Meiosi

Meiosi

La meiosi è un meccanismo di divisione che porta a formare cellule specializzate per un tipo di riproduzione che viene chiamata sessuata. Abbiamo cellule specializzate che generano individui che poi sono geneticamente diversi rispetto agli individui di partenza.

La meiosi, rispetto alla mitosi, non può essere compiuta in maniera ciclica, perché va a cambiare il numero di cromosomi della cellula di partenza, che viene chiamata germinale.

Le cellule germinali si riproducono per meiosi portando alla formazione dei gameti.

La germinale, quando si riproduce per meiosi, forma la cellula che ha un corredo cromosomico che è la metà di quello di partenza e, cambiandogli il numero di cromosomi, gli si impedisce di dividersi ulteriormente.

Per fare la meiosi devo partire da un corredo cromosomico diploide.

Corredo diploide e aploide

Cosa vuol dire diploide? Vuol dire che all’interno della cellula, bisogna avere, per ogni tipo di cromosoma, due rappresentanti. I rappresentanti si riconoscono bene, perché i cromosomi si distinguono tra di loro per le dimensioni, per la posizione del centromero, tant’è che i due bracci sono in posizione e lunghezza diversa.

Mentre, se si ha un solo rappresentante per cromosoma si parla di corredo aploide.

Vengono indicati questi due rappresentanti anche con le sigle 2n e n: n sta per numero di cromosomi e nell’organismo diploide significa che ogni cromosoma è presente in coppia. Moltissimi eucarioti sono diploidi, ci sono alcuni organismi aploidi, ma spesso quando lo sono hanno un ciclo vitale che fa passare l’organismo dalla fase aploide alla fase diploide.

I batteri sono aploidi, perché, anche se hanno più di un cromosoma, sono sempre tutti diversi, quindi sono sempre n.

Gli eucarioti possono essere aploidi, diploidi, ma le piante possono essere tetraploidi o poliploidi, ovvero possono avere più rappresentanti per tipo di cromosoma.

La caratteristica fondamentale per la meiosi è partire da una condizione diploide.

Cosa vuol dire essere un rappresentante di un cromosoma? Vuol dire, non solo avere la stessa forma, avere la stessa posizione del centromero, ma significa portare gli stessi geni. Quando si portano gli stessi geni, nella stessa posizione fisica del cromosoma, i due rappresentanti vengono chiamati cromosomi omologhi.

Quindi la presenza di un corredo diploide, in un individuo che si riproduce sessualmente, presuppone la presenza di cromosomi omologhi, uno derivato del genitore e uno dall’altro genitore. Cosa che non si può dire quando il corredo è aploide.

Se si considera un individuo diploide, quando le sue germinali si riproducono, le sue germinali saranno aploidi: quindi, in un organismo diploide, le uniche cellule aploidi sono i gameti, i prodotti della meiosi.

Cariotipo e cromosomi sessuali

Il mio corredo cromosomico tutto ordinato forma il cariotipo.

Come vengono ordinati i cromosomi? Vengono ordinati per tipo; si possono osservare anche utilizzando un colorante fluorescente, perché i cromosomi omologhi danno lo stesso bendaggio di colore. Quindi si riconoscono, perché reagiscono allo stesso modo ai coloranti.

Siccome il cariotipo lo faccio estraendo il DNA durante la metafase, ogni cromosoma com’è fatto? Ogni cromosoma è costituito da due molecole di DNA, da due cromatidi fratelli. Quando si osserva il cariotipo si ha i vari cromosomi omologhi, due rappresentanti per tipo, ma ogni cromosoma ha un contenuto doppio di molecole di DNA. Tutti i cromosomi che non portano geni, non coinvolti nella determinazione del sesso prendono il nome autosomi, mentre quelli che contengono i geni per la determinazione del sesso sessuali.

Nel caso dell’uomo abbiamo 23 coppie, di cui 22 autosomi e poi una coppia che determina il sesso, 1 coppia di cromosomi sessuali.

Nel caso del cromosoma Y è molto piccolo, ci sono pochissimi geni e sono quasi tutti coinvolti nella determinazione del sesso, di tutti i caratteri secondari.

Mentre, nel cromosoma X, è più grande e contiene i geni, abbiamo sia i caratteri legati alla determinazione del sesso che anche i caratteri importanti per svolgere determinate funzioni cellulari. Non è soltanto un cromosoma che caratterizza il sesso dell’individuo. Questo cariotipo è importante perché permette di capire subito se ci sono delle anomalie cromosomiche, all’interno dell’individuo, o se i cromosomi possono avere lunghezze diverse rispetto a quelle normali, quindi più grandi o più piccoli.

Cromosomi omologhi, alleli e fenotipo

Perché si parla di cromosomi omologhi? Cromosomi omologhi = stessa forma e stessa informazione genetica. Eccezione per i cromosomi sessuali X e Y.

I cromosomi omologhi devono avere la stessa dimensione, ma devono portare nella stessa posizione fisica, che in genetica viene chiamata locus genico, la stessa sequenza nucleotidica, lo stesso gene. Non è detto che poi dai due cromosomi omologhi si ottenga lo stesso prodotto identico, ma i due loci portano a regolare la stessa funzione.

Ad esempio, gli alleli, forme alternative di uno stesso gene, portano a produrre un prodotto che permette di regolare il colore del pelo di un animale. Occupano lo stesso locus genico sui cromosomi omologhi. Stessa informazione genetica ma espressa in modo diverso.

Le forme alternative di uno stesso gene li troviamo sui cromosomi omologhi. Possiamo dire, anche, che i cromosomi omologhi sono cromosomi che portano alleli, forme alternative di uno stesso gene. L’importante è che si vada a controllare la stessa funzione.

Se gli alleli seguono la genetica mendeliana, di solito uno prevale sull’altro a livello fisico. Quando seguono la genetica mendeliana, ce ne rendiamo conto perché gli alleli vengono scritti con una lettera grande e piccola: l’allele dominante è scritto in grande, quello recessivo in piccolo. Se si fa la combinazione dei due alleli si ottiene il genotipo per quel gene: avendo due alleli diversi per lo stesso gene ho un individuo eterozigote. L’effetto fisico del genotipo è il fenotipo.

Esistono poi geni che non seguono la genetica mendeliana.

Quindi da un punto di vista genetico, il genotipo è l’insieme di tutte le combinazioni di alleli che, di tutti i miei geni. Il fenotipo è il suo effetto fisico. In realtà la sua manifestazione fisica dipende anche da altri fattori esterni.

Divisione meiotica

La meiosi parte da cellule diploidi e l'intento è quello di andare a creare delle cellule specializzate chiamate gameti, che hanno un corredo cromosomico dimezzato, perché poi questi gameti riformeranno l'organismo diploide semplicemente attraverso una unione tra di loro, tra il nucleo di un gamete maschile con quello femminile.

Cosa si fa per avere la divisione meiotica? Anche nel caso della divisione meiotica, noi abbiamo una fase di preparazione, l’interfase, nella quale la cellula aumenta di dimensioni, perché anche nel caso della meiosi è importantissimo il rapporto superficie-volume, si duplicano tutte le strutture di cui abbiamo bisogno.

Come nel caso della mitosi, abbiamo una fase S con la replicazione del DNA; dopo la fase S ogni cromosoma omologo è sotto forma di cromatidi fratelli.

Qual è la differenza? La differenza è che abbiamo una sola fase di preparazione grande, con una sola replicazione del DNA, ma due consecutive divisioni del materiale genetico. Quindi, abbiamo un'interfase, una meiosi 1 e una meiosi 2.

Nella meiosi 1 si separano i cromosomi omologhi.

Nella meiosi 2, che è simile alla mitosi, si separano i cromatidi fratelli.

Quindi, la condizione di aploidia, se io parto da un diploide, si ottiene quando vado a separare i cromosomi omologhi. Quindi quando separo i cromosomi omologhi, separo gli alleli, divento aploide, faccio la seconda divisione soltanto per riportare il mio DNA a quantità giuste, cioè un cromosoma e una sola molecola di DNA.

Questi sono cromosomi con un numero doppio di DNA e non va bene, devo ritornare alla condizione di partenza, dove sempre, per tutte le cellule, prima di dividersi, ogni cromosoma ha una sola molecola di DNA.

I gameti sono cellule aploidi che non si possono più dividere; le cellule diventano aploidi alla fine della meiosi 1, in realtà nell'anafase della meiosi 1. Quindi parto da una cellula che è diploide, ma la cellula prima di entrare in interfase e di replicare il proprio DNA ha un cromosoma, una singola molecola di DNA. I cromosomi omologhi possono avere forme alternative dello stesso gene, alleli possono essere identici o avere veramente forme alternative: all'inizio della prima meiosi, nell'interfase replico il mio DNA, ogni cromosoma è fatto da due cromatidi fratelli. Quando arrivo in G2 e devo fare la prima divisione meiotica, ogni cromosoma è sotto forma di due cromatidi fratelli, esattamente come accade nella mitosi.

La differenza qui è che, nella mitosi non mi importa la presenza dei cromosomi omologhi, devo separare il materiale genetico in due parti uguali alle due cellule, quindi mantenere la diplodia.

Nella meiosi invece si comincia a lavorare sui cromosomi omologhi. Quindi, ho, nel caso della meiosi, due divisioni meiotiche precedute soltanto da un'unica interfase che non può essere più ripercorsa: l'interfase è identica alla mitosi, quindi avrò una fase G1, una fase S e una fase G2. Trovate la cellula in interfase con il nucleolo attivo, sta facendo la sintesi, nella tarda fase G2 ha duplicato il centrosoma, nella fase S ha replicato il DNA e poi entra nella profase. Le divisioni delle varie fasi sono simili a quelle della mitosi, quindi trovate spesso nei libri la profase, la prometafase o direttamente la metafase, anafase, telofase, citocinesi.

Profase della meiosi 1

In realtà la profase della meiosi 1 è la fase più lunga di tutta la meiosi 1 e spesso viene suddivisa in sottofasi: leptotene, zigotene, pachitene, diplotene e diacinesi.

È la meiosi 1 la parte più importante per l'effetto finale della meiosi.

Nel leptotene si comincia a condensare la cromatina, l'involucro nucleare è ancora presente perché andrà a frammentarsi soltanto alla fine della profase 1, quindi alla fine della fase chiamata diacinesi, in maniera molto simile a quello della mitosi. Quindi io vado a ipercondensare la cromatina sempre di più in modo tale da permettermi di vedere i vari cromosomi.

La cosa importante che succede inizialmente nello zigotene, è la comparsa di una serie di proteine, che vengono chiamate proteine del complesso sinaptinemale. Queste proteine sono in grado di riconoscere i cromosomi omologhi, che sono tutte e due sotto forma di cromatidi fratelli e di unirli, si posizionano nel mezzo e vanno a unire un cromosoma omologo con il suo cromosoma omologo, formando una tetrade, che è chiamata anche sinapsi.

Quindi, siccome la struttura è fatta da quattro molecole di DNA, quindi due cromosomi e quattro molecole di DNA, viene chiamata tetrade o sinapsi: le proteine sono state chiamate proteine del complesso sinaptinemale. Queste proteine vengono prodotte solo in meiosi e non durante la mitosi: la produzione di queste proteine permette l'unione dei cromosomi omologhi, cosa che in mitosi non si era verificata.

La comparsa delle proteine si ha nello zigotene e alla fine, quando si entra nella fase successiva della profase 1, che è il pachitene, si ha una cerniera proteica che ha unito i due cromosomi omologhi. Se non si producono queste proteine, non si uniscono i cromosomi omologhi, non c'è la meiosi.

Pachitene e crossing over

Nel pachitene si realizza la completa formazione della tetrade. La tetrade a cosa serve? Serve ad allineare tutti e tutti e due i cromosomi omologhi, quindi si allinea il DNA, quindi le sequenze nucleotidiche. Le sequenze nucleotidiche degli alleli, nello stesso locus genico, sono quasi identiche e quindi possono essere complementari.

Ovviamente ci saranno anche tratti non complementari perché se sono forme alternative hanno anche delle alternanti, però potrei avere, per esempio, un genotipo omozigote ed avere l'esatta sequenza nucleotidica.

L'appaiamento tra regioni complementari che portano sequenze nucleotidiche uguali, complementari, permette l'arrivo di enzimi chiamati ricombinasi, che non sono altro che delle endonucleasi, quindi degli enzimi in grado di rompere il legame fosfodiesterico dall'interno: staccano il confine dell'unità trascrizionale, rimuovono questo allele e lo scambiano. Perché si chiamano ricombinasi? Perché poi ricombinano i vari geni sullo stesso cromosoma.

Quindi vado ad unire i cromosomi omologhi in modo tale che le sequenze nucleotidiche che portano la stessa informazione, anche se in maniera diversa, sono perfettamente allineate. Permettono nel pachitene l'arrivo di queste ricombinasi che scambiano gli alleli, quindi un allele che era nel cromosoma paterno va in quello materno e viceversa. C'è un taglio preciso, cioè si toglie in maniera selettiva tutta l'unità trascrizionale, senza errori: se ci sono errori non c'è una ricombinazione ma c'è una mutazione.

La ricombinazione che abbiamo nel pachitene viene chiamata crossing over in genetica, o ricombinazione genica, perché ricombino tutte le combinazioni alleliche presenti su quel cromosoma. All’inizio abbiamo due cromatidi fratelli, in teoria identici, dopo il crossing over non sono più identici: li continuo a chiamare fratelli ma se vedete non hanno la stessa combinazione di geni, qui ho A grande e A piccolo.

Quindi ricombino i vari alleli di geni diversi tra di loro: le ricombinazioni avvengono sempre tra cromosomi omologhi, se avvenissero tra cromatidi fratelli non vedrei niente, non avrei traccia della ricombinazione, perché se io scambio tra cromatidi fratelli le combinazioni che ho qui dei vari geni rimangono le stesse.

Quindi l'evento più importante è nel pachitene ed è il crossing over.

I genetisti che studiano la meiosi sono in grado di riconoscere il numero di eventi di crossing over, a carico di una coppia di cromosomi omologhi, perché nel punto in cui c'è stato lo scambio del pezzetto di DNA, loro rimangono fisicamente legati insieme in una struttura che prende il nome di chiasma.

Quindi dopo il crossing over cosa succede? Le proteine del complesso sinaptinemale vengono rimosse perché non servono più, perché poi devo andare a separare i cromosomi omologhi, ma i due cromosomi rimangono uniti a livello del punto in cui c'è stato il crossing over.

Studiando questi punti di contatto fisico tra i due cromosomi omologhi, contandoli, sono in grado di capire quante sono state le ricombinazioni, gli eventi di crossing over per quel cromosoma. La presenza dei chiasmi è importantissima perché vi condiziona tutto il meccanismo di metafase e anafase e quindi anche il fatto che nell'anafase 1 io separo i cromosomi omologhi.

Quindi riesco a vedere il crossing over per la presenza dei chiasmi: anche se le proteine del complesso sinaptinemale sono andate via dopo il pachitene, nel diplotene io continuo ad avere legati i cromosomi omologhi per la presenza di questi punti di contatto chiamati chiasmi.

Si arriva alla diacinesi dove l'evento importante, che è la fine dell'anafase 1, è la scomparsa dell'involucro nucleare.

Gli eventi importanti sono l'unione dei cromosomi omologhi grazie a queste proteine sinaptinemali, l'evento di crossing over che ricombina l'associazione dei vari alleli tra di loro e il fatto di avere a questo punto anche un'unione fisica stabile fino a questo momento dei due cromosomi omologhi tra di loro.

Metafase, anafase e meiosi 2

Ovviamente come nel caso della mitosi, si lavora anche sul centrosoma, che si è duplicato in fase G1 e che ha cominciato a polimerizzare i microtubuli.

Il fuso meiotico è identico a quello mitotico, si forma esattamente nello stesso modo, esistono gli stessi tipi di microtubuli, quelli dell'aster, quelli polari e quelli del cinetocore e quindi funzionano esattamente nello stesso modo. Già in tarda profase, quando scompare l'involucro nucleare, i microtubuli che costituiscono il cinetocore entrano a contatto con i cromosomi.

Qual è però la differenza rispetto alla mitosi? I cromosomi sono allineati a coppie, non sono 46 tutti in fila, dove ognuno espone le proteine del cinetocore, una da una parte e una dall’altra, ma avendo avuto l’evento di crossing over ed essendo rimasti uniti i cromosomi omologhi con il chiasma, quando i microtubuli del cinetocore hanno polimerizzato, hanno legato i cromosomi a coppie perché c'è il chiasma. Se non ci fosse il chiasma e quindi l'evento di crossing over, io avrei una disposizione ordinata lungo il piano equatoriale esattamente come nella mitosi.

Quindi l'evento di crossing over mi permette di avere l'allineamento a coppie. Durante l’anafase, si separano i cromosomi omologhi: una coppia andrà in una cellula figlia, una coppia andrà nell'altra cellula figlia.

Otterrò, dalla meiosi 1, due cellule figlie che saranno aploidi, perché poi a quel punto avrete un rappresentante per tipo di cromosoma.

Quindi le cellule diventano aploidi nell’anafase 1 della meiosi 1.

Questa è la differenza tra la meiosi e la mitosi: gli eventi di chiasma vi permettono la separazione dei cromosomi omologhi. Quindi quando ho compiuto l’anafase, nell'anafase A sono i microtubuli del cinetocore che separano i cromosomi omologhi, quelli polari riformano la cellula, l'aster rimane legato al cortex cellulare e poi ho la telofase I, si riformano i nuclei intorno ai vari cromosomi e poi ho la citocinesi.

In realtà l'involucro nucleare non si riforma completamente, è soltanto un abbozzo, per permettere la divisione fisica della cellula in due cellule figlie, perché poi in realtà entra in gioco subito la meiosi 2.

La meiosi 2 non ha una vera e propria interfase, l'unica fase di preparazione che ha questa meiosi 2 è la duplicazione dei centrosomi: prima di entrare in meiosi 2 duplico i centrosomi perché mi serviranno per riformare il fuso mitotico-meiotico e poi vado a fare tutta una serie di passaggi che sono identici alla mitosi.

Non ho il complesso sinaptinemale, non ho l'evento di crossing over, ma ho una separazi