Genetica generale

Genetica generale

Lezione 1: meiosi e gametogenesi

Durante la crescita, tutte le cellule del nostro corpo si riproducono, aumentando di numero (iperplasia). Questo avviene tramite la mitosi.

Tutte le cellule del nostro corpo, anche quelle che costituiscono gli organi o i tessuti più specializzati, contengono esattamente lo stesso DNA. Una serie di stimoli sia interni alla cellula che esterni fanno sì che una cellula si differenzi in un certo modo, usando solo alcune delle informazioni contenute nel DNA.

Negli esseri umani, il genoma è costituito da circa 3 miliardi di copie di basi azotate (nucleotidi). Ogni essere umano ha 2 copie del genoma in ogni cellula, quindi il nucleo di ogni nostra cellula contiene 6 miliardi di nucleotidi.

L’intero genoma può stare nel nucleo (largo circa 6 micrometri, cioè 6 millesimi di mm) in quanto, per la maggior parte del tempo, è impacchettato in cromosomi.

Un nucleotide misura circa 0,6 nanometri (= meno di un milionesimo di mm), quindi il DNA contenuto in una cellula è lungo circa 2 metri. Quello contenuto in tutte le cellule del corpo è lungo come 2.5 milioni di volte la circonferenza della Terra!

Il genoma umano è organizzato in 46 cromosomi, ovvero 22 coppie di autosomi e 2 cromosomi sessuali. I due cromosomi di ogni coppia sono detti omologhi e uno di essi viene ereditato dal padre e l’altro dalla madre. Avendo ogni cellula del nostro corpo il genoma in doppia copia, siamo organismi diploidi.

• Padre: 46 cromosomi.
• Madre: 46 cromosomi.
• Figlio: 46 cromosomi e non 92.

Meiosi: padre: 23 cromosomi + madre: 23 cromosomi. Cellule aploidi (= contenenti una sola copia del genoma) dette gameti, prodotte tramite la meiosi 1 meiosi 2. 3

Interfase

1. Interfase: fase del ciclo durante la quale avviene anche la duplicazione del materiale genetico.

• G1: crescita.
• G2: crescita e preparazione finale alla divisione.
• G0: fase propria di quei tessuti che non si riproducono più.

Si parte con una cellula diploide, si ha una duplicazione del DNA arrivando ad una cellula ancora diploide ma con ogni cromosoma costituito da due cromatidi fratelli identici.

Meiosi 1. Meiosi i

2. Meiosi 1. Meiosi I

• Profase I.

a) Condensazione: i cromosomi si condensano e formano strutture bastoncellari. I cromatidi fratelli sono tenuti insieme da proteine chiamate coesine. Avviene anche la duplicazione dei centrioli.

b) Sinapsi: i cromosomi omologhi di ogni coppia (ognuno con due cromatidi identici) si appaiano a formare una tetrade, grazie ad una serie di proteine che formano il complesso sinaptinemale.

c) Crossing-over: i cromosomi omologhi, appaiati (materno e paterno) si scambiano dei segmenti omologhi grazie all’azione di alcuni enzimi che tagliano e ricuciono il DNA in dei siti chiamati chiasmi.

Terminato il crossing-over, il complesso sinaptinemale si disassembla e si forma il fuso (struttura citoscheletrica assemblata dai centrioli. 4

• I centrioli sono organelli principalmente proteici (costituiti perlopiù da tubulina), dei quali la funzione principale è quella di formare una serie di strutture citoscheletriche fondamentali nelle divisioni cellulari.
• Sono una componente molto importante di un complesso chiamato centrosoma.
• Il centrosoma forma il fuso, che è la struttura che garantisce il corretto movimento e una corretta divisione dei cromosomi quando una cellula si divide.

Prometafase i

• Prometafase I: l’involucro nucleare si frammenta.
• I microtubuli del fuso si legano ai cromosomi in prossimità del centromero, precisamente a una proteina chiamata cinetocore.
• I cromosomi di ogni coppia di omologhi (che però non sono più uguali a quello paterno e materno dell’inizio della meiosi) vengono trasportati verso i due poli del fuso (ognuno verso un polo). I cromatidi fratelli rimangono uniti.
• Le forze che permettono di muovere i cromosomi tramite i microtubuli del fuso sono prodotte da proteine motrici (come dineina e chinesina).

Metafase i

• Metafase I: grazie al trasporto operato in prometafase, le tetradi si allineano lungo il piano equatoriale del fuso, detto piastra metafasica. 5

Spesso la prometafase non è considerata una fase a parte, ma è presentata come parte della profase della metafase.

Anafase i

• Anafase I: appositi enzimi digeriscono le coesine lungo i bracci dei cromatidi fratelli, che rimangono uniti solo a livello del centromero.

I cromosomi omologhi vengono separati, migrando verso i poli opposti. A ogni polo a questo punto abbiamo due cromatidi fratelli in ogni cromosoma (che, dopo il crossing over, non sono più completamente identici, ma contengono le stesse informazioni).

Telofase i

• Telofase I: inizia ad essere ben visibile un inizio di citodieresi (divisione cellulare).

I cromosomi iniziano a decompattarsi. La membrana nucleare si riforma (due membrane nucleari).

Intercinesi = momento di passaggio tra le due divisioni, nel quale il fuso della prima divisione si disgrega, e se ne formano due di nuovi, uno per cellula.

Alla fine della meiosi I abbiamo due cellule distinte, con 23 cromosomi l’una, con ogni cromosoma costituito da due cromatidi fratelli.

Meiosi ii

2 Meiosi II

• Profase II: i cromosomi si ricondensano.
• Si ultima la formazione di nuovi fusi e i due centrosomi migrano verso i poli.

Prometafase ii

Prometafase II: come nella prometafase I, il nucleo si frammenta. Il fuso lega i cromosomi a livello del cinetocore, e li comincia a muovere verso il piano equatoriale.

Metafase ii

Metafase II: i cromosomi vengono allineati lungo la piastra metafasica. 6

Anafase ii

• Anafase II: gli stessi enzimi che hanno agito nell’anafase I digeriscono le coesine, che ora erano presenti solo a livello del centromero.
• I cromatidi fratelli di ogni cromosoma vengono separati dai microtubuli del fuso, e ognuno dei due migra verso un polo.

Telofase ii

• Telofase II: i cromosomi si decondensano.
• Il fuso si riassembla.
• Si riforma il nucleo.
• Avviene la citodieresi. 7

Alla fine della meiosi II abbiamo quattro cellule distinte, aploidi, (con 23 cromosomi l’una), essendo partiti da una cellula diploide.

(Video sulla mitosi: https://www.youtube.com/watch?v=zcpsffuqjaa)

Mitosi e meiosi

• Mitosi: 1 divisione cellulare. Meiosi: 2 divisioni cellulari.
• Mitosi: da 1 cellula se ne formano 2. Meiosi: da 1 cellula se ne formano 4.
• Mitosi: semplice “copia e separazione” dei cromosomi. Meiosi: c’è crossing-over: prima della separazione del DNA copiato i due cromosomi originali (paterno e materno) di ogni coppia si ricombinano.
• Mitosi: il numero di cromosomi è uguale a quello della cellula di partenza. Meiosi: il numero di cromosomi si dimezza. 8

Meiosi e variabilità genetica

Il rimescolamento del materiale genetico costituisce un grosso vantaggio evolutivo della riproduzione sessuale. La risultante variabilità genetica aumenta la probabilità che almeno parte della progenie sopravviva, e raggiunge a sua volta l’età riproduttiva, se cambiano le condizioni ambientali.

La meiosi ha due processi fondamentali che introducono variabilità genetica:

1. Crossing-over.
2. Assortimento indipendente (una delle leggi di Mendel).

23 per 23 cromosomi = 2 possibilità!

Meiosi nell’uomo: spermatogenesi

Meiosi nell’uomo: spermatogenesi. Sede: gonadi = testicoli la cui funzione è la produzione di:

• Testosterone.
• Spermatozoi (si formano nel tubulo seminifero ed in particolare se sezioniamo una sezione di tubulo seminifero: esterno: parte di muscolo liscio; parete: cellule del Sertoli; interno ovvero il lume è vuoto. 9

Cellula progenitrice dello spermatozoo = spermatogonio (cellula diploide) il quale si divide per mitosi; pertanto da uno spermatogonio abbiamo 2 cellule figlie identiche allo spermatogonio: una rimane spermatogonio, l’altra diviene uno spermatocita primario. Nel momento in cui arriva nella giunzione stretta, questa si apre per poi richiudersi; in questo modo lo spermatocita primario si trova nel compartimento luminale.

Successivamente avviene la meiosi: dopo l’intercinesi anche gli spermatociti secondari vanno incontro a meiosi e otterremo 4 spermatiti (4 cellule aploidi).

Infine avviene la spermiogenesi; gli spermatozoi non sono ancora maturi ma iniziano ad essere spinti nell’epididimo dove matureranno acquisendo mitocondri e allungando il flagello (durata 64 giorni).

Spermatogenesi

1. Spermatocitogenesi. 10
2. Spermatidogenesi.
3. Spermiogenesi.

Meiosi nella donna: oogenesi

1. Gli oogoni (corrispettivi degli spermatogoni nei maschi) si dividono per mitosi fino a diventare 2-4 milioni (1-2 milioni per ovaio) durante la vita fetale, fino circa al settimo mese.
2. Prima della nascita, cominciano anche la meiosi I, che però si arresta alla profase I, quando abbiamo gli oociti primari (cellule ancora diploidi).
3. I 2-4 milioni di oociti primari presenti alla nascita, bloccati in meiosi I, rimangono nell’ovaio in questo stadio di blocco meiotico per 12-13 anni, fino alla pubertà.
4. Dalla pubertà in poi, un oocita primario completa la meiosi I ogni 28 giorni, dando origine però a un oocita secondario (che viene ovulato, andando nella tuba) e un corpo polare, che ha molto meno citoplasma e generalmente non è fecondabile. Blocco in metafase II, fino all’eventuale fecondazione. 11

Se avviene la fecondazione, lo zigote (la prima cellula del futuro nascituro) inizierà a dividersi e, una volta raggiunto lo stadio di blastocisti, avverrà l’impianto nella parete uterina.

Il ciclo ovarico è regolato da ormoni secreti dall’ipofisi (FSH e LH) sotto il controllo del GnRH, secreto invece dall’ipotalamo, che a loro volta regolano la secrezione ormonale di estrogeni e progesterone da parte delle ovaie. 12

L’eventuale nascita di due gemelli è determinata da cosa succede al momento della fecondazione o poco dopo:

• Se vengono fecondate due diverse cellule uovo si hanno gemelli eterozigoti.
• Se ne viene fecondata una, ma poi c’è una separazione del primordiale ammasso cellulare, si hanno gemelli monozigoti.

Il momento in cui avviene la divisione determina la condivisione o meno di sacco amniotico e placenta.

Sesso e corredo cromosomico

• Il cromosoma Y contiene informazioni prevalentemente riguardanti lo sviluppo del sesso maschile. 13
• Il cromosoma X contiene più informazioni del cromosoma Y, riguardanti molte funzioni importanti sia per i maschi che per le femmine (come la regolazione del metabolismo).

Nelle femmine uno dei due X deve essere inattivato!

L’inattivazione di uno dei due cromosomi X, nelle femmine, avviene intorno alle 2 settimane di vita fetale, ed è completamente casuale e a livello della singola cellula.

Tutte le cellule derivanti da una cellula con l’X paterno inattivato, avranno anch’esse l’X paterno inattivato, e viceversa per quelle con l’X materno inattivato.

Dal punto di vista del cromosoma X, quindi, le femmine sono dei mosaici genetici.

L’inattivazione del cromosoma X è alla base del fatto che i gatti «tartarugati» (= con pelo arancio e nero, che possono essere di diverse razze) sono sempre femmine.

Questo avviene perché nei gatti uno dei principali geni che controllano il colore del pelo è sul cromosoma X.

Eventuali altri colori (come il bianco) dipendono da altri geni (anche sugli autosomi) e quindi non c’è una correlazione col sesso.

Lezione 2: cromosomi, cromatina e i suoi livelli di organizzazione

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• I cromosomi non sono fatti solo di DNA, ma sono costituiti da un insieme, estremamente organizzato, di DNA e proteine con specifiche funzioni.
• Le proteine che costituiscono i cromosomi si dividono in:

• Proteine istoniche.
• Proteine non istoniche.

• L’insieme di DNA e proteine istoniche e non istoniche è la cromatina.

La cromatina ha principalmente due funzioni:

Le proteine istoniche servono perlopiù all’impacchettamento del DNA.

• Gli istoni sono delle piccole proteine che formano degli ottameri, detti nucleosomi, attorno ai quali il DNA si arrotola per circa 2 giri.
• L’organizzazione è estremamente regolare; attorno ad ogni nucleosoma vi sono arrotolate 145-150 coppie di basi di DNA, e il DNA linker (tra due nucleosomi) è lungo 20-80 coppie di basi.
• Esistono 5 tipi di istoni: H1, H2A, H2B, H3, H4. Gli ultimi 4, a coppie, formano i nucleosomi (un nucleosoma = due H2A, due H2B, due H3 e due H4).

L’istone H1 rimane esterno al nucleosoma, ma permette ai nucleosomi di impacchettarsi tra loro formando il solenoide.

Il solenoide è formato da circa 6 nucleosomi per giro.

Il grado di impacchettamento del DNA però ha anche un ruolo nella regolazione del suo «utilizzo» (= trascrizione ed espressione genica). 15

Il DNA, infatti, non è sempre condensato allo stesso modo (i cromosomi distinti si vedono al microscopio solamente in alcune fasi del ciclo cellulare).

Eucromatina, meno condensata. Il DNA eucromatico è fisicamente più accessibile, e può essere trascritto. Le regioni contenenti certi geni, vitali per il funzionamento delle cellule, sono sempre eucromatiche.

Eterocromatina costitutiva (permanentemente inattiva). Eterocromatina, più condensata. Il DNA eterocromatico è inattivo. Un esempio è l’X inattivato.

Eterocromatina facoltativa nelle femmine: il corpo di Barr è interamente (può diventare eucromatina) eterocromatico.

A parte casi particolari, come il corpo di Barr, ogni cromosoma ha sempre porzioni sia eu che eterocromatiche. Nell’interfase, i cromosomi ancora non si vedono perché meno condensati.

Ogni cromosoma però occupa un’area del nucleo, e le sue zone eterocromatiche ed eucromatiche si possono distinguere.

I vari livelli di organizzazione possono essere apprezzati anche al microscopio elettronico (a livelli di DNA/istoni/nucleosomi) e ottico (a livello di cromosomi condensati).

Uno dei principali sistemi di regolazione dello stato della cromatina è governato da proteine non istoniche che agiscono sugli istoni. 16

1. L’acetilazione delle code istoniche (= aggiunta di gruppi CH3CO) indebolisce il legame istoni-DNA. Questo non è sufficiente, di per sé, a rendere la cromatina attiva (servono altre proteine e complessi proteici che spostano fisicamente i nucleosomi), ma è fondamentale per poterlo fare.
2. Oltre all’acetilazione, anche la metilazione, la fosforilazione e l’ubiquitinazione (legame con una piccola proteina) modulano lo stato della cromatina. Queste modifiche avvengono, almeno in parte, su posizioni ben precise delle code istoniche (come indicato nella figura).

Nel loro complesso, queste modificazioni sono chiamate modificazioni epigenetiche, in quanto, pur non modificando la sequenza di DNA, vanno comunque ad influire su aspetti determinati geneticamente.

Anche dove il DNA è accessibile (eucromatina) vi è regolazione epigenetica, direttamente su di esso: metilazione del DNA che avviene solo sulle citosine, e “spegne” l’espressione genetica.

Almeno in parte, anche le modificazioni epigenetiche.