Genetica generale

I cromosomi e la loro struttura

I cromosomi sono costituiti da cromatina, che consiste di fibre contenenti DNA e proteine. Quando la cellula non è in divisione, la cromatina si trova sotto forma di lunghi filamenti, e i cromosomi perciò non sono visibili al microscopio ottico. Lo sono invece durante la divisione cellulare, quando le fibre di cromatina si condensano e si rendono visibili con strutture distinte. Il numero di cromosomi è tipico per ogni specie; nella specie umana il numero corretto è 46 (23 coppie).

Tipologie di cromosomi

Le prime 22 coppie di cromosomi sono dette autosomi, la 23ª viene chiamata coppia sessuale. Nei cromosomi sono presenti in coppie nelle cellule somatiche. I membri di una coppia sono detti cromosomi omologhi. Ogni coppia contiene un cromosoma di origine paterna ed uno di origine materna. Le cellule somatiche hanno un corredo diploide mentre le cellule germinali, che sono deputate a produrre i gameti, presentano un corredo cromosomico dimezzato (aploide), e questo è abbastanza logico se si pensa al fatto che il gamete maschile e quello femminile si devono unire a formare uno zigote che ovviamente dovrà avere 46 cromosomi.

Mitosi

Quando le cellule raggiungono una certa dimensione devono arrestare l’accrescimento, oppure dividersi. Non tutte le cellule si dividono. Alcune cellule, come le cellule nervose, quelle del muscolo scheletrico e gli eritrociti, una volta mature cessano di dividersi. La divisione cellulare eucariotica coinvolge due principali processi: la mitosi e la citocinesi.

Il processo di mitosi

La mitosi è un processo complesso che interessa il nucleo, assicura che ogni nucleo riceva lo stesso numero e gli stessi tipi di cromosomi presenti nel nucleo di origine.

Citocinesi: divisione del citoplasma della cellula per formare due cellule figlie. Il periodo che passa tra una divisione cellulare e la successiva viene definito interfase.

Il ciclo cellulare dura circa 24 ore ed è composto da varie fasi:

• Fase G1
• Fase S
• Fase G2
• Fase M

Fasi della mitosi

La mitosi, (fase M), è un processo cellulare che garantisce la conservazione e la distribuzione dello stesso numero di cromosomi da una cellula madre alle due cellule figlie. Il materiale cromosomico, perciò, si raddoppia una volta e la cellula si divide una sola volta. La mitosi produce sempre due cellule geneticamente identiche alla cellula madre.

Le fasi della mitosi constano di 4 sottofasi:

• Profase: inizia quando i lunghi filamenti di cromatina cominciano a condensarsi mediante processi di spiralizzazione. I cromosomi diventano perciò contemporaneamente più corti e più spessi. La profase può essere divisa in una profase iniziale in cui l’involucro nucleare e il nucleolo scompaiono, divengono evidenti lunghi filamenti di cromatina che cominciano a condensarsi in forma di cromosomi; e una tarda profase in cui i cromosomi continuano ad accorciarsi e ad ispessirsi. Si forma il fuso mitotico tra i centrioli che si sono portati ai poli della cellula.
• Metafase: le fibre del fuso si attaccano ai cinetocori (sono un gruppo di proteine che aderisce al centromero) dei cromosomi. I cromosomi si allineano lungo il piano equatoriale della cellula (piastra metafasica) e prendono contatto con i microtubuli del cinetocore e i cromosomi duplicati. È proprio durante questa fase che è possibile effettuare il cariotipo cromosomico.
• Anafase: ha inizio quando le forze che tengono uniti i cromatidi fratelli in corrispondenza dei loro centromeri si allentano. Ogni cromatidio è ora considerato come un cromosoma indipendente. I cromosomi disgiunti migrano lentamente ai poli opposti grazie ai cinetocori, ancora uniti ai microtubuli del fuso, che ne guidano il cammino. L’anafase termina quando tutti i cromosomi hanno raggiunto i poli.
• Telofase: stadio finale della mitosi. Ritorno ad una condizione simile a quella di interfase. I cromosomi si decondensano srotolandosi. Attorno ad ogni serie di cromosomi si sviluppa un involucro nucleare.

Meiosi

Gli organismi superiori si riproducono mediante l’unione di due cellule sessuali specializzate, i gameti (aploidi) che si uniscono a formare un’unica cellula chiamata zigote (diploide). I gameti sono prodotti nelle gonadi (testicolo e ovaio) a partire dalle cellule germinali. Se i gameti, cellula uovo e spermatozoi, avessero lo stesso numero di cromosomi delle cellule del genitore che lo produce, allora lo zigote avrebbe un numero doppio di cromosomi e questo raddoppiamento si verificherebbe ad ogni generazione. Il mantenimento di un numero costante di cromosomi è assicurato mediante un tipo particolare di divisione cellulare chiamato meiosi.

Il processo di meiosi

La meiosi è un processo di divisione cellulare che porta alla produzione di cellule aploidi. Il materiale cromosomico si raddoppia una volta e la cellula si divide due volte. È un processo fondamentale per garantire la conservazione dello stesso numero di cromosomi all’interno di ogni specie. Durante la meiosi, perciò, una cellula diploide va incontro a 2 divisioni cellulari, producendo 4 cellule aploidi. La meiosi consiste di due divisioni nucleari e citoplasmatiche denominate prima e seconda divisione meiotica.

Il concetto fondamentale da apprendere è ciò che avviene nelle due meiosi. In meiosi I si ha la separazione dei cromosomi omologhi e in meiosi II si ha invece la separazione dei cromatidi.

Nota importante: durante la profase I della meiosi I avviene il crossing over, in particolare avviene nella sottofase detta pachitene. Le sottofasi della profase sono:

• Leptotene
• Zigotene
• Pachitene
• Diplotene
• Diacinesi

Nella profase meiotica I, i cromosomi in sinapsi sono tenuti insieme da un complesso sinaptonermale, essenzialmente costituito da proteine. Oltre ad essere coinvolti nel crossing over, i complessi sinaptonemali potrebbero svolgere anche altre funzioni. Il crossing over non è altro che la rottura e lo scambio di parte di cromatidi fratelli e la loro successiva ricongiunzione.

Fasi della meiosi II

La meiosi II consta di:

• Profase II
• Metafase II
• Anafase II: si dividono i cromatidi di ciascun cromosoma.
• Telofase II: citocinesi, 4 cellule con metà numero dei cromosomi formati ciascuno da un cromatide.

Punti importanti della meiosi

• Produzione di cellule aploidi
• Crossing over: può avvenire nella profase I durante l’appaiamento tra i cromosomi omologhi (tetradi) può avvenire uno scambio reciproco di parti tra essi
• Assortimento casuale dei cromosomi omologhi (I divisione) e dei cromatidi fratelli (II divisione) con formazione di nuove combinazioni. All’anafase I gli omologhi si disgiungono e migrano ai due poli della cellula in modo indipendente per ogni paio; allo stesso modo si comportano i cromatidi fratelli nell’anafase II.

Confronto tra mitosi e meiosi

I processi di base della meiosi sono simili a quelli della mitosi, ma presentano 4 differenze:

• La meiosi comporta 2 successive divisioni nucleari e citoplasmatiche con potenziale produzione di 4 cellule.
• Nonostante le due divisioni, il DNA subisce una sola duplicazione durante l’interfase che precede la divisione meiotica.
• Ognuna delle 4 cellule prodotte contiene un numero aploide di cromosomi, cioè solo un membro di ogni coppia di omologhi.
• Durante la meiosi l’informazione genetica che proviene da entrambi i genitori viene mescolata, così che ogni cellula possieda una combinazione di geni potenzialmente unica.

Geni e cromosomi

Ogni cromosoma è costituito da una sequenza di geni. Ogni gene occupa nel cromosoma una posizione ben precisa, detta locus. Ogni paio di cromosomi contiene gli stessi geni, nello stesso ordine, ma non per forza nella stessa forma. Forme diverse di uno stesso gene vengono infatti dette alleli. Gli alleli rappresentano il cosiddetto genotipo, ciò che noi osserviamo visivamente invece viene detto fenotipo. Gli alleli su un cromosoma possono essere in forma identica e quindi parliamo di omozigosi oppure possono trovarsi in forma diversa e parliamo di eterozigosi. Quale forma prevale? Ciò che si osserva / che si manifesta a livello fenotipo è l’allele dominante, ciò che non vedo invece è detto allele recessivo.