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Biologia: cromosomi, mitosi e meiosi

I principali portatori dell’informazione genetica negli eucariotici sono i cromosomi contenuti nel nucleo cellulare. Sono virtualmente incolori e costituiti da cromatina, un materiale complesso composto da DNA e proteine a esso associate. Quando una cellula non è in divisione, la cromatina si trova sotto forma di lunghi e sottili filamenti parzialmente srotolati; al momento della divisione cellulare le fibre di cromatina si condensano e i cromosomi si rendono visibili come strutture distinte.

Un organismo può possedere centinaia o anche migliaia di geni (20.000 che codificano le proteine). Come fa una cellula eucariotica a compattare il suo DNA nei cromosomi? Il processo di compattazione è facilitato da proteine chiamate istoni. Sono carichi positivamente poiché possiedono un gran numero di aminoacidi con catena laterale basica. Si associano con il DNA, che è carico negativamente per l’abbondanza di gruppi fosfato, per formare strutture dette nucleosomi. L’unità fondamentale di ciascun nucleosoma consiste in una struttura simile a una perla con un tratto di DNA di 146 coppie di basi avvolto intorno a un nucleo discoidale costituito da 8 molecole di istoni. I nucleosomi impediscono al DNA di aggrovigliarsi. Il ruolo degli istoni non è solo strutturale, in quanto la loro disposizione influisce anche sull’attività del DNA a cui sono associati.

Il ciclo cellulare e mitosi

I cromosomi di specie diverse differiscono nel numero e nel contenuto informazionale. L'uomo ha 46 cromosomi.

La cellula trascorre la maggior parte della propria vita in interfase, il periodo in cui non avviene la divisione cellulare. La maggior parte delle proteine, dei lipidi e degli altri materiali biologicamente importanti è sintetizzata durante l’interfase. Il periodo che intercorre tra la fine della mitosi e l’inizio della fase S è definito fase G. La crescita e il normale metabolismo si verificano in fase G1, che è di solito la più lunga; verso la fine della fase G1, viene incrementata l’attività degli enzimi richiesti per la sintesi del DNA. La sintesi di tali enzimi rende possibile l’ingresso della cellula in fase S. Avviene la replicazione del DNA e la sintesi degli istoni, poiché la cellula deve duplicare i propri cromosomi. Una volta completata la fase S, la cellula entra in una seconda fase, la fase G2, con aumento della sintesi proteica, come stadio terminale della preparazione della cellula alla divisione.

La fase M coinvolge due principali processi: mitosi e citocinesi. La mitosi è divisa in profase, prometafase, metafase, anafase e telofase.

Profase

• Inizia con la compattazione dei cromosomi, quando i lunghi filamenti di cromatina si spiralizzano, rendendosi più corti e spessi. Ogni cromosoma è stato duplicato durante la precedente fase S e consiste di una coppia di unità identiche, i cromatidi fratelli. Ogni cromatidio contiene una regione particolare chiamata centromero. I cromatidi fratelli sono strettamente associati in corrispondenza dei loro centromeri, fisicamente da un complesso proteico a forma di anello detto coesina. A ogni centromero è associata una struttura proteica chiamata cinetocore, alla quale possono legarsi i microtubuli, fondamentali per il processo che permette la separazione dei cromatidi fratelli ciascuno dei quali migra in ciascuna delle due cellule figlie. I microtubuli si irradiano da ciascun polo e si allungano verso i cromosomi formando una struttura complessa chiamata fuso mitotico.

Prometafase

• L’involucro nucleare si frammenta, cosicché i microtubuli del fuso vengono in contatto con i cromosomi. Il nucleolo si raggrinzisce e solitamente sparisce, mentre il fuso mitotico è completamente assemblato. I cromatidi fratelli di ciascun cromosoma duplicato si attaccano, a livello dei propri cinetocori, ai microtubuli del fuso che si estendono dai poli opposti della cellula, e i cromosomi cominciano a muoversi verso il piano equatoriale della cellula.

Metafase

• Tutti i cromosomi della cellula si allineano lungo il piano equatoriale, o piastra metafasica, della cellula. Un cromatidio fratello di ciascun cromosoma si attacca tramite il cinetocore ai microtubuli di un polo, mentre l’altro cromatidio fratello si attacca ai microtubuli dell’altro polo. Durante la metafase, ogni cromatidio è totalmente condensato e appare ben distinguibile. Poiché i singoli cromosomi sono visibili in maniera più distinta nella metafase rispetto a qualsiasi altro momento, è in questo stadio che di solito viene analizzato il cariotipo, ovvero la composizione cromosomica per valutare la presenza di anomali cromosomiche.

Anafase

• Ha inizio quando i cromatidi fratelli si separano. Nel momento in cui i cromatidi non sono più attaccati alle loro copie, ogni cromatidio è considerato come un cromosoma. L’anafase termina quando tutti i cromosomi hanno raggiunto i poli.

Telofase

• È lo stadio finale della mitosi, i cromosomi arrivano ai poli e vi è un ritorno a una condizione simile a quella di interfase. I cromosomi si condensano despiralizzandosi. Attorno a ogni serie di cromosomi, si sviluppa un involucro nucleare costituito da piccole vescicole e da altri componenti derivati dal vecchio involucro nucleare. I microtubuli del fuso scompaiono, mentre divengono visibili i nucleoli.

Citocinesi

• Cioè la divisione del citoplasma per produrre due cellule figlie, è l’ultimo stadio della fase M e normalmente si sovrappone in parte alla mitosi, cominciando durante la telofase. La mitosi produce due cellule geneticamente identiche alla cellula madre. I procarioti, essendo privi di nucleo, si dividono per scissione binaria. Il DNA procariotico consiste solitamente in un singolo cromosoma circolare impacchettato con proteine associate. La molecola di DNA circolare si replica dando origine a due cromosomi identici; la replicazione del DNA inizia in un punto specifico del cromosoma batterico, denominato origine di replicazione. La sintesi del DNA procede a partire da quel punto in entrambe le direzioni fino a quando le estremità si ricongiungono.

La regolazione del ciclo cellulare

Sono presenti molecole di regolazione che controllano il ciclo cellulare; queste molecole, componenti del sistema di controllo del ciclo cellulare, sono presenti in organismi diversi. I meccanismi di controllo nel programma di regolazione genetica, chiamati punti di controllo del ciclo cellulare, bloccano temporaneamente l’inizio di eventi chiave del ciclo cellulare. Sono presenti alcune molecole tra cui le protein chinasi, enzimi che attivano o inattivano altre proteine mediante fosforilazione (aggiunta di gruppi fosfato). Le protein chinasi coinvolte nel controllo del ciclo cellulare sono definite chinasi ciclina-dipendenti (Cdk). Le Cdk sono attive solo quando complessate con proteine di regolazione note come cicline. Quando una specifica Cdk si lega a una specifica ciclina, si forma un complesso ciclina-Cdk, che è capace di fosforilare enzimi e altre proteine.

La riproduzione sessuata e la meiosi

Nella riproduzione asessuata, un singolo genitore, di solito attraverso un processo di scissione, dà origine a due o più individui tutti identici tra loro. Al contrario, la riproduzione sessuata comporta l’unione di due cellule sessuali specializzate, i gameti, per formare un’unica cellula chiamata zigote. La riproduzione sessuata genera variabilità genetica all’interno della prole. I cromosomi di solito sono presenti in coppie nelle cellule somatiche delle piante superiori e degli animali. I membri di una coppia, chiamati cromosomi omologhi, sono simili per dimensioni, forma e posizione dei loro centromeri. I 46 cromosomi delle cellule dell’uomo costituiscono 23 coppie diverse. L’aspetto più importante dei cromosomi omologhi è che essi portano l’informazione per il controllo degli stessi caratteri genetici sebbene non necessariamente l’identica informazione. I cromosomi omologhi non devono essere confusi con i due membri di una coppia di cromatidi fratelli, che sono invece perfettamente identici. Se una cellula o un nucleo contiene due cromosomi di ogni tipo, cioè due serie di cromosomi, si dice che possiede un corredo cromosomico diploide; se invece è presente solo un cromosoma di ogni coppia di omologhi, si dice che il corredo è aploide.

La meiosi

Durante la meiosi, una cellula diploide va incontro a due divisioni cellulari, producendo 4 cellule aploidi. È importante notare che le cellule aploidi non contengono semplicemente una certa combinazione di cromosomi, ma un membro di ciascuna coppia di omologhi. I processi di base della meiosi sono simili a quelli della mitosi, ma presentano 4 importanti differenze:

• La meiosi comporta due successive divisioni nucleari e citoplasmatiche con potenziale produzione di 4 cellule.
• Il DNA e gli altri componenti subiscono una sola duplicazione durante l’interfase che precede la prima divisione meiotica.
• Ognuna delle 4 cellule prodotte dalla meiosi contiene un numero aploide di cromosomi, cioè solo un membro per ogni coppia di omologhi.
• Durante la meiosi l’informazione genetica che proviene da entrambi i genitori viene mescolata, così che ogni cellula aploide prodotta possiede una combinazione di geni potenzialmente unica.

La meiosi consiste in due divisioni, denominate prima e seconda divisione meiotica. Durante la meiosi I, i cromosomi omologhi si uniscono e poi si separano e vengono distribuiti in nuclei distinti. Nella meiosi II i cromatidi fratelli che costituiscono ciascun cromosoma omologo si separano e vengono distribuiti ai nuclei delle cellule figlie. La profase I include sinapsi e crossing-over: durante la fase S dell’interfase che precede la meiosi, i cromosomi vengono duplicati come nella mitosi, per cui ogni cromosoma duplicato è composto da 2 cromatidi connessi dalle coesine. Durante la profase I, mentre i cromatidi sono ancora in forma di lunghi e sottili filamenti, i cromosomi omologhi si appaiano longitudinalmente. Questo processo è chiamato sinapsi, che significa unione. È consuetudine riferirsi a un membro di una coppia di omologhi come omologo materno e l’omologo paterno; poiché ogni cromosoma è stato duplicato durante l’interfase meiotica e ora consiste di due cromatidi, la sinapsi risulta nell’associazione di 4 cromatidi (tetrade). In questa fase avviene il crossing-over, un processo in cui i cromosomi omologhi appaiati si scambiano materiale genetico attraverso l’azione di enzimi che tagliano e riuniscono le molecole di DNA, portando alla ricombinazione genetica.

La meiosi si articola in:

Interfase

• Il DNA viene replicato.

Meiosi I

• Profase: i cromosomi omologhi si appaiono mediante sinapsi formando le tetradi e si scambiano porzioni mediante crossing-over; l’involucro nucleare si frammenta.
• Metafase: le tetradi si allineano sul piano equatoriale della cellula e restano unite a livello dei chiasmi dove è avvenuto il crossing-over.
• Anafase: i cromosomi omologhi si separano e migrano ai poli opposti; i cromatidi fratelli restano uniti a livello dei centromeri.
• Telofase: un solo cromosoma di ogni coppia di omologhi raggiunge ciascun polo.

Meiosi II

• Profase: i cromosomi si condensano di nuovo dopo un breve periodo di intercinesi. Il DNA non si replica di nuovo.
• Metafase: i cromosomi si allineano lungo il piano equatoriale della cellula.
• Anafase: i cromatidi fratelli si separano e migrano ai poli opposti.
• Telofase: si formano i nuclei ai poli opposti di ciascuna cellula.

I principi dell’ereditarietà di Mendel

Quando iniziò il suo lavoro, piante animali ibridi (discendenti di due genitori geneticamente diversi) erano noti da lungo tempo. Tutte le piante ibride derivanti da genitori geneticamente puri, dette linee pure, hanno un aspetto simile. In secondo luogo, quando gli stessi ibridi vengono incrociati fra loro, non generano linee pure; i loro discendenti mostrano una mescolanza di caratteri. Per due anni Mendel lavorò su piante di semi di pisello, per sviluppare linee geneticamente pure, per un certo numero di caratteri.

Oggi utilizziamo il termine fenotipo per riferirci all’aspetto fisico di un organismo e genotipo per riferirci alla costituzione genetica dell’organismo che viene più spesso espressa in simboli. Una linea pura per un dato carattere produce, generazione dopo generazione, solo piante col medesimo fenotipo (es. semi lisci o piante a stelo lungo). Mendel scelse infine delle varietà rappresentative per sette caratteri, gli attributi (come il colore del seme) per i quali le differenze ereditabili, o tratti, erano conosciute (ad es. semi gialli e verdi). Mendel cominciò i suoi esperimenti incrociando piante di due differenti linee pure con fenotipi diversi: questi individui geneticamente puri costituivano la generazione parentale o generazione P. In ogni caso i membri della prima generazione filiale erano tutti uguali e assomigliavano a uno dei due genitori. Generazione F1. La seconda generazione filiale o generazione F2 era stata prodotta incrociando individui della F1. Usando la terminologia moderna, il carattere espresso nella generazione F1 è detto dominante; quello non espresso recessivo. Quando entrambi i caratteri sono presenti nello stesso individuo, quelli dominati mascherano i recessivi.

Gli alleli si separano prima che si formino i gameti: il principio della segregazione

Il termine alleli si riferisce alle forme alternative di un gene. Il principio della segregazione stabilisce che, prima della riproduzione sessuata, i due alleli portati da un genitore devono essere separati (segregati). Si ricordi che durante la meiosi i cromosomi omologhi e quindi gli alleli presenti su di essi si separano. Come risultato, ciascuna cellula sessuale che si forma (uovo o spermatozoo) contiene solo un allele di ciascun paio.

• Le forme alternative di un “fattore” (ciò che oggi chiamiamo gene) sono alla base delle variazioni osservabili nei caratteri ereditari anche se Mendel osservò soltanto due forme (ciò che oggi chiamiamo alleli) per ogni fattore che analizzò. Oggi sappiamo che molti geni hanno più di due alleli.
• I caratteri ereditari sono trasmessi dai genitori ai figli in forma di fattori non modificati. Mendel non osservò progenie di aspetto intermedio, come ci si sarebbe aspettati in base all’idea dell’ereditarietà da mescolamento.
• Ogni individuo possiede due insieme di fattori, uno ereditato dalla madre e uno dal padre.
• I fattori appaiati si separano durante la formazione delle cellule riproduttive (principio della segregazione).
• I fattori possono essere espressi o nascosti in una data generazione, ma non vengono mai persi.
• Ogni fattore è trasmesso alla generazione successiva indipendentemente da tutti gli altri fattori (principio dell’assortimento indipendente).

Riassunto: i geni si trovano sui cromosomi; la posizione che un determinato gene occupa sul cromosoma è definita locus. Le forme alternative di un gene sono gli alleli, che occupano loci corrispondenti su cromosomi omologhi. Un individuo che possiede due alleli uguali per un dato locus è omozigote per quel locus. Se i due alleli sono diversi, l’individuo è eterozigote per quel locus. In un individuo eterozigote, un allele, quello dominante, può mascherare l’espressione dell’altro allele, quello recessivo. Per questa ragione, due individui con lo stesso aspetto, o fenotipo, possono esser diversi nella loro composizione genetica (ovvero la combinazione di alleli), o genotipo.

Principi di Mendel

Secondo il principio della segregazione, durante la meiosi gli alleli di ciascun locus si separano l’uno dall’altro, cioè si segregano. I gameti aploidi che ne risultano contengono, ciascuno, soltanto un allele per ogni locus. Secondo il principio dell’assortimento indipendente, gli alleli di loci diversi sono distribuiti nei gameti in modo del tutto casuale; ciò porta alla ricombinazione genetica, cioè alla produzione di nuove combinazioni di geni che non erano presenti nella generazione parentale.

Un incrocio monoibrido coinvolge individui con alleli diversi per un dato locus

L’incrocio monoibrido studia l’ereditarietà di due alleli diversi di uno stesso locus. Quindi un incrocio tra due individui omozigoti (generazione P) che differiscono l’uno rispetto all’altro per gli alleli di un solo locus si definisce incrocio monoibrido; se la differenza riguarda due loci, si parla di incrocio diibrido. La prima generazione di discendenti, chiamata generazione F1, è costituita interamente da individui eterozigoti; la generazione che deriva dall’incrocio di due individui della F1 è la generazione F2. Un reincrocio, o test cross, ovvero un incrocio tra un individuo di genotipo sconosciuto e un omozigote recessivo, aiuta nel determinare il genotipo sconosciuto. Per spiegare i principi di Mendel della segregazione e dell’assortimento indipendente: la segregazione degli alleli è un risultato diretto della separazione dei cromosomi omologhi durante la meiosi; l’assortimento indipendente si verifica in quanto ci sono due modi in cui due coppie di cromosomi omologhi si possono disporre alla metafase I della meiosi. L’orientamento dei cromosomi omologhi sulla piastra metafasica determina il modo in cui i cromosomi si distribuiscono nelle cellule aploidi.