Ricombinazione genetica

Sindrome di Down e traslocazione Robertsoniana 14/21

In figura è mostrato il cariotipo di un individuo con sindrome di Down dovuto a traslocazione Robertsoniana 14/21.

Capitolo 8: Ricombinazione genetica e mappe genetiche

Ricombinazione del DNA

Riportiamo l’attenzione sulla profase I della meiosi che è divisa nelle sottofasi di leptotene, zigotene, pachitene, diplotene e diacinesi. Questo perché in profase I si verifica un evento cruciale cioè il crossing-over in cui i cromosomi omologhi che si sono appaiati, durante il pachitene, si scambiano pezzi di cromosoma che localizzano nella stessa posizione sui due cromosomi omologhi.

In sintesi, il crossing-over consiste nello scambio di regioni omologhe di DNA tra i cromatidi di una coppia di cromosomi omologhi appaiati. Lo scambio fisico avviene tra segmenti cromosomici che sono localizzati nella stessa posizione dei due omologhi, i quali, vengono allineati nucleotide per nucleotide. Questo appaiamento prende il nome di sinapsi ed è accompagnato dalla formazione di una struttura proteica, che si forma tra i due omologhi appaiati, che viene detta complesso sinaptinemale.

Su ogni singola coppia di cromosomi omologhi ci può essere, ad ogni meiosi, uno o più punti in cui avviene il crossing-over. Queste regioni in cui si verifica lo scambio sono ben visibili durante il diplotene cioè quando i cromosomi appaiati iniziano lentamente a separarsi pur restando in contatto proprio in corrispondenza di queste regioni. I punti di contatto sono detti chiasmi. Nella figura in alto si può vedere una coppia di omologhi che è unita proprio nei chiasmi. Nell’esempio in basso si contano due chiasmi ad indicare che il crossing-over, in questo cromosoma, è avvenuto in due regioni.

Consideriamo una coppia di cromosomi omologhi che sono allineati tra loro e hanno formato la sinapsi. Distinguiamo i due omologhi con il colore rosso e il colore blu. Ciascun cromosoma è formato da due cromatidi fratelli cioè da due doppie eliche di DNA identiche tenute insieme nel centromero (pallino rosso e blu in figura). Indichiamo con A e B due diversi geni che si trovano su questa regioni di cromosoma e con le lettere maiuscole e minuscole rispettivamente gli alleli di questi due geni. Ad esempio, sul cromosoma rosso per il gene A è presente l’allele A mentre sul suo omologo azzurro, per lo stesso gene, è presente la variante allelica a (stessa cosa per il gene B).

In ogni determinato punto in cui avviene il crossing-over a scambiarsi sono solo due dei 4 cromatidi appaiati. Se lo scambio si verifica tra cromatidi fratelli di un omologo (ad esempio tra i due cromatidi rossi) non ci sarà alcuna conseguenza visibile dal momento che questi due cromatidi sono identici tra loro. Il crossing-over potrà avere conseguenze visibili se a scambiarsi sono i due cromatidi, uno proveniente da un cromosoma e l’altro dal suo omologo (un cromatidio rosso e uno blu). Per capire meglio il meccanismo del crossing-over, consideriamo solo un cromatidio per ciascuno dei due omologhi cioè quelli che effettivamente verranno coinvolti nel crossing-over in questa ipotetica regione cromosomica.

Modello di crossing-over

In questa figura sono schematizzati diversi passaggi del modello di crossing-over.

• Partiamo da due cromatidi allineati.
• Rottura a doppio filamento che interessa cioè i filamenti della doppia elica di DNA di uno dei due cromatidi (in figura quello rosso). Questa rottura è catalizzata dall’enzima Spo11.
• Il complesso proteico MRX con attività esonucleasica 5’ 3’ rimuove alcuni nucleotidi dalle due estremità 5’ così da generare DNA a singolo filamento su entrambe i lati.
• Un’estremità 3’ libera migra sull’altra doppia elica di DNA cioè quella rimasta intatta del cromosoma omologo in cui va ad allontanare uno dei due filamenti e va ad appaiarsi con le sequenze nucleotidiche complementari dell’altro filamento. Il filamento che viene allontanato forma una struttura ad anello detta D-loop. Contemporaneamente, da entrambe le estremità 3’ parte la sintesi di DNA ad opera della DNA polimerasi utilizzando, come stampo, i filamenti complementari intatti (le frecce blu).
• Si crea una regione detta di eteroduplex in cui si ha un appaiamento tra filamenti provenienti dalle due molecole di DNA.
• Le estremità dei filamenti spezzati vengono unite dalla DNA ligasi dando origine a strutture a croce note come giunzioni di Holliday, le quali, possono migrare (sia da un lato che dall’altro) estendendo così la regione di eteroduplex. Questa migrazione può avvenire anche per migliaia di basi purché le molecole di DNA che si scambiano i filamenti siano altamente omologhe. Le giunzioni di Holliday vengono poi tagliate in specifiche posizioni generando così i due cromatidi ricombinanti in cui le combinazioni alleliche dei geni A e B sui due omologhi sono diverse da quelle originali.

Questo meccanismo per il crossing-over viene, in realtà, usato anche dalla cellula per riparare i danni del DNA dovuti a rotture a doppio filamento della molecola di DNA. In questo caso, la doppia elica del cromosoma omologo viene utilizzata per riparare il DNA danneggiato. I passaggi sono simili a quelli descritti ma la giunzione di Holliday viene tagliata in punti diversi dando origine ad una molecola di DNA in cui la rottura è stata riparata ma che ha un tratto di sequenza che è stata copiata dal cromosoma omologo (il tratto blu interno alla molecola rossa). Inoltre, la disposizione degli alleli dei geni A e B non è cambiata rispetto a quella di partenza.

Link sul crossing-over: https://www.youtube.com/watch?v=3qgBKrAZCLg

Conseguenze del crossing-over

Studiando Mendel abbiamo considerato caratteri fenotipici controllati da geni diversi che assortiscono indipendentemente cioè geni che localizzano su cromosomi diversi. In figura, le due linee pure parentali differiscono per due caratteri: forma del seme e colore del seme (gialli e lisci in una linea e verdi e rugosi nell’altra). Questi due caratteri sono sotto il controllo di due diversi geni che localizzano su cromosomi diversi non omologhi. Dall’incrocio delle due linee pure si ottiene una F1 a semi gialli e lisci che è doppio eterozigote e di genotipo Gg (gene per il colore del seme) e Ww (gene per la forma del seme).

Dalle leggi di Mendel sulla segregazione e su... (testo interrotto)