangschikt. Deze layout wordt een karyogram genoemd. In een menselijk karyogram zijn de 22 autosomen gelabeld van 1 tot 22, van het grootste tot het kleinste paar. De twee geslachtschromosomen zijn gelabeld met X of Y. Een karyogram maakt het gemakkelijk om ontbrekende of extra stukjes van een chromosoom, of een extra kopie van een chromosoom, op te sporen die ten grondslag kunnen liggen aan genetische ziekten.
Marthe Gautier, Jérôme Lejeune en Raymond Turpin ontdekten in 1959 dat patiënten met het syndroom van Down een derde exemplaar van chromosoom 21 hadden. Het syndroom van Down wordt daarom ook wel trisomie 21 genoemd. Mensen met het syndroom van Down hebben doorgaans een milde tot ernstige verstandelijke beperking en lichamelijke symptomen, waaronder een vertraagde groei, maar individuen verschillen sterk in de mate waarin ze worden beïnvloed. Het syndroom van Down wordt veroorzaakt wanneer de kopieën van chromosoom 21 niet in verschillende sperma of eicellen worden gescheiden tijdens de meiose. Het resultaat is een kiemcel met 24 chromosomen in plaats van de gebruikelijke 23. Wanneer zo'n kiemcel tijdens de bevruchting versmelt met een cel van de andere ouder, heeft de resulterende zygoot 47 chromosomen. In een klein percentage van het syndroom van Down gevallen is er slechts een extra stukje chromosoom 21 aanwezig, meestal versmolten met een ander chromosoom.
Vanwege de vooruitgang in de moleculaire biologie, scheikunde en instrumentatie halen cytogenetici tegenwoordig veel meer informatie uit een karyogram dan alleen het aantal chromosomen en hun structuur. De van korstmos afkomstige kleurstof die in de eerste cytogenetische onderzoeken werd gebruikt, is vervangen door stabielere kleurstoffen zoals Giemsa. Giemsa kleurt sommige delen van de DNA-streng sterker dan andere, afhankelijk van de base samenstelling en chromatinestructuur. Het resulterende patroon van kleurintensiteit wordt G-banding genoemd. Dit patroon is reproduceerbaar en identiek voor individuen van een soort, dus afwijkingen zijn gemakkelijk te herkennen. Er zijn verschillende methoden beschikbaar om bandpatronen te produceren, die de diagnose van verschillende chromosomale afwijkingen vergemakkelijken.
