11 Biologia - Wolfe
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Adrian T. Sumner/Science Photo Library/Photo Researchers, Inc. Cromosomi appaiati durante la metafase della prima divisione meiotica, il meccanismo che produce i gameti, quali uova e spermatozoi (SEM colorata). 11 Piano di studio 11.1 I meccanismi della meiosi La meiosi si basa sulle interazioni e sulla distribuzione delle coppie di cromosomi omologhi. Il ciclo cellulare meiotico produce quattro cellule figlie geneticamente diverse, ciascuna con la metà dei cromosomi della cellula progenitrice. 11.2 I meccanismi che producono variabilità genetica La variabilità prodotta dalla ricombinazione è conseguente all’appaiamento cromosomico e agli scambi fisici che avvengono tra cromatidi omologhi. La segregazione casuale dei cromosomi materni e paterni costituisce la seconda fonte principale di variabilità genetica durante la meiosi. L’unione casuale dei gameti maschile e femminile alla fecondazione produce ulteriore variabilità genetica. 11.3 Momento e sede della meiosi nel ciclo vitale degli organismi Negli animali predomina la fase diploide, mentre la fase aploide è ridotta e la formazione dei gameti segue direttamente la meiosi. Nella maggior parte delle piante e dei funghi si ha alternanza di generazioni, entrambe pluricellulari, in fase aploide e diploide. In alcuni funghi e in altri organismi predomina la fase aploide, mentre la fase diploide è ridotta ad una sola cellula. Meiosi: le basi cellulari della riproduzione sessuale PERCHÉ È IMPORTANTE Una coppia dimostra interesse reciproco. Prima egli la accarezza con un braccio, poi con un secondo, poi con un altro e un altro ancora. Lei ricambia e questa interazione va avanti per ore; un abbraccio qui, una stretta là. Al momento giusto il maschio raggiunge il suo mantello, prende un pacchetto di spermatozoi e lo introduce sotto il mantello della femmina. Da ciascuno degli spermatozoi che riesce a portare a termine la sua funzione, si originerà uno zigote che darà origine ad un nuovo polpo. Per il polpo, il sesso è un evento occasionale che viene preceduto da un rituale di corteggiamento effettuato tramite un intreccio di tentacoli. Per un altro animale marino, la patella, è un’attività di gruppo che dura tutta la vita. Le patelle sono parenti stretti delle chiocciole. Al pari di molti altri animali, la patella attraversa un periodo di immaturità allo stato libero prima di trasformarsi in adulto. Quando arriva il momento di diventare adulta, si fissa ad una roccia o a una qualsiasi superficie fissa. Se si fissa isolata ad un substrato diventa femmina, se invece si fissa su una femmina diventa maschio. Se un’altra patella si fissa sul maschio, diviene essa stessa maschio. Le patelle adulte vivono solitamente così impilate l’una sull’altra e quella sul fondo è sempre una femmina. Tutti i maschi producono continuamente spermatozoi che fecondano le uova deposte 221 dalla femmina. Se la femmina muore, il maschio che rimane in fondo alla pila si trasforma in femmina, e così la riproduzione continua. Questi polpi e patelle hanno una riproduzione sessuale, cioè generano figli per mezzo della fusione di gameti maschili e femminili, uova e spermatozoi negli animali. La riproduzione sessuale dipende quindi dalla meiosi, un processo di divisione cellulare specializzato nella produzione di gameti. La meiosi porta alla riduzione del numero di cromosomi, cioè produce gameti che hanno la metà dei cromosomi presenti nelle cellule somatiche di una specie. L’etimologia del termine meiosi (meioun = diminuire) si riferisce proprio a tale riduzione. Alla fecondazione i nuclei dell’uovo e dello spermatozoo si fondono e formano una cellula chiamata zigote, nella quale viene ripristinato il numero diploide di cromosomi tipico della specie. Senza il dimezzamento del numero di cromosomi che avviene con la meiosi, la fecondazione porterebbe al raddoppiamento del numero di cromosomi ad ogni successiva generazione. La meiosi e la fecondazione hanno anche la funzione di mescolare le informazioni genetiche e produrre nuove combinazioni in modo che nessuno dei figli di una coppia sia geneticamente identico. Al contrario, la riproduzione asessuale produce figli identici perché essi vengono prodotti attraverso divisioni mitotiche (la riproduzione ases- Adulti diploidi (2n) 46 cromosomi Zigote diploide (2n) 46 cromosomi FECONDAZIONE Fase diploide (2n) del ciclo vitale MEIOSI Fase aploide (n) del ciclo vitale Uovo aploide (n) 23 cromosomi Spermatozoo aploide (n) 23 cromosomi Figura 11.1 Il ciclo della meiosi e della fecondazione. La meiosi riduce il numero dei cromosomi dall’assetto diploide (due membri per ogni cromosoma) a quello aploide (un membro per ogni cromosoma). La fecondazione ripristina il corredo diploide. 222 UNITÀ DUE GENETICA suale è illustrata nel Capitolo 10). La riproduzione sessuale produce pertanto la variabilità che è alla base della maggior parte delle differenze ereditarie tra gli organismi che si riproducono per via sessuale. Questa variabilità è alla base dei processi evolutivi. Il dimezzamento del numero di cromosomi della specie e il mescolamento delle informazioni genetiche in nuove combinazioni – entrambi prodotti dalla meiosi – e il ripristino del corredo cromosomico diploide alla fecondazione costituiscono gli aspetti biologici fondamentali della riproduzione sessuale. Lo scambio di tentacoli nei polpi e la comunità sessuale nelle patelle, così come il corteggiamento e i rituali di accoppiamento nell’uomo, non sono altro che variazioni nelle modalità usate per raggiungere lo scopo fondamentale della procreazione, la fecondazione. 11.1 I meccanismi della meiosi La meiosi avviene solo negli eucarioti che si riproducono sessualmente e solo negli organismi che sono almeno diploidi, cioè organismi che posseggono almeno due copie di ciascun cromosoma. La meiosi si basa sulle interazioni e sulla distribuzione delle coppie di cromosomi omologhi Per poter seguire bene le tappe della meiosi, bisogna avere le idee chiare su come sono costituite le coppie di cromosomi negli organismi diploidi. Come già illustrato nella Sezione 10.1, i due membri di uno stesso cromosoma in una cellula diploide formano una coppia di omologhi, ovvero hanno gli stessi geni (sono cioè costituiti dallo stesso DNA), che sono distribuiti con lo stesso ordine sul cromosoma. Un cromosoma di ciascun paio, il cromosoma paterno, viene ereditato dal padre, l’altro, il cromosoma materno, dalla madre. Anche se i due cromosomi omologhi di una coppia contengono gli stessi geni distribuiti con lo stesso ordine, forme diverse di ogni gene, dette alleli, possono essere presenti nell’uno o nell’altro cromosoma della coppia. Gli alleli dello stesso gene hanno sequenze diverse di DNA e codificano per forme diverse della stessa proteina, che possono avere differente struttura o composizione chimica, o sia l’una sia l’altra. Per esempio, l’uomo ha normalmente 46 cromosomi nelle sue cellule, cioè 23 coppie di omologhi (vedi Figura 10.7). Tuttavia, ciascun individuo (eccetto i gemelli identici) possiede una combinazione unica di alleli nei due cromosomi omologhi che formano una coppia. Il diverso complesso di alleli che si origina a seguito dei meccanismi di meiosi e fecondazione determina in ogni individuo di sesso maschile o femminile la presenza di una combinazione unica di caratteri ereditari, quali ad esempio l’altezza, il colore degli occhi, la suscettibilità a certe malattie e persino vari aspetti della personalità e dell’intelligenza. La meiosi separa gli omologhi di ogni coppia, riducendo così il corredo cromosomico diploide (2n) ad aploide (n) (Figura 11.1). Ogni gamete prodotto tramite la meiosi riceve solo un membro di ogni coppia di omologhi. Per esempio, un uovo o uno spermatozoo umano conten- gono 23 cromosomi, uno per ognuna delle coppie. Quando l’uovo e lo spermatozoo si uniscono nella riproduzione sessuale e producono lo zigote – la prima cellula del nuovo organismo – si ricostituisce il corredo diploide di 46 cromosomi (23 coppie). Il processo di replicazione del DNA e la divisione cellulare per mitosi assicurano che il numero diploide di cromosomi venga mantenuto nelle cellule somatiche che si formano a partire dallo zigote. Il ciclo cellulare meiotico produce quattro cellule figlie geneticamente diverse, ciascuna con la metà dei cromosomi della cellula progenitrice (meiosi II), i cromatidi fratelli si separano a loro volta e si distribuiscono (segregano) in cellule diverse. Alla fine dell’intero processo meiotico si producono quattro cellule, ciascuna con un corredo cromosomico aploide. Per convenienza i biologi suddividono la divisione meiotica negli stessi stadi della mitosi: profase, prometafase, metafase, anafase e telofase. Gli stadi, a seconda della divisione alla quale appartengono, vengono identificati con la simbologia I o II (ad esempio, profase I o profase II). Le due divisioni meiotiche sono intervallate da una breve interfase detta intercinesi, durante la quale peraltro è bene ricordare che non si ha replicazione del DNA. Profase I. All’inizio della profase I, i cromosomi raddop- La meiosi è un processo di divisione cellulare che avviene in due tappe (dette meiosi I e meiosi II) negli organismi che si riproducono per via sessuale. Durante la meiosi, i cromosomi raddoppiati della cellula progenitrice vengono distribuiti in quattro cellule figlie, ciascuna delle quali avrà pertanto la metà dei cromosomi della cellula progenitrice. Nella mitosi, invece, ad ogni raddoppiamento dei cromosomi segue una divisione cellulare, perciò il numero dei cromosomi rimane costante da una generazione all’altra. Il ciclo cellulare meiotico inizia con una interfase premeiotica quando il DNA si replica di pari passo con il raddoppiamento delle proteine cromosomiche. (Questa parte della interfase comprende gli stadi G1, S e G2, al pari della interfase premitotica). Come nella interfase premitotica, il risultato di questa duplicazione è la formazione di due cromatidi fratelli identici per ciascun cromosoma (Figura 11.2). Dopo questa fase le cellule iniziano le due divisioni meiotiche, meiosi I e meiosi II. I cromosomi omologhi della stessa coppia si appaiano e possono scambiarsi segmenti cromosomici nel corso della prima divisione; questo processo è detto ricombinazione. Dopo la ricombinazione i cromosomi omologhi si separano e la cellula prosegue la meiosi I, al termine della quale si ottengono due cellule, ciascuna con un corredo cromosomico aploide nel quale ogni cromosoma è costituito da due cromatidi (è cioè bicromatidico). Nel corso della seconda divisione meiotica piati, costituiti ciascuno da due cromatidi fratelli, incominciano a condensarsi ed avvolgersi in strutture filamentose bastoncellari all’interno del nucleo (Figura 11.3, stadio 1). Coppia di cromosomi omologhi Cellula diploide con i due cromosomi omologhi di una coppia. Duplicazione dei cromosomi durante la interfase premeiotica Cromatidi fratelli Il risultato della duplicazione è che ciascun cromosoma è costituito da due cromatidi fratelli. Appaiamento dei cromosomi omologhi durante la profase meiotica I Mentre sono appaiati, i cromosomi omologhi (o meglio i cromatidi omologhi) possono scambiarsi segmenti e andare così incontro al fenomeno della ricombinazione genetica. Figura 11.2 Produzione di quattro nuclei aploidi come conseguenza delle due divisioni meiotiche. (Per semplicità è stata rappresentata una sola coppia di cromosomi omologhi con i due membri di colore diverso a seconda della provenienza materna o paterna). Prima divisione meiotica La prima divisione meiotica consiste nella separazione degli omologhi, che passano ciascuno in una delle due cellule figlie prodotte dalla divisione. Tali cellule contengono un numero aploide di cromosomi, anche se ciascuno di essi è tuttora composto da due cromatidi. Seconda divisione meiotica Alla seconda divisione meiotica i cromatidi fratelli si separano e migrano ciascuno in una delle cellule derivate da questa divisione. CAPITOLO 11 MEIOSI: LE BASI CELLULARI DELLA RIPRODUZIONE SESSUALE 223 Prima divisione meiotica Profase I Membrama plasmatica Centrioli duplicati Cromosomi omologhi Involucro nucleare Tetrade Due cromatidi fratelli Condensazione dei cromosomi 1 All’inizio della profase I i cromosomi incominciano a condensarsi e a formare delle strutture bastoncellari. Ciascun cromosoma è costituito da due cromatidi fratelli a seguito della precedente replicazione del DNA che avviene nel corso della interfase premeiotica. Sono rappresentate due coppie di cromosomi omologhi, una lunga e una corta. Sinapsi 2 I cromosomi omologhi si avvicinano e si appaiano. Ricombinazione 3 Mentre sono appaiati, i cromatidi appartenenti a cromosomi omologhi possono scambiarsi segmenti e andare incontro a ricombinazione genetica. Il cerchio indica un sito di scambio. (Vedi anche la freccia). Prometafase I 4 Nella prometafase I l’involucro nucleare si frammenta e il fuso va a collocarsi dove prima era situato il nucleo. I microtubuli del fuso si legano al cinetocore dei cromosomi con un preciso e specifico processo: i microtubuli che si dirigono verso un polo del fuso si attaccano ad entrambi i cromatidi fratelli di un cromosoma e li trasportano a quel polo, mentre i microtubuli del fuso che si dirigono al polo opposto si uniscono ad entrambi i cromatidi fratelli dell’altro omologo e li trasportano uniti all’altro polo. Seconda divisione meiotica Figura 11.3 Le divisioni meiotiche. Il disegno rappresenta la sequenza degli eventi che avvengono in una cellula germinale maschile (sono rappresentate due coppie di cromosomi omologhi). 224 UNITÀ DUE GENETICA Profase II Prometafase II 8 I cromosomi di ricondensano e si forma un nuovo fuso. 9 L’involucro nucleare si frammenta ancora, il fuso si colloca nell’area dove prima era situato il nucleo e i microtubuli provenienti da (o diretti verso) i poli opposti si attaccano al cinetocore di ciascun cromosoma. Piastra metafasica Coppia di omologhi Intercinesi: non si ha alcuna duplicazione del DNA tra la prima e la seconda divisione Metafase I 5 I movimenti dei microtubuli del fuso determinano l’allineamento delle tetradi sul piano equatoriale – detto piastra metafasica – collocato tra i due poli del fuso. Metafase II 10 I movimenti dei microtubuli del fuso determinano l’allineamento dei cromosomi sulla piastra metafasica. Anafase I Profase II della seconda divisione meiotica Telofase I 6 I microtubuli del fuso sono responsabili della separazione dei due cromosomi omologhi di ciascuna coppia e determinano la loro migrazione verso i poli opposti del fuso. A questo punto ogni polo contiene un numero aploide di cromosomi, ciascuno dei quali è comunque composto da due cromatidi. 7 In questo stadio i cromosomi non subiscono praticamente alcun cambiamento, se non una limitata decondensazione e distensione in alcune specie. Il fuso della prima divisione meiotica scompare e si formano due nuovi fusi in vista della seconda divisione. Anafase II Telofase II 11 I microtubuli del fuso provocano la separazione dei due cromatidi di ciascun cromosoma e li trasportano ai poli opposti del fuso. 12 I cromosomi iniziano a decondensarsi (distendersi), le fibre del fuso si disassemblano e si forma un nuovo involucro nucleare. CAPITOLO 11 MEIOSI: LE BASI CELLULARI DELLA RIPRODUZIONE SESSUALE 225 SPUNTI DALLA RIVOLUZIONE MOLECOLARE Regioni di fertilità nel cromosoma Y umano Una parte del cromosoma Y umano contiene geni attivi e si appaia con la regione omologa del cromosoma X durante la meiosi. La parte rimanente del cromosoma Y, che non si appaia con il cromosoma X, è stata a lungo ritenuta inerte, priva di geni funzionali. Ma gli scienziati hanno individuato in questa regione la presenza di vari geni. Uno di essi è il gene SRY, che regola la formazione dei testicoli negli embrioni maschili. Altri, scoperti recentemente, comprendono un gruppo (cluster) di otto geni “housekeeping”, cioè geni che codificano per proteine fondamentali in processi essenziali, quale la sintesi proteica, che avvengono in ogni cellula. Era già noto che i geni “housekeeping” erano presenti sul cromosoma X e su alcuni autosomi, ma è stato sorprendente trovarli in una regione del cromosoma Y che non ha omologia con alcuna regione dell’X. Questa scoperta inattesa ha portato due ricercatori del Massachusetts Institute of Technology, Bruce T. Lahn e David C. Page, a chiedersi se altri geni potessero essere presenti nella regione dell’Y che non si appaia con l’X. Un indizio che vi potrebbero essere localiz- zati altri geni è fornito dal fatto che delezioni in questa regione possono portare nell’uomo a sterilità e alla comparsa di tumori testicolari, il che ha suggerito che il cromosoma Y possa contenere sequenze di DNA di fondamentale importanza per la fertilità maschile. Per individuare eventuali altri geni, Lahn e Page hanno usato preliminarmente tecniche di analisi genetica per eliminare le regioni del cromosoma Y non codificanti, cioè prive di geni, così come quelle che contenevano geni già noti. In seguito all’uso di queste tecniche sono stati evidenziati alcuni frammenti di cromosoma contenenti geni al momento sconosciuti. L’analisi molecolare condotta su questi frammenti ha dimostrato la presenza di dodici geni, tutti nella regione dell’Y che non si appaia con il cromosoma X. Lahn e Page hanno usato un programma computerizzato per confrontare le sequenze di aminoacidi codificate dai 12 geni con la banca dati delle sequenze proteiche note. Il confronto ha dimostrato che cinque di questi geni sono “housekeeping” (uno, per esempio, codifica per una proteina Quindi i due cromosomi omologhi di ciascuna coppia si uniscono allineandosi punto per punto a formare una struttura simile ad una cerniera; questo processo è detto appaiamento o sinapsi (Figura 11.3, stadio 2). Quando sono totalmente appaiati per tutta la loro lunghezza, i cromosomi di una coppia formano la cosiddetta tetrade, in quanto ciascun membro è costituito da due cromatidi, quattro in totale. Nella mitosi non avviene un simile appaiamento dei cromosomi omologhi. Mentre sono appaiati, i cromatidi appartenenti a cromosomi omologhi si scambiano fisicamente dei segmenti (Figura 11.3, stadio 3). Questo scambio fisico, detto ricombinazione, costituisce il meccanismo mediante il quale gli alleli localizzati sui cromosomi omologhi assumono nuove combinazioni, contribuendo ad incrementare la variabilità nella riproduzione sessuale (vedi più avanti in questo stesso capitolo i dettagli sul meccanismo della ricombinazione genica). Al termine della profase I nel citoplasma si forma un fuso, con le stesse modalità già illustrate nella Sezione 10.3. Prometafase I. Nella prometafase I, l’involucro nucleare si frammenta e il fuso si porta nell’area dove si trovava il nucleo (Figura 11.3, stadio 4). I due cromosomi di ciascuna coppia si attaccano mediante il cinetocore ai microtubuli che raggiungono il polo opposto del fuso. Cioè entrambi i cromatidi fratelli di un cromosoma omologo si attaccano ai microtubuli che raggiungono un polo del fuso, mentre entrambi i cromatidi dell’altro cromosoma omologo si attac226 UNITÀ DUE GENETICA ribosomale). Tutti e cinque questi geni sono localizzati anche sul cromosoma X. Le proteine codificate dagli altri 7 geni non mostrano alcuna relazione con proteine già note. Tuttavia, la maggior parte contiene una sequenza di aminoacidi caratteristica di proteine che si legano a sequenze di DNA o di RNA o alla cromatina (le fibre cromosomiche di DNAproteine). Queste caratteristiche suggeriscono che le proteine codificate da questi geni possono regolare altri geni o stabilizzare il DNA, l’RNA o la cromatina; pertanto, essi potrebbero avere un ruolo importante nei processi che portano alla produzione di spermatozoi maturi. Le ricerche di Lahn e Page dimostrano che le regioni del cromosoma Y una volta considerate deserti in termini genetici in effetti contengono geni attivi, alcuni dei quali potrebbero essere necessari per la normale fertilità maschile. L’identificazione delle funzioni di questi geni potrebbe portare a trattamenti con effetti benefici nella cura della infertilità maschile causata dal loro funzionamento difettoso. cano ai microtubuli che si dirigono verso l’altro polo del fuso. Metafase I e anafase I. Alla prima metafase i movimenti dei microtubuli del fuso determinano la collocazione delle tetradi sul piano equatoriale – la piastra metafasica – collocato tra i due poli del fuso (Figura 11.3, stadio 5). Quindi i due cromosomi omologhi di ciascuna coppia si separano e migrano verso i poli opposti del fuso, verso i quali sono trasportati dai microtubuli del fuso, che si contraggono durante l’anafase I (Figura 11.3, stadio 6). Questi movimenti portano alla separazione (segregazione) degli omologhi e determinano la migrazione a ciascun polo del fuso di un corredo aploide di cromosomi. Comunque, tutti i cromosomi sono ancora costituiti in questo stadio da due cromatidi fratelli. Raramente la segregazione cromosomica va incontro ad errori. Per esempio, entrambi i cromosomi omologhi di una coppia possono migrare allo stesso polo del fuso all’anafase I. Ne risulta una cosiddetta non-disgiunzione, nella quale il fuso non riesce a separare i cromosomi omologhi. Tutta la tetrade migra allo stesso polo, che in tal modo riceve entrambi i cromosomi di una coppia di omologhi, mentre all’altro polo non giunge alcun membro di quel cromosoma. Lo zigote che ne risulta dopo la fecondazione avrà pertanto tre copie di un cromosoma invece delle normali due, a causa della non-disgiunzione. Nell’uomo la maggior parte di questo tipo di zigoti non conclude lo sviluppo e quindi non origina un nuovo organismo. Un’eccezione è costituita dalla sindrome di Down, che è caratterizzata dalla presenza di tre copie del cromosoma 21. La sindrome di Down comporta modificazioni caratteristiche dell’aspetto del viso e del corpo, ritardo mentale e una significativa riduzione della fertilità (vedi Capitolo 13 per una descrizione più dettagliata della sindrome di Down). Telofase I e intercinesi. La telofase è uno stadio breve, transitorio, nel quale avvengono ben pochi cambiamenti a carico dei cromosomi (Figura 11.3, stadio 7). L’involucro nucleare si ricostituisce in alcune specie, ma non in altre. La telofase è seguita da una intercinesi durante la quale il fuso della prima divisione meiotica scompare e i microtubuli si riassemblano a formare due nuovi fusi per la seconda divisione. Profase II, prometafase II e metafase II. La seconda divisione meiotica o meiosi II è un processo simile alla divisione mitotica. Durante la profase II, i cromosomi si condensano e si forma il fuso (Figura 11.3, stadio 8). Durante la prometafase II, l’involucro nucleare si frammenta, il fuso si porta nell’area precedentemente occupata dal nucleo e i microtubuli del fuso, che si dirigono verso i poli opposti del fuso stesso, si attaccano ai due cinetocori di ciascun cromosoma bicromatidico (Figura 11.3, stadio 9). Alla metafase II, i movimenti dei microtubuli del fuso determinano l’allineamento dei cromosomi sulla piastra equatoriale o metafasica (Figura 11.3, stadio 10). Anafase II e telofase II. L’anafase II inizia con la separazione dei due cromatidi di ciascun cromosoma, che vengono trasportati ai poli opposti del fuso dai microtubuli (Figura 11.3, stadio 11). Al termine della anafase II i cromatidi, a questo punto di nuovo chiamati cromosomi, sono distribuiti ai due poli. Durante la telofase II, si decondensano per acquisire la forma distesa tipica della interfase, il fuso si dissocia e scompare e un nuovo involucro nucleare si forma attorno alla massa di cromatina (Figura 11.3, stadio 12). Il risultato è che si formano quattro cellule aploidi, ciascuna con un nucleo contenente la metà del numero di cromosomi presente nella cellula progenitrice allo stadio G1 dell’interfase iniziale. Cromosomi sessuali e meiosi. In molti eucarioti, compresa la maggior parte degli animali, una o più coppie di cromosomi, detti cromosomi sessuali o eterocromosomi, sono diversi nei maschi e nelle femmine della stessa specie. Per esempio, nell’uomo le cellule delle femmine hanno una coppia di cromosomi XX (i cromosomi sessuali sono rappresentati nella Figura 10.7). I maschi contengono invece una coppia di cromosomi sessuali costituita da un cromosoma X e da un cromosoma più piccolo detto Y. I due cromosomi X delle femmine sono completamente omologhi, mentre l’X e l’Y del maschio sono omologhi solo per un corto segmento. Comunque, un cromosoma X della madre può appaiarsi sia con l’X che con l’Y paterno e le due diverse coppie che possono formarsi si comportano durante le divisioni meiotiche come le altre coppie di cromosomi omologhi (autosomi). Al termine della meiosi il gamete che si origina nelle femmine contiene comunque uno dei due cromosomi X. Il gamete maschile può invece contenere o il cromosoma X o quello Y. (L’inserto Spunti dalla rivoluzione molecolare illustra in dettaglio gli studi che hanno portato alla scoperta del gene essenziale per la determinazione del sesso sul cromosoma Y dei mammiferi). La sequenza degli stadi e degli eventi delle due divisioni meiotiche permette la realizzazione dei risultati più significativi della meiosi: la produzione di variabilità genetica e la riduzione del numero di cromosomi. (La Figura 11.4 riassume le due divisioni meiotiche e le confronta con la singola divisione mitotica). INTERVALLO 1. Quali sono le principali differenze tra i prodotti ottenuti dalla meiosi e dalla mitosi? 2. In cosa consiste la ricombinazione e in quale stadio della meiosi avviene? 3. Quale delle due divisioni meiotiche è simile alla mitosi? 11.2 I meccanismi che producono variabilità genetica La produzione di variabilità genetica è un vantaggio fondamentale della riproduzione sessuale. La variabilità aumenta la probabilità che almeno alcuni neonati sopravvivano e raggiungano con successo la maturità riproduttiva se cambiano le condizioni ambientali. La variabilità prodotta dalla riproduzione sessuale è ben visibile e nota a tutti noi, specie se consideriamo il genere umano. A parte i gemelli identici, non esistono due persone che siano uguali, si comportino allo stesso modo o abbiano identiche caratteristiche biochimiche e fisiologiche, neppure se appartengono alla stessa famiglia. Allo stesso modo, altre specie che si riproducono per via sessuale presentano una variabilità simile che si origina dai processi meiotici. Nel corso della meiosi e della fecondazione la variabilità genetica è prodotta in particolare da tre meccanismi: (1) la ricombinazione, (2) le diverse combinazioni di cromosomi di origine materna e paterna che segregano ai poli del fuso durante la anafase I, (3) i particolari assetti cromosomici dei gameti maschili e femminili che si uniscono alla fecondazione. I tre meccanismi agiscono insieme e producono una variabilità complessiva così elevata che due gameti prodotti dallo stesso individuo, o da individui diversi, o due zigoti prodotti dall’unione dei gameti non hanno alcuna probabilità di avere la stessa costituzione genetica. Queste tre fonti di variabilità sono trattate in dettaglio nei prossimi paragrafi. La variabilità prodotta dalla ricombinazione è conseguente all’appaiamento cromosomico e agli scambi fisici che avvengono tra cromatidi omologhi La ricombinazione è l’evento chiave della profase I e inizia con l’appaiamento dei cromosomi omologhi (Figura 11.5, stadio 1). Quando si appaiano, i cromosomi omologhi sono tenuti insieme da una struttura chiamata complesso sinaptinemale (Figura 11.6). Grazie a questa struttura i segmenti omologhi dei cromatidi materno e paterno si scambiano dei tratti, producendo così nuove combinazioni di CAPITOLO 11 MEIOSI: LE BASI CELLULARI DELLA RIPRODUZIONE SESSUALE 227 alleli (Figura 11.5, stadio 2). Il processo di scambio è molto preciso e coinvolge la rottura e il ricongiungimento di porzioni di DNA operati da specifici enzimi. Ogni evento di ricombinazione coinvolge due dei quattro cromatidi che costituiscono la tetrade, mentre gli altri due cromatidi non sono impegnati in quell’evento. Al termine della meiosi, ciascuno dei quattro nuclei prodotti dalle due successive divisioni riceve uno solo dei quattro cromatidi di ciascun cromosoma (Figura 11.5, stadio 3); due ricevono cromatidi non modificati, e gli altri due ricevono cromatidi con nuove combinazioni di alleli a seguito dello scambio. Quando gli eventi di ricombinazione sono terminati, verso la fine della profase I, il complesso sinaptinemale si dissocia e scompare. I siti dove è avvenuto lo scambio sono visibili più tardi nella profase I, quando la progressiva condensazione dei cromosomi determina un loro ispessimento e li rende visibili al microscopio ottico (vedi Figura 11.3, stadi 3 e 4). Questi siti, chiamati crossover o chiasmi (al singolare chiasma), mostrano chiaramente che due dei quattro cromatidi si sono scambiati dei segmenti nel processo di ricombinazione, che è detto anche crossing-over. La ricombinazione può avvenire casualmente in quasi ogni punto dei cromosomi, tra due qualsiasi dei quattro cromatidi, a due a due omologhi. La stessa coppia di cromosomi omologhi può subire altri (uno o più) eventi di ricombinazione, che possono coinvolgere gli stessi due cromatidi che hanno subito scambio nel primo evento oppure cromatidi diversi. Nella maggior parte delle specie si possono avere in media da due a tre scambi per ogni corredo di cromosomi omologhi. La segregazione casuale dei cromosomi materni e paterni costituisce la seconda fonte principale di variabilità genetica durante la meiosi La segregazione casuale dei cromosomi di origine materna e paterna rappresenta la seconda importante fonte di variabilità genetica prodotta dalla meiosi. È opportuno ricordare che la metafase I è lo stadio della meiosi nel quale le coppie di cromosomi omologhi si attaccano alle fibre del fuso. I cromosomi materni e paterni di ciascuna coppia contengono tipicamente alleli diversi di molti dei geni localizzati su quel cromosoma. Un membro di ogni coppia di cromosomi omologhi viene trasportato dalle fibre del fuso ad un polo, l’altro al polo opposto. Durante l’aggancio alle fibre del fuso tutti i cromosomi materni possono migrare ad un polo e tutti quelli paterni al polo opposto. O, come è ovvio, si può avere con la stessa probabilità ogni tipo di possibile combinazione di cromosomi materni e paterni ad ogni polo (Figura 11.7). La seconda divisione meiotica non fa altro che distribuire nei nuclei dei gameti queste diverse combinazioni di cromosomi. Il numero totale di possibili combinazioni di cromosomi materni e paterni dipende dal numero di coppie di cromosomi di ogni specie, cioè dal suo corredo aploide. Per esempio, nell’uomo, che ha 23 coppie di cromosomi, si possono avere complessivamente 223 diverse combinazioni di cromosomi materni e paterni che migrano ai poli del fuso e che portano alla possibilità di produrre 8.388.608 tipi di gameti geneticamente diversi, solo in virtù di questa fonte di variabilità. Figura 11.4 Confronto tra gli stadi fondamentali della meiosi e della mitosi. In entrambi i disegni sono rappresentati esempi di cellule animali. I cromosomi materni sono rossi, quelli paterni blu. Meiosi I Cellula diploide (2n) Siti di ricombinazione Profase I/prometafase I Metafase I I cromosomi duplicati si condensano, si appaiano e si scambiano tratti omologhi, quindi si attaccano alle fibre del fuso. Ciascun cromosoma materno (costituito da due cromatidi fratelli), al pari del suo omologo di origine paterna, si dispone casualmente nella regione mediana del polo. 228 UNITÀ DUE GENETICA Anafase I I cromosomi omologhi (ciascuno costituito da due cromatidi fratelli) si separano e migrano verso i poli opposti del polo (segregano). Telofase I Si formano due nuclei aploidi (n). L’unione casuale dei gameti maschile e femminile alla fecondazione produce ulteriore variabilità genetica I gameti maschili e femminili prodotti dalla meiosi sono tra loro geneticamente diversi. L’unione dei due gameti alla fecondazione è un fenomeno del tutto casuale e questo amplifica ulteriormente la variabilità prodotta dalla riproduzione sessuale. Solo considerando la variabilità che si ottiene dalla segregazione casuale dei cromosomi omologhi alla prima profase meiotica e quella prodotta dall’unione casuale dei gameti alla fecondazione, la possibilità che due figli della stessa coppia possano ricevere le stesse combina- zioni di cromosomi materni e paterni è uguale a 1/(223)2 , cioè uno su 70.368.744.000.000 (circa 70mila miliardi), un numero ben più alto di tutta popolazione umana mondiale. L’ulteriore variabilità dovuta al fenomeno della ricombinazione rende praticamente impossibile per l’uomo e per gli altri organismi che si riproducono sessualmente la produzione di gameti e figli geneticamente identici. L’unica eccezione è quella dei gemelli monozigoti o identici, che peraltro non derivano dall’unione di gameti identici alla fecondazione, ma dalla separazione di cellule embrionali (blastomeri) ottenute a seguito di divisioni mitotiche dell’unica cellula uovo fecondata (zigote), che sviluppandosi separatamente danno origine a individui geneticamente uguali. Mitosi Cellula diploide (2n) Cromatidi fratelli Cromosomi omologhi Profase/prometafase Metafase I cromosomi duplicati (costituiti da cromatidi fratelli) diventano visibili in seguito alla condensazione e si attaccano alle fibre del fuso. I cromosomi si allineano individualmente nella regione mediana del fuso (piastra metafasica). Anafase I cromatidi fratelli di ciascun cromosoma migrano verso i poli opposti del fuso. Telofase Si formano due nuclei diploidi (2n) e la citodieresi produce due cellule figlie diploidi. Meiosi II Profase II/prometafase II Ogni coppia di cromatidi fratelli si attacca alle nuove fibre del fuso. Metafase II Anafase II Telofase II I cromosomi si allineano individualmente nella regione mediana del fuso. I cromatidi fratelli di ciascun cromosoma migrano verso i poli opposti. Si formano quattro nuclei aploidi (n) e la citodieresi produce quattro cellule aploidi. CAPITOLO 11 MEIOSI: LE BASI CELLULARI DELLA RIPRODUZIONE SESSUALE 229 Figura 11.5 Coppia di omologhi Effetti dello scambio tra due cromatidi che determina la ricombinazione genetica. Le lettere indicano due alleli, A e a, di un gene e due alleli, B e b, di un altro gene. I genitori presentano gli alleli nelle combinazioni A-B e a-b (dette forme cis); a seguito della ricombinazione due dei cromatidi, detti ricombinanti, presentano le nuove combinazioni alleliche a-B e A-b (dette forme trans). Cromatidi fratelli A A Cromatidi fratelli a a A A a a A a A a B B b b B B b b Crossover (chiasma) B B b b 1 Coppia di cromosomi omologhi. 2 I cromatidi omologhi si scambiano dei tratti. 3 I cromosomi omologhi si separano alla prima divisione meiotica. Cromatidi fratelli di un membro di una coppia di cromosomi omologhi 11.3 Momento e sede della meiosi nel ciclo vitale degli organismi Per gent. conc. di Diter von Wettstein Complesso sinaptinemale Cromatidi fratelli dell’altro membro di una coppia di cromosomi omologhi Fibre di cromatina dei cromatidi Figura 11.6 Il complesso sinaptinemale di una cellula in meiosi del fungo Neotiella. È illustrata la relazione tra il complesso sinaptinemale e le fibre cromosomiche dei cromosomi omologhi appaiati. INTERVALLO 1. Quali sono i tre meccanismi attraverso i quali la riproduzione sessuale produce variabilità genetica? 2. Prendi in considerazione un animale con sei coppie di cromosomi; un corredo aploide di 6 cromosomi deriva dal padre, l’altro corredo aploide omologo di 6 cromosomi dalla madre. Quanti gameti (in percentuale) prodotti da questo animale potranno contenere cromosomi tutti di origine materna? 230 UNITÀ DUE GENETICA Il momento e la sede in cui avviene la meiosi durante il ciclo vitale degli eucarioti seguono tre modelli principali (Figura 11.8). Le differenze riguardano: a) i periodi del ciclo vitale trascorsi dagli organismi nella fase aploide o diploide; b) se tra la meiosi e la formazione dei gameti si hanno divisioni mitotiche. Negli animali predomina la fase diploide, mentre la fase aploide è ridotta e la formazione dei gameti segue direttamente la meiosi Gli animali seguono il modello nel quale la fase diploide predomina nel ciclo vitale (Figura 11.8a), la fase aploide è ridotta e la meiosi è immediatamente seguita dalla formazione dei gameti. Nei maschi degli animali ciascuno dei quattro nuclei prodotti dalla meiosi è contenuto in una cellula a seguito della divisione citoplasmatica (citodieresi) e ciascuna della quattro cellule si differenzia in uno spermatozoo funzionale. Nelle femmine solo uno dei quattro nuclei diventa funzionale all’interno dell’unica cellula uovo che si forma al termine della meiosi. La fecondazione ripristina la fase diploide del ciclo vitale. Pertanto, gli animali hanno un corredo aploide di cromosomi solo nei loro gameti maturi e le loro cellule aploidi non vanno incontro a divisioni mitotiche.
