La meiosi divisione cellulare caratteristica
degli eucarioti, sia unicellulari che
pluricellulari
La meiosi porta alla formazione di
cromosomi nuovi attraverso il crossing
over
Con la meiosi, una cellula diploide (2n)
dopo aver replicato il suo DNA (4n),
mediante due divisioni successive forma
quattro cellule aploidi (n)
Negli organismi pluricellulari la meiosi
viene realizzata soltanto dalle cellule
germinali
La sessualità comporta l'alternarsi di due
eventi a carico dei nuclei cellulari: la
meiosi e la cariogamia
La cariogamia, fusione dei nuclei di due
diversi gameti, origina lo zigote, cellula il
cui nucleo (2n) è fornito di una doppia
serie di cromosomi a due a due omologhi
Nel corso della formazione di un individuo a
partire dallo zigote, le cellule germinali si
differenziano molto presto dalle linee cellulari
somatiche
Tutte le cellule, sia somatiche che germinali,
aumentano di numero dividendosi per mitosi
Solo le cellule germinali possono, una sola
volta nel corso della vita di una singola cellula
germinale, dividersi per meiosi
La meiosi genera cellule aploidi che formeranno i
gameti responsabili della riproduzione
Gametogenesi è il processo di formazione di
gameti (aploidi, n) da cellule diploidi della linea
germinale mediante la divisione meiotica
Spermatogenesi è il processo di formazione dei
gameti maschili. I 4 spermatidi diventano
spermatozoi; un uomo produce circa 200 milioni
di spermatozoi al giorno
Oogenesi è il processo di formazione di un uovo
attraverso la meiosi; una donna produce
generalmente un solo oocita II (che se fecondato
completerà la meiosi diventando UOVO) ad ogni
ciclo mestruale
Metafase I
Anafase I
Telophase I
Meiosi II
La Meiosi è un processo di divisione cellulare che porta alla
formazione di quattro cellule aploidi
La Meiosi consiste di due divisioni cellulari successive (Meiosi I
e Meiosi II) sono precedute da una unica duplicazione del DNA
La Meiosi I comincia con la profase caratterizzata da:
duplicazione dei centrioli ed inizio della formazione del fuso
meiotico, scomparsa della membrana nucleare e appaiamento
punto per punto dei cromosomi omologhi
Durante l’appaiamento, i cromatidi dei cromosomi omologhi si
scambiano tra loro alcuni segmenti corrispondenti mediante un
processo chiamato crossing-over
In metafase, i cromosomi omologhi che restano legati per il
centromero (formano le tetradi strutture formate da quattro
cromatidi) vengono agganciati dalle fibre del fuso
Il Crossing-over genera nuove combinazioni geniche
cromatidi fratelli
cromosomi omologhi prima e dopo il crossing over
Ma le nuove combinazioni possono essere sia
migliori che peggiori …
In anafase i cromosomi omologhi si separano migrando
verso i poli della cellula
In telofase, i cromosomi omologhi si riforma la membrana
nucleare e si formano due cellule figlie con un assetto aploide
La Meiosi II è essenzialmente simile alla mitosi (con la
differenza sostanziale che ha inizio da una cellula aploide
anziché diploide), i cromatidi fratelli di ogni coppia vengono
separati e si formano in tutto quattro cellule aploidi
Differenze tra Mitosi e Meiosi
MITOSI
MEIOSI
Cellula madre
(prima della duplicazione dei cromosomi)
MEIOSI I
Profase I
Profase
Si forma la
tetrade mediante
la sinapsi dei
cromosomi omologhi
Duplicazione
dei cromosomi
Duplicazione
dei cromosomi
Cromosoma
duplicato
(due cromatidi fratelli)
2n = 4
Metafase
I cromosomi si
allineano sul piano
equatoriale
Anafase
Telofase
I cromatidi si
separano durante
l’anafase
2n
Cellule figlie
prodotte per mitosi
2n
Le tetradi si allineano
sul piano equatoriale
Metafase I
Durante l’anafase I
i cromosomi
omologhi
si separano:
i cromatidi
fratelli
rimangono uniti
Non si verifica
un’ulteriore
duplicazione
dei cromosomi;
i cromatidi si
separano
durante l’anafase II
Anafase I
Telofase I
Aploide
n=2
Cellule figlie
prodotte per
meiosi I
MEIOSI II
n
n
n
Cellule figlie prodotte per meiosi II
n
Nella linea germinale maschile, gli spermatogoni colonizzano
la parte centrale di una struttura ovoidale che diventerà un
testicolo
Le cellule che vanno negli strati superiori dei tubuli seminiferi
diventeranno spermatociti I° da cui origineranno 2
spermatociti II°, da cui si origineranno 4 spermatidi che si
differenzieranno quindi in spermatozoi
I MASCHI CONTRIBUISCONO ALLE MUTAZIONI GENICHE PIÙ
DELLE FEMMINE
Poiché la maggior parte delle mutazioni si verificano durante la
Fase S del Ciclo Cellulare, i Maschi sono più a rischio di
mutazioni in quanto:
· poco più di 24 divisioni cellulari si verificano a partire da uno
zigote che inizia lo sviluppo di un embrione femmina prima che
siano messe da parte le cellule germinali che produrranno le sue
future uova mature (tutto questo accade molto prima della
nascita!)
· Gli spermatozoi di un uomo di 30 anni, al contrario, sono i
discendenti di almeno 400 divisioni mitotiche che si sono verificate
a partire da uno zigote che inizia lo sviluppo di un embrione di
sesso maschile
1. abbozzo del flagello; 2. Golgi
3. abbozzo dell’acrosoma
4. centrioli;
6. nucleo
5. mitocondri che si disporranno a spirale nel collo
dello spermatozoo
7. flagello;
8. microtubuli;
9. coda
10. acrosoma
CELLULE SOMATICHE
PROTAMMINE
SPERMATOZOI
Cromatina nel nucleo
della cellula somatica e
dello spermatozoo
ISTONI
Assemblaggio DNA-protammine
PROTEINE DI
TRANSIZIONE
Formazione delle strutture “a ciambella”
PROTAMMINE :
dimensione pari a circa metà di quella degli istoni (5-8 KDa)
il 55 - 70% degli amminoacidici sono arginina che ha una elevata
basicità
presenza di cisteine con formazione di legami crociati inter- ed intraprotaminici
Organizzazione in loop domains
PROTAMINE
Neutralizzazione della carica
negativa del DNA e grande
compattazione del nucleo
Rimodellamento nucleare
degli spermatozoi dei mammiferi
Nucleo cellula
somatica
Spermatogenesi
Maturazione epididimale
DNA
RNA
DNA\RNA
Istoni
Da 1\10
fino a
1 / 40
Protamine
Spermiogenesi:
differenziazione
dello spermatide
a spermatozoo
Topo\Ratto
Verro
Toro
Uomo
Cavallo
Capra
Nelle gonadi femminili, gli ovociti posizionati nelle ovaie prima
della nascita dopo aver subito la replicazione del DNA ed
all’inizio della ricombinazione meiotica che assicura la diversità
genetica della prole potenziale (sono fermi nella profase della
prima divisione meiotica, nutrito ed ingrassato dalle cellule
somatiche che lo circondano nel follicolo
Una volta ogni ciclo mestruale, un aumento delle
gonadotropine induce la maturazione meiotica di un grosso
ovocita, scoppia il follicolo e l’ovocita di secondo ordine si
ritrova solo nelle tube
Nel periodo precedente, attraverso le gap junctions, l'ovocita
primario aveva avuto modo di accumulare tutte le molecole
necessarie per sostenere lo sviluppo di un embrione
Restarting life: fertilization and the transition from meiosis to mitosis - Nat Rev Mol Cell Biol. 2013 Sep;14(9):549-62. doi:
10.1038/nrm3643 - Clift D, Schuh M.
Nella linea germinale femminile, gli oogoni colonizzano la parte periferica di
quello che diverrà l’ovario ed aumentano di numero per mitosi, ma solo nei
primi periodi di vita embrionale/fetale
Prima della nascita si differenziano in oociti I° che iniziano la profase della
meiosi I in cui trascorreranno lunghissimi periodi
Dalla pubertà in poi, ciclicamente un oocita I° completa la meiosi I,
scoppia il follicolo e l’oocita II si troverà nelle tube privo delle cellule che lo
nutrivano. Se non incontrerà uno spermatozoo, non inizierà la Meiosi II.
Se avviene invece la fecondazione, l’oocita II° inizierà la Meiosi II dando
una cellula Uovo aploide
UOVA DI MAMMIFERI:
ZONA PELLUCIDA E’ COMPOSTA
DA TRE GLICOPROTEINE
ZP2 , ZP3 :
FORMANO FILAMENTI
ZP1: forma legami tra i filamenti
costituendo una RETE
TRIDIMENSIONALE
ZP3 : è un recettore per gli
spermatozoi che si legano agli
oligosaccaridi attivando la reazione
acrosomale
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Nelle tube, lo spermatozoo si lega alla zona pellucida (matrice
glicoproteica) che circonda l'uovo ed i due gameti fondono
per formare lo zigote. L'uovo riprende la meiosi e segrega la
metà dei rimanenti cromatidi fratelli in un globulo polare.
I due pronuclei aploidi, maschile e femminile, migrano uno
verso l’altro in modo tale che il primo fuso mitotico si agganci
ad un genoma diploide (zigotico).
Una rapida serie di mitosi produce otto piccole cellule
embrionali (blastomeri) che aderiscono tra loro formando la
morula. Le due successive mitosi generano due differenti
popolazioni di cellule, quelle all'interno che costituiranno
l'embrione e quelle all’esterno che daranno origine al
tessuto extra-embrionale necessario per supportare lo
sviluppo embrionale in utero .
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Allo stadio di 32 cellule, all’interno dell’embrione si
inizia a formare una cavità piena di liquido, che
continua a crescere mentre l'embrione matura in
blastocisti. Arrivata nell’utero, la blastocisti si stacca
dalla zona pellucida per legarsi alla parete uterina su
cui l'embrione si continua a sviluppare.
La transizione da uovo ad embrione è una delle
trasformazioni cellulari più drammatiche e
complesse della biologia umana. La cellula risultante
dalla fecondazione, lo zigote, è in grado di
generare tutte le cellule del corpo umano.
Al momento della fecondazione, il genoma
materno è organizzato in cromosomi bloccati
nella metafase II, il genoma paterno è privo di
cromatina, strettamente compattato nella testa
dello spermatozoo.
Nello zigote esiste inizialmente una notevole
differenza nello stato cromatina dei genomi
parentali che deve essere risolto per garantire
la segregazione accurata dei cromosomi
durante la prima divisione mitotica.
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Dopo la fecondazione, mentre il
pronucleo femminile completa la
seconda divisione meiotica, nel
pronucleo maschile si riforma la
cromatina eliminando le protammine
e riformando i nucleosomi con nuovi
istoni
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Dopo la fecondazione, i nuclei
materno e paterno subiscono
drammatici cambiamenti della
cromatina, soprattutto il nucleo dello
spermatozoo in cui le protamine sono
rapidamente sostituite da istoni
materni per riformare la cromatina.
Untangling the mysteries of maternal inheritance with polyCOMB - Sengupta e Surani - EMBO Journal,
31, 2837-2838, 2012 - doi: 10.1038/emboj.2012.140
Dopo la fecondazione, i genomi
parentali devono essere
riprogrammati per la totipotenza,
ed il macchinario del ciclo
cellulare deve essere modificato
per passare dalla meiosi alla
segregazione della mitosi.
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Lo zigote acquisisce la totipotenza
dalla riprogrammazione della
cromatina dei genomi parentali, che
coinvolge una demetilazione globale
del DNA. Durante le prime divisioni
mitotiche dell'embrione, entrambi i
genomi parentali subiscono una
massiccia demetilazione che è
massima allo stadio di blastocisti.
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L' eredità materna gioca un ruolo cruciale nello
sviluppo degli ovociti per la regolazione dello
sviluppo attraverso istruzioni epigenetiche e
l'avvio della transizione dal programma
trascrizionale dello zigote a quello embrionale
Dopo la fecondazione, lo sviluppo embrionale
inizia soltanto con la formazione dello zigote,
dopo la fusione del nucleo dello spermatozoo
con quello dell’uovo.
Untangling the mysteries of maternal inheritance with polyCOMB - Sengupta e Surani - EMBO Journal,
31, 2837-2838, 2012 - doi: 10.1038/emboj.2012.140
La demetilazione del genoma
dell'embrione non è totale, una piccola
porzione dei geni hanno imprinting, il che
significa che saranno espressi solo da
uno dei due cromosomi parentali,
protetti da una particolare metilazione
al momento della formazione dei gameti
che non sarà modificata durante la
riprogrammazione epigenetica
dell'embrione.
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D, Schuh M.
L’imprinting genomico viene selettivamente
cancellato e ripristinato, ed il controllo
dell’espressione delle proteine si sposta da
traduzionale a trascrizionale.
Con la fecondazione, i genomi aploidi di ciascun
gamete vengono riuniti per formare il genoma
diploide nuovo ed unico dell’individuo che nascerà.
Il percorso per la riproduzione comincia molto
tempo prima della fusione tra i gameti maschili e
femminili.
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fecondazione
cariogamia
inizio delle mitosi
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Figura a lato: da ovocita a embrione:
(a) panoramica dello sviluppo pre-impianto.
A seguito dell’ovulazione, l’ovocita secondario
può essere fecondato, completa la seconda
divisione meiotica diventando un uovo maturo
che, unendo il suo nucleo con quello dello
spermatozoo fecondante, forma lo zigote.
Dopo diverse divisioni mitotiche , lo zigote
forma la morula , la successiva formazione
di una cavità piena di liquido porta ala
formazione della blastocisti che si impianta
nella parete uterina;
(b) Stadi di maturazione degli ovociti e relative
configurazioni cromosomiche. Dopo la
scomparsa dell'involucro nucleare si
assembla il fuso meiotico, in alto vicino
alla superficie dell'ovocita, avviene la
segregazione della metà dei cromosomi
omologhi e si forma il primo corpo polare.
A questo punto un secondo fuso meiotico
aggancia i cromosomi restanti e (il quasi)
uovo si arresta nella metafase II in attesa della fecondazione. Se arriva uno
spermatozoo, l'uovo segrega la metà dei cromatidi fratelli e forma il secondo globulo polare . Lo
zigote risultante contiene pronuclei aploidi dalla madre e del padre.
MORULA : 8 – 16 cellule (primi 3-4 giorni)
•Lo zigote inizia a dividersi rapidamente per mitosi
•Già allo stadio di 8 blastomeri si perde la totipotenza
•Anche se le cellule sembrano uguali tra loro, lentamente
iniziano ad avviare i programmi di differenziamento per
formare un embrione con i giusti tessuti ed organi
BLASTOCISTI : : 32 – 64 cellule (dal 4 al 13 giorno)
• formata da due tessuti: trofectoderma e ICM (Inner Cell
Mass) detto anche nodulo embrionale
• il primo formerà tessuti per nutrire il feto (placenta)
•
il secondo formerà l’embrione
cavità
blastocelica
ICM
(massa
cellulare
laterale)
trofectoderma
EMBRIONE : 14 – 18 giorno
• Trofectoderma e ICM si separano
• ICM si attacca all’utero dando inizio, così, al contatto
fisico e nutritivo con la madre
• Dal Trofoectoderma inizia a formarsi l’embrione
disco embrionale
(futuro embrione)
corion
amnios
sacco vitellino
SUCCESSIVAMENTE SI PARLA DI
~3 settimane
~ 4 settimane
FETO
Cariotipo umano
Un organismo DIPLOIDE riceve un cromosoma dalla madre
(= materno) ed un cromosoma dal padre (= paterno)
Una coppia di cromosomi corrispondenti, uno di origine materna e
l’altro paterna formano una coppia di cromosomi omologhi
Il cariotipo umano è composto da 46 cromosomi.
Il cariotipo umano è composto da 44 cromosomi detti autosomi e
da due cromosomi sessuali, XX o XY.
Le coppie di autosomi
sono formate da
cromosomi omologhi
(stessa lunghezza,
stessi geni).
I cromosomi sessuali
X ed Y sono diversi per
dimensione e non hanno
gli stessi geni.
1
2
12
13
3
14
4
15
5
16
6
17
7
18
8
19
9
20
10
21
22
11
XY
