Mitosi e meiosi

Meiosi

La meiosi è la modalità di divisione cellulare che si realizza solo per la maturazione dei gameti. È preceduta da una serie di divisioni mitotiche delle cellule germinali, in cui viene aumentato il loro numero e ha inizio un primo differenziamento. La meiosi è divisibile in fasi. In particolare, in due grosse fasi, che consistono in due divisioni consecutive: - Meiosi I - Meiosi II La meiosi I consiste in: - Profase I - Metafase I: tetradi allineate all'equatore del fuso, si trova un primo riassortimento genico - Anafase I: i cromatidi fratelli sono associati e vengono separati dai cromatidi fratelli del cromosoma omologo Nella prima divisione i cromosomi omologhi si appaiano e poi si separano in modo casuale. I cromosomi materni, dunque, non vanno tutti da una parte e quelli paterni tutti dall'altra, ma si dividono con un assortimento random. Questa divisione è preceduta dalla fase S, in cui il DNA viene duplicato, perciò, ogni

cromosoma è formato da due cromatidi fratelli. La meiosi II consiste in:

• profase II: i cromosomi cominciano di nuovo a condensarsi
• metafase II
• anafase II
• telofase II: despiralizzazione della cromatina e riformazione della membrana nucleare e del settocellulare

La seconda divisione meiotica è preceduta da una interfase anomala, in cui non avviene nessuna ulterioreduplicazione del DNA. I cromosomi sono solo uno per tipo. Rec8 e le coesine terranno unite le copiematerne o paterne, mentre i due cromatidi, a livello delle estremità cinetocore, si attaccheranno alle fibredel fuso, venendo in questo modo separati. Il taglio avviene sempre grazie alle separasi. È un evento riduzionale, infatti riduce il numero cromosomico da diploide ad aploide. La riduzione siconsegue in meiosi I, con la separazione tra cromosomi materni e cromosomi paterni. Si ha poi il rimescolamento del patrimonio genico mediante l'assortimento casuale dei cromosomi 23 omologhi, infatti si

Possono formare combinazioni e gameti diversi, e mediante l'assortimento casuale dei cromatidi fratelli, che genera nuove combinazioni di geni nei gameti, ovvero nuove combinazioni di forme alleliche dello stesso gene nei gameti.

Profase I è un momento estremamente complesso ed è ulteriormente suddivisa in 5 sottofasi:

1. leptotene: il DNA duplicato comincia a condensarsi, è ancora presente l'involucro nucleare
2. zigotene: inizia l'assemblaggio del complesso sinaptonemale, cioè delle strutture bivalenti e delle sinapsi, che permettono il legame tra i cromosomi omologhi
3. pachitene: si completa la formazione dei complessi sinaptonemali e avviene il crossing over
4. diplotene: iniziano a scomparire le sinapsi che tengono uniti i cromosomi omologhi delle tetradi e così essi iniziano a staccarsi
5. diacinesi: le tetradi non sono completamente sciolte, infatti i cromosomi omologhi rimangono ancora attaccati nei punti dove è avvenuto il

crossing over (chiasmi)

Durante la profase I i cromosomi omologhi devono potersi riconoscere e appaiare in modo corretto, formando:

• struttura bivalente: si considerano i due cromosomi, uno materno e uno paterno, che la formano
• struttura tetravalente: si considerano i 4 cromatidi, due paterni e due materni, che la formano

Una volta che i cromosomi omologhi si sono appaiati, essi vanno obbligatoriamente incontro ad almeno un crossing over, che consiste in una ricombinazione omologa.

Il crossing over costituisce anche uno step di controllo, in quanto per procedere con la ricombinazione omologa i due cromosomi omologhi devono riconoscersi, individuando le sequenze omologhe, alleliche, e appaiarsi in modo corretto.

Solo a questo punto i cromosomi omologhi effettuano il crossing over, che quindi dimostra il loro corretto appaiamento. Dal punto di vista genetico questo meccanismo, insieme all'assortimento casuale dei cromosomi, è alla base dell'assortimento dei

caratteri.Crossing OverPuò avvenire tra:

• cromosomi omologhi
• cromatidi fratelli, ancora più omologhi tra loro, in quanto originano da una duplicazione, quindi è difficile accorgersene dal punto di vista genetico

Il crossing over può avvenire anche nella mitosi, ma senza alcun risvolto fattuale, in quanto, non avendo letetradi, può solo avvenire tra i cromatidi fratelli identici. Esso, inoltre, si verifica con una frequenza centomila volte inferiore a quella della ricombinazione meiotica.

I primi crossing over meiotici si formano già mentre si formano le tetradi. Durante il pachitene i cromosomi si uniscono saldamente per consentire il crossing over, invece durante il diplotene i filamenti di DNA iniziano a separarsi.

Quando i cromosomi iniziano ad appaiarsi, non sono ancora completamente condensati, perché così è più facile il riconoscimento delle sequenze. Questi poi iniziano a sbattere gli uni contro gli altri.

finché non si riconoscono e con un effetto a cerniera formano i complessi sinaptinemali, i chiasmi (strutture cruciformi) e quindi il crossing over. Un chiasma viene anche definito giunzione di Holliday. I tagli della giunzione di Holliday possono avvenire verticalmente oppure orizzontalmente. Inizialmente c'erano due ipotesi su come potesse avvenire il crossing over: 1. il meccanismo basato sulla scelta della copia prevedeva che lo scambio avvenisse in una fase di duplicazione (quindi già in fase S), oppure per degradazione di un pezzo e poi scelta della copia da utilizzare come stampo per ricomporsi 2. l'ipotesi della "rottura e riunione" prevedeva che il crossing over avvenisse per taglio di un segmento su ciascun cromosoma, seguito dallo scambio di questi pezzi (nello stesso modo in cui avviene la riparazione del double strand) Si è visto che il meccanismo di base è quest'ultimo, risultando tuttavia più complicato. Il taglio, infatti,

Non avviene sul singolo strand, ma è sul double strand materno e sul double strand paterno. Il taglio rompe un legame fosfodiesterico, ottenendo un'estremità 3' libera e un'estremità 5' libera, in quanto è lo stesso, ma inverso opposto dall'altra parte. Questo meccanismo viene descritto dal modello di Holliday, ma come semplificazione, in quanto egli parla di un taglio che avviene solo su single strand. Nel crossing over può capitare che si rompa il cromosoma materno, mentre quello paterno no. In questo punto si ottiene un'interruzione (gap) della doppia elica, grazie all'azione di una esonucleasi, che comincia a togliere nucleotidi. Le catene con le estremità 3' libera vengono man mano degradate da attività esonucleasica 3'-5', ma molto più lentamente di quelle 5', che sono invece degradate da un'attività esonucleasica 5'-3' visibilmente più rapida.

Si formano così delle estremità protruding, che si vanno ad appaiare con la sequenza complementare sull’omologo intatto. Questi filamenti più lunghi sono dei primer e a questo punto con un 3’ H libero, la DNA polimerasi potrà estendere ulteriormente le estremità 3’ copiando uno stampo. Con lo stesso meccanismo della riparazione del DNA, viene sostituito il segmento di DNA mancante dal punto in cui ha avuto origine la rottura della doppia elica. Vengono così ricostruite le due molecole di DNA integre e complete, con la differenza che avranno frammenti scambiati. La cellula ovviamente ha dei meccanismi per cui è in grado di tagliare pezzi sui cromosomi e di mantenerli fermi, in modo che non vaghino e si perdano. Con questa finalità entra in gioco un enzima molto importante, chiamato Spo11. Questo riesce a legarsi al DNA, a tagliare il double strand in modo sfasato lasciando l’estremità protruding e a rimanere.

associato ai filamenti tramite legame covalente, tenendo i pezzettini lì vicino. In questa fase i cromosomi sono già condensati nella struttura della cromatina, quindi è necessaria la presenza di regioni un po' scoperte, che permettano a Spo11 di attaccarsi al DNA. Infatti, esso taglia zone non associate a nucleosomi, non attive. Oltre a Spo11 entrano in gioco altre proteine che formano un complesso, che permette di attivare l'attività esonucleasica che degrada le estremità 5' attaccate a Spo11, producendo i filamenti con estremità 3' libera. Ci sono poi proteine, come Dmc1, che favoriscono la ricombinazione tra i cromatidi non fratelli, quindi tra cromatidi di cromosomi omologhi, in quanto permettono di riconoscere, attraverso un complicato meccanismo, le sequenze omologhe, ma non identiche. Il crossing-over deve avvenire almeno in un sito per braccio di cromosoma, ma i punti potenziali sono in realtà moltissimi, almeno

25000 hotspots con ricombinazione a frequenza elevata. Diverso è nel caso dei cromosomi X e Y, che non sono omologhi, ma che si devono appaiare esegregare in modo corretto, nonostante le differenze morfologiche e sequenziali. L'appaiamento avviene grazie alla presenza di regioni PAR (pseudo-autosomic region) di omologia, che consentono appaiamento e ricombinazione, solo in tali sedi, con frequenza elevata rispetto ad altri hotspots (circa 20 volte superiore). Nell'identificazione è coinvolta PRDM9, una istometiltransferasi, cioè una proteina in grado di metilare gli istoni. Questa promuove l'identificazione di siti di ricombinazione e il reclutamento di proteine per replicazione, come spo11, responsabile della rottura doppio filamento. A volte il crossing-over comporta conseguenze diverse, che si ottengono tipicamente tramite la ricombinazione omologa non allelica, infatti il crossing over di per sé è una ricombinazione omologa allelica.

cioè avviene tra un allele materno e un omologo allele paterno. Ci sono quindi sequenze omologhe non alleliche, cioè sullo stesso genoma, che possono ricombinare. Si tratta di errori di ricombinazione, che portano alla conversione genica. Ad esempio, da un cromosoma duplicato materno con le sequenze AA e un altro paterno con la sequenza aa, la ricombinazione, che avviene perché sono sequenze molto simili, seppur non identiche, comporta l'intervento degli apparati di riparazione dei mismatch, che convertirebbero una sequenza nell'altra, lasciando solo gli alleli AA o aa. Questo evento può accadere quindi con la ricombinazione omologa non allelica o nel caso di sequenze alleliche ben allineate, che, a seguito del crossing-over, possono comunque dare riparazione del mismatch e gene conversion. Gli esiti dei processi di ricombinazione sono: - l'esito del crossing-over corretto è sempre 4 cromatidi, dove due rimangono parentali e due sono coinvolti.quindi ricombinanti. In questi ultimi si ha scambio reciproco- l'es