Variazione del numero e della struttura dei cromosomi

Cap 7: Variazioni nel numero e struttura dei cromosomi

Analisi dei cromosomi

Il cariotipo indica l’insieme dei cromosomi metafasici di una specie o di un individuo che sono ordinati in base alla lunghezza e alla posizione del centromero. In figura è mostrato il cariotipo umano di una cellula diploide metafasica in cui le 22 coppie di autosomi sono allineate in ordine decrescente (dal più grande cioè quello 1 a quello più piccolo cioè 22) e vi è poi la coppia di cromosomi sessuali.

In base alla posizione occupata dal centromero, i cromosomi si distinguono in:

• Metacentrici: se il centromero si trova approssimativamente in centro e quindi il cromosoma ha due bracci che sono circa della stessa lunghezza.
• Submetacentrici: quando il centromero si trova spostato verso l’estremità così da creare un braccio più lungo e uno più corto.
• Acrocentrici: il centrosoma è in una posizione subterminale dove il braccio più corto spesso presenta una breve appendice con un rigonfiamento che è detto satellite.
• Telocentrici: il centromero si trova ad un’estremità del cromosoma.

I cromosomi che sono schematizzati in figura sono cromosomi metafasici per cui ciascun cromosoma è duplicato nei due cromatidi fratelli cioè in due doppie eliche di DNA unite nel centromero.

Riguardo la tecnica citologica che viene utilizzata per esaminare i cromosomi, si parte solitamente da cellule fatte crescere in coltura. In figura è mostrato il procedimento che viene utilizzato a partire da linfociti isolati per centrifugazione da un campione di sangue umano. La procedura consiste nel:

• Mettere in coltura le cellule e stimolarne la divisione cellulare con specifiche sostanze quali la fitoemoagglutinina.
• Le cellule vengono quindi trattate con colchicina che, legandosi alla tubulina dei microtubuli, blocca il fuso mitotico e impedisce alle cellule di entrare in anafase.
• Alle cellule viene poi aggiunta una soluzione ipotonica che le fa rigonfiare e consente ai cromosomi di separarsi bene l’uno dall’altro.
• Le cellule vengono messe, infine, su un vetrino da microscopio colorate e fotografate.

Quando i cromosomi non sono colorati è difficile distinguerli se ci si basa solo sulla dimensione o sulla forma per cui si usano dei coloranti specifici quali la giemsa, la quinacrina e l’arancio di acridina. Ciascuno di questi è in grado di colorare determinate regioni cromosomiche più intense rispetto ad altre regioni. In questo modo si formano bande di colore diverso che sono specifiche per ogni cromosoma e che quindi consente di distinguerli. In figura sono mostrate le diverse bande che si ottengono impiegando i diversi coloranti.

Il bandeggio G (maggiormente utilizzato) si ottiene utilizzando il colorante giemsa. Questo bandeggio è caratterizzato da un pattern di bande chiare (corrispondono a regioni del DNA ricche in G-C) e bande scure (queste corrispondono a regioni del DNA ricche in A-T). La diversa colorazione è anche attribuibile alle proteine che, in maniera diversa ma specifica, si associano ad ogni cromosoma. Il bandeggio Q si ottiene colorando con quinacrina e si osserva poi la preparazione alla luce ultravioletta. La variazione di luminosità, anche in questo caso, è legata alla diversa quantità (nelle diverse regioni) di coppie C-G o A-T e anche alle proteine associate ai cromosomi. Il bandeggio R si ottiene con il colorante arancio di acridina che dà un pattern di bande opposto al bandeggio G.

La tecnica del bandeggio consente quindi di distinguere i cromosomi e di verificare che non vi siano alterazioni nella loro struttura. Il centromero quindi separa il cromosoma in due bracci in cui quello corto è indicato con la lettera p e quello lungo con la lettera q. Inoltre, si usa indicare le diverse regioni di ogni cromosoma con diversi numeri che sono crescenti a partire dal centromero verso i due telomeri. Ad esempio, se ci si vuole riferire ad una specifica regione sul braccio corto del cromosoma 2 vicino al centromero, si può indicare come 2p1 (2 = cromosoma, p = braccio corto, 1 = regione vicina al centromero).

Variazione nel numero dei cromosomi

Le variazioni nel numero dei cromosomi possono essere classificate in due tipologie principali:

• Aneuploidie che sono cambiamenti numerici parziali del genoma e che di solito riguardano un singolo cromosoma.
• Poliploidie: si riferiscono al cambiamento nel numero degli assetti cromosomici, ad esempio una cellula triploide è una cellula con 3 assetti cromosomici cioè ha 3 coppie di ciascun cromosoma del corredo. Una cellula tetraploide avrebbe 4 assetti e così via. Nella nostra specie, ad esempio, l’assetto aploide è di 23 cromosomi, un assetto triploide è di 69 cromosomi.

Aneuploidie

Il cambiamento numerico parziale dei cromosomi interessa, normalmente, un singolo cromosoma che può essere in eccesso o in difetto. Le 4 condizioni più comuni di aneuploidia sono: nullisomia, monosomia, trisomia e tetrasomia.

Nullisomia: si ha la perdita di entrambi i membri di una coppia di cromosomi omologhi. Viene indicata come 2n – 2 dove n si riferisce al numero di cromosomi aploidi. Nella nostra specie 2n è pari a 46 cromosomi e quindi in una cellula nullisomica si avranno 44 cromosomi.

Monosomia: indica la perdita di un singolo cromosoma ed è indicata come 2n – 1. Quindi, una cellula umana monosomica ha 45 cromosomi.

Trisomia: indica la presenza di un singolo cromosoma in eccesso e si indica con 2n + 1 quindi, nel nostro caso, 47 cromosomi.

Tetrasomia: indica la presenza di due cromosomi omologhi in eccesso quindi 2n + 2 che, nella nostra specie, significa 48 cromosomi.

La prima evidenza delle aneuploidie si è avuta con la pianta Datura Stramonium il cui assetto aploide è di 12 cromosomi. Esistono 12 diverse varianti fenotipiche della capsula che contiene i semi e ciascuna di queste 12 varianti è riconducibile ad una trisomia per una diversa coppia di cromosomi.

Di solito l’aneuploidia altera radicalmente il fenotipo e nella maggior parte delle piante e degli animali, le mutazioni aneuploidi sono letali perché la presenza di cromosomi in più o in meno, comporta un numero alterato di copie dei geni. Il fatto, ad esempio, di avere 3 copie di un determinato cromosoma significa avere 3 copie (anziché due) di ogni singolo gene che localizza sul cromosoma interessato dalla trisomia. In altre parole, queste mutazioni non alterano la sequenza dei geni ma il loro dosaggio quindi la quantità di prodotto genico creando quindi scompensi che interferiscono con il normale sviluppo.

È per questo motivo che, nella nostra specie, solo un numero limitato di aneuploidie è compatibile con la vita: trisomie dei cromosomi 21, 13, 18 e dei cromosomi sessuali, monosomia del cromosoma X. Tutte le altre trisomie o monosomie determinano la morte dell’individuo in fase embrionale o fetale.

Esempi di aneuploidie

Trisomia 21: nota anche come sindrome di Down, è la forma di aneuploidia più diffusa nell’uomo con un’incidenza di 1 caso su circa 800 nascite. Gli individui portatori di questa sindrome presentano dei tratti somatici caratteristici (bassa statura, testa grande con viso tondo, lingua sporgente e ritardo mentale). Circa il 92% dei soggetti che sono affetti dalla sindrome di Down hanno 3 copie del cromosoma 21 quindi 47 cromosomi. La maggior parte degli individui con questa sindrome sono nati da genitori normali anche se l’età avanzata della madre può essere un fattore di rischio. Ci sono poi rari casi di sindrome di Down “famigliare” in quanto si manifestano con una frequenza più elevata in alcune famiglie in cui vi sono altri tipi di variazioni cromosomiche.

Sindrome di Patau: ha un’incidenza di 1 caso ogni circa 20,000 nati vivi. Ha caratteristiche fenotipiche molto gravi come serio ritardo mentale, sordità e anomalie cardiache. Muoiono nei primi mesi di vita e solo in rari casi arrivano ai 3 anni di età. Questa sindrome è data dalla presenza di 3 copie del cromosoma 13 e quindi 3 copie di tutti i geni che localizzano su questo cromosoma che crea un problema di sovraddosaggio di espressione genica, responsabile di questo fenotipo alterato.

Sindrome di Edward: ha un’incidenza di circa 1 su 8000. Anche in questo caso è associata a ritardo mentale e ad altre alterazioni fenotipiche piuttosto gravi quali malformazione di diversi organi che portano alla morte nei primi mesi di vita. È dovuta ad una trisomia del cromosoma 18.

Le aneuploidie dei cromosomi sessuali sono molto più comuni di quelle che interessano gli autosomi perché sono meglio tollerate. Nella trisomia del cromosoma X, con incidenza 1 su 700, i caratteri fenotipici di questi individui sono solo lievemente alterati. Si tratta di femmine con genitali normali, una fertilità limitata e solo un lieve ritardo mentale. In questa trisomia, grazie al meccanismo di inattivazione del cromosoma X che avviene normalmente in tutti i mammiferi, non si ha un’alterazione del dosaggio genico. Solo un cromosoma X viene lasciato attivo così da avere lo stesso dosaggio genico nei maschi e nelle femmine. In questo caso, i cromosomi X addizionali sono inattivati e solo uno è lasciato funzionante. Le cellule di queste femmine presenteranno, quindi, 2 corpi di Barr (uno per ciascuno dei due cromosomi inattivati). Nei rari casi di femmine con 4 cromosomi X, si osservano 3 corpi di Barr.

Sindrome di Klinefelter: associata alla presenza di due cromosoma X nei maschi. Questi individui, con cariotipo 47 XXY, sono maschi in quanto presentano il cromosoma Y (determinante nella formazione dei testicoli e quindi nella formazione del sesso maschile). Tuttavia, presentano alterazioni quali difficoltà di apprendimento e caratteristiche femminili come ginecomastia e timbro della voce.