Meccanismi di divisione cellulare ed anomalie cromosomiche

La genetica cellulare è il campo della biologia che studia il modo in cui l’informazione ereditaria, codificata nel DNA, viene conservata, duplicata e trasmessa attraverso le generazioni. La precisione di questi meccanismi è fondamentale per la vita, garantendo la stabilità delle funzioni cellulari, lo sviluppo degli organismi pluricellulari e la continuità della specie.

Il materiale genetico umano è organizzato in cromosomi, strutture complesse situate all’interno del nucleo cellulare.

Le cellule somatiche, che costituiscono la quasi totalità del nostro organismo, possiedono un corredo cromosomico diploide (2n), composto da 46 cromosomi organizzati in 23 coppie. Specificamente, si tratta di 22 coppie di cromosomi omologhi, detti autosomi, e una coppia di cromosomi sessuali, o eterosomi (XX nella femmina, XY nel maschio).

Al contrario, le cellule germinali mature (gameti), come l’ovocita e lo spermatozoo, contengono un corredo aploide (n) di 23 cromosomi.

Ogni cromosoma è costituito da cromatina, un complesso di DNA e proteine. L’unità fondamentale della cromatina è il nucleosoma, formato da un segmento di DNA avvolto attorno a un nucleo di proteine chiamate istoni. Durante la divisione cellulare, la cromatina si condensa in una forma compatta e visibile al microscopio.

La struttura di un cromosoma condensato è definita da un centromero, una regione di costrizione che lo suddivide in due braccia cromosomiche: un braccio corto designato come “p” (dal francese petit) e un braccio lungo designato come “q”. In base alla posizione del centromero, i cromosomi sono suddivisi in: metacentrico, submetacentrico, acrocentrico e telocentrico.

Per una piena comprensione dei concetti trattati in questo articolo, è utile definire alcuni termini fondamentali della genetica.

Termine	Definizione
Gene	Sequenza di DNA coinvolta nel meccanismo di trascrizione per la produzione di molecole di RNA (mRNA, tRNA, rRNA, miRNAs, lnRNAs) e per la codifica di una proteina
Genotipo	Costituisce il patrimonio genetico di un individuo
Fenotipo	Espressione del genotipo nell’ambiente
Ploidia	Numero di copie del corredo cromosomico (n) presente in una cellula. Nell’uomo n è uguale a 23; tutte le sue cellule somatiche sono diploidi (2n), soltanto i gameti sono aploidi (n)
Allele	Due o più forme alternative di una sequenza del DNA che occupano la stessa posizione su cromosomi omologhi e che controllano dunque variazioni dello stesso carattere
Locus genico	Localizzazione fisica, relativa a una mappa genetica o citologica, di un particolare gene e di tutti i suoi alleli
Coppia di cromosomi omologhi	Cromosomi simili per forma, dimensione e successione di geni. In ogni coppia, un cromosoma è di origine materna e uno di origine paterna

La gestione di questa complessa architettura genetica richiede un processo orchestrato e finemente regolato: il ciclo cellulare, che assicura che il DNA sia duplicato fedelmente e distribuito equamente alle cellule figlie.

Il ciclo cellulare

Il ciclo cellulare rappresenta la sequenza ordinata di eventi che governano la crescita e la divisione di una cellula. Questo processo è di importanza strategica per lo sviluppo embrionale, la crescita dei tessuti, la loro riparazione e la riproduzione. La progressione attraverso le varie fasi del ciclo è rigorosamente controllata da una serie di proteine regolatrici, tra cui spiccano le cicline e le chinasi ciclina-dipendenti (CDK), che agiscono come interruttori molecolari per avviare o bloccare le transizioni tra una fase e l’altra.

Non tutte le cellule dell’organismo si dividono continuamente. Cellule altamente differenziate, come i neuroni e le cellule del tessuto muscolare scheletrico, sono definite cellule perenni. Esse escono dal ciclo cellulare ed entrano in uno stato di quiescenza noto come fase G0, in cui rimangono metabolicamente attive ma non si dividono più.

Le cellule che si dividono attivamente attraversano due fasi principali: l’interfase e la fase M (divisione).

L’interfase è la tappa più lunga del ciclo, durante la quale la cellula si accresce e duplica il proprio materiale genetico. Si suddivide in tre sottofasi:

• fase G1: in questa fase la cellula è metabolicamente attiva e aumenta di dimensioni. Si verifica un’intensa sintesi di proteine ed enzimi necessari per le attività cellulari e per la successiva duplicazione del DNA, oltre a un aumento del numero di organuli citoplasmatici;
• fase S (sintesi): l’evento cardine di questa fase è la duplicazione del DNA. Contemporaneamente, vengono sintetizzate le proteine istoniche che si assoceranno al nuovo DNA per formare la cromatina;
• fase G2: la cellula continua ad accrescersi e prosegue la sintesi proteica, accumulando le molecole necessarie per affrontare la divisione cellulare imminente.

Durante l’interfase, due processi molecolari sono di cruciale importanza: la sintesi proteica, che avviene principalmente in G1 e G2, e la duplicazione del DNA, confinata alla fase S:

1. trascrizione: questo processo avviene nel nucleo e consiste nella sintesi di una molecola di RNA messaggero (pre-mRNA) a partire da uno stampo di DNA. L’enzima RNA polimerasi si lega a una regione specifica del gene chiamata promotore (spesso caratterizzata da una sequenza ricca di adenina e timina nota come TATA box) e inizia a sintetizzare un filamento di RNA complementare. Il pre-mRNA appena trascritto contiene sia sequenze codificanti (esoni) che non codificanti (introni). Prima di poter essere utilizzato per la sintesi proteica, deve subire un processo di maturazione che include tre passaggi chiave:
   • splicing: rimozione degli introni non codificanti;
   • aggiunta del “cap”: un cappuccio di 7-metil-guanosina viene aggiunto all’estremità 5′, fondamentale per l’interazione con la subunità minore del ribosoma e per proteggere l’mRNA dalla degradazione;
   • aggiunta della coda “poli-A”: una lunga sequenza di adenine viene aggiunta all’estremità 3′, una funzione di stabilità che protegge il trascritto dalla degradazione enzimatica nel citoplasma e ne regola l’efficienza traduzionale;
2. traduzione: l’mRNA maturo esce dal nucleo e si dirige nel citosol, dove viene tradotto in una proteina. Questo processo si svolge sui ribosomi e si basa sul codice genetico, un sistema di lettura in cui sequenze di tre nucleotidi sull’mRNA, chiamate codoni, specificano un determinato amminoacido. La traduzione inizia sempre con il codone d’inizio AUG (che codifica per la metionina) e termina quando il ribosoma incontra uno dei tre codoni di stop (UAA, UAG, UGA). L’attore molecolare chiave in questo processo è l’RNA transfer (tRNA), che funziona come un “adattatore”. Ogni molecola di tRNA possiede un anticodone, una tripletta complementare a un codone sull’mRNA, e trasporta l’amminoacido corrispondente. In questo modo, il tRNA traduce il linguaggio degli acidi nucleici in quello delle proteine.

Durante la fase S, il DNA viene duplicato con un meccanismo di sintesi semi-conservativa. La doppia elica si apre e ciascun filamento funge da stampo per la sintesi di un nuovo filamento complementare. Il risultato è che le due molecole di DNA figlie sono identiche tra loro e formate ciascuna da un filamento parentale e uno di nuova sintesi. L’enzima principale è la DNA polimerasi, che sintetizza il nuovo DNA in direzione 5’→3′, aggiungendo nucleotidi all’estremità 3′. A causa di questa direzionalità, uno dei due filamenti, detto filamento veloce, viene sintetizzato in modo continuo. L’altro, il filamento lento, viene sintetizzato in modo discontinuo sotto forma di brevi segmenti chiamati frammenti di Okazaki, ciascuno dei quali richiede un innesco (primer a RNA). Successivamente, i primer vengono rimossi e i frammenti vengono uniti dall’enzima DNA ligasi. Al termine della fase S, il genoma della cellula è raddoppiato: ogni cromosoma è ora composto da due molecole di DNA identiche (cromatidi fratelli), e il corredo è definito diploide e dicromatidico (2n x 2).

Con il DNA duplicato e le proteine necessarie sintetizzate, la cellula è pronta per entrare nella fase M, la divisione cellulare vera e propria.

La mitosi

La mitosi è il processo di divisione nucleare che porta alla formazione di due cellule figlie geneticamente identiche alla cellula madre. Questo meccanismo, che avviene in tutte le cellule somatiche e nelle cellule germinali immature, è essenziale per la crescita dell’organismo, la riparazione e la sostituzione dei tessuti danneggiati. Si tratta di una divisione equazionale che mantiene inalterato il corredo cromosomico.

Le fasi della mitosi sono:

1. profase: la cromatina, fino a quel momento diffusa nel nucleo, si condensa progressivamente fino a formare i cromosomi visibili, ciascuno composto da due cromatidi fratelli identici uniti dal centromero. Il nucleolo scompare e nel citoplasma inizia a formarsi il fuso mitotico, una struttura di microtubuli che si origina dai centrosomi;
2. prometafase: la membrana nucleare si dissolve, permettendo ai microtubuli del fuso di entrare nella regione nucleare. I microtubuli si legano a un complesso proteico specializzato situato sul centromero di ogni cromosoma, chiamato cinetocore;
3. metafase: i cromosomi, guidati dalle fibre del fuso, si allineano sul piano equatoriale della cellula, formando una struttura ordinata nota come piastra metafasica. Questa fase è ideale per l’analisi del cariotipo (la mappa cromosomica di un individuo), poiché i cromosomi raggiungono il loro massimo grado di condensazione e sono quindi facilmente osservabili. Spesso, le cellule in coltura vengono trattate con sostanze come la colchicina, che inibisce la formazione del fuso mitotico, arrestandole in metafase e facilitandone l’osservazione microscopica;
4. anafase: I microtubuli del fuso si accorciano, esercitando una trazione che causa la separazione dei cromatidi fratelli. Ogni cromatidio, una volta separato, diventa un cromosoma indipendente (monocromatidico) e migra verso uno dei due poli opposti della cellula;
5. telofase: ai poli della cellula si formano due nuovi nuclei. La membrana nucleare si ricompone attorno a ciascun set di cromosomi, i quali iniziano a decondensarsi, tornando allo stato di cromatina diffusa.

Alla divisione nucleare (mitosi) segue la citocinesi (o citodieresi), ovvero la divisione fisica del citoplasma, che porta alla completa separazione delle due cellule.

Il risultato finale del processo mitotico è la formazione di due cellule figlie diploidi (2n), ciascuna dotata di un genoma completo e identico a quello della cellula madre.

Mentre la mitosi garantisce la stabilità genetica delle cellule somatiche, la riproduzione sessuata richiede un tipo di divisione cellulare diverso e specializzato, la meiosi.

La meiosi

La meiosi, o gametogenesi, è il processo di divisione cellulare specifico delle cellule germinali che porta alla formazione dei gameti (spermatozoi e ovociti). Ha due obiettivi strategici fondamentali per la riproduzione sessuata: ridurre il corredo cromosomico da diploide (2n) ad aploide (n), per garantire che lo zigote fecondato ripristini il numero corretto di cromosomi, e generare variabilità genetica attraverso un meccanismo di rimescolamento del materiale ereditario chiamato crossing over.

Per raggiungere questi scopi, la meiosi consiste in due divisioni cellulari successive, separate da una breve intercinesi in cui non avviene duplicazione del DNA: la Meiosi I, definita riduzionale, e la Meiosi II, definita equazionale.

Meiosi I

La Meiosi I è caratterizzata dalla separazione dei cromosomi omologhi, riducendo così il numero di cromosomi a metà.

La Profase I è la fase più lunga e complessa della meiosi, durante la quale avvengono eventi cruciali. È suddivisa in cinque stadi:

1. leptotene: la cromatina inizia a condensarsi, rendendo visibili i cromosomi;
2. zigotene: i cromosomi omologhi (uno di origine materna e uno paterna) si appaiano strettamente lungo tutta la loro lunghezza in un processo chiamato sinapsi, formando una struttura a quattro cromatidi chiamata tetrade;
3. pachitene: in questa fase avviene il crossing over, un processo di ricombinazione genica in cui i cromatidi non fratelli di una coppia di omologhi si scambiano segmenti di DNA. Questo scambio crea nuove combinazioni di alleli sui cromosomi;
4. diplotene: i cromosomi omologhi iniziano a separarsi, ma rimangono uniti nei punti in cui è avvenuto il crossing over, rendendo visibili le strutture a forma di X chiamate chiasmi. Nell’ovogenesi femminile, la meiosi si arresta in questo stadio per anni, dalla vita fetale fino alla pubertà;
5. diacinesi: i cromosomi raggiungono la massima condensazione, la membrana nucleare si dissolve e si forma il fuso meiotico.

Le fasi successive della Meiosi I procedono come segue:

• metafase I: le coppie di cromosomi omologhi (le tetradi) si allineano sul piano equatoriale della cellula;
• anafase I: a differenza della mitosi, non si separano i cromatidi fratelli, ma i cromosomi omologhi. Un membro di ciascuna coppia migra verso un polo, mentre l’altro si dirige verso il polo opposto;
• telofase I: i cromosomi, ancora costituiti da due cromatidi (dicromatidici), raggiungono i poli della cellula.

Il risultato della Meiosi I è la formazione di due cellule figlie, ciascuna con un corredo cromosomico aploide (n) ma con cromosomi ancora dicromatidici (n x 2).

Meiosi II

La Meiosi II è un processo molto simile alla mitosi, ma parte da cellule che sono già aploidi. Il suo scopo è separare i cromatidi fratelli.

Il processo si svolge attraverso Profase II, Metafase II, Anafase II e Telofase II. L’evento chiave è l’Anafase II, durante la quale i cromatidi fratelli di ogni cromosoma si separano e migrano ai poli opposti.

Il risultato finale della meiosi completa è la produzione di quattro cellule figlie aploidi (n), con cromosomi monocromatidici. Grazie al crossing over avvenuto in Profase I e all’assortimento indipendente dei cromosomi omologhi, queste quattro cellule sono genotipicamente diverse tra loro e dalla cellula madre.

Confronto tra mitosi e meiosi

La seguente tabella riassume le differenze chiave tra i due processi di divisione cellulare.

Caratteristica	Mitosi	Meiosi
CHI SI DIVIDE?	Cellule somatiche divisibili	Ovogonii/Spermatogonii, Ovociti/Spermatociti
QUANTE VOLTE?	Una	Due
SI DUPLICA IL DNA?	Sì, nella fase S	Sì, nella fase S (prima della Meiosi I)
DIVISIONE	Divisione equazionale (separazione dei cromatidi fratelli)	I: divisione riduzionale (separazione dei cromosomi omologhi) II: divisione equazionale (separazione dei cromatidi fratelli)
RISULTATO	Due cellule 2n uguali	Quattro cellule n (gameti) distinti
C’È VARIABILITÀ?	No	Sì

Sebbene il processo meiotico sia comune a entrambi i sessi, la spermatogenesi (gametogenesi maschile) e l’ovogenesi (gametogenesi femminile) presentano differenze significative:

• formazione dei gameti: da ogni cellula germinale che entra in meiosi si formano quattro spermatidi funzionali nel maschio, mentre nella femmina si produce un solo ovocita maturo e tre corpi cellulari più piccoli, detti globuli polari, destinati a degenerare;
• ripartizione del citoplasma: nella spermatogenesi, la citocinesi è equa e le quattro cellule figlie hanno dimensioni simili. Nell’ovogenesi, la divisione del citoplasma è fortemente ineguale, con l’ovocita che trattiene quasi tutto il citosol e gli organuli, una riserva essenziale per lo sviluppo embrionale;
• cronologia: la spermatogenesi è un processo continuo che inizia con la pubertà e prosegue per tutta la vita. L’ovogenesi, invece, è un processo discontinuo: inizia durante la vita fetale, si arresta in Profase I (Diplotene) fino alla pubertà, riprende ciclicamente fino alla Metafase II e si conclude solo se avviene la fecondazione.

La fecondazione, unendo due gameti aploidi e geneticamente unici, ripristina il corredo cromosomico diploide nello zigote, dando inizio a un nuovo individuo. Tuttavia, la complessità di questi processi li rende suscettibili a errori, che possono portare a gravi anomalie cromosomiche.

Anomalie cromosomiche

Gli errori durante la mitosi o, più frequentemente, durante la meiosi possono causare alterazioni nel numero (aneuploidie) o nella struttura dei cromosomi. Queste anomalie sono responsabili della maggior parte degli aborti spontanei e sono alla base di numerose sindromi genetiche:

• non-disgiunzione: è la mancata separazione dei cromosomi omologhi durante l’Anafase I o dei cromatidi fratelli durante l’Anafase II della meiosi (o durante la mitosi). Questo errore è la causa principale delle malformazioni embrionali e porta alla formazione di gameti (o cellule somatiche) con un numero anomalo di cromosomi (aneuploidie), come le trisomie (un cromosoma in più) o le monosomie (un cromosoma in meno);
• traslocazione robertsoniana: si tratta di un’anomalia cromosomica strutturale che consiste in una fusione a livello del centromero tra due cromosomi acrocentrici (cromosomi con un braccio p molto piccolo), tipicamente i cromosomi 13, 14, 15, 21 e 22. Un individuo portatore di una traslocazione Robertsoniana, ad esempio tra il cromosoma 14 e il 21, è fenotipicamente sano ma può produrre gameti sbilanciati. Di conseguenza, la prole ha una probabilità di circa 1/3 di avere un cariotipo normale, 1/3 di essere portatore sano della traslocazione, e 1/3 di presentare la trisomia 21 (Sindrome di Down). È importante notare che la condizione di monosomia del 21, teoricamente possibile, non è vitale;
• disomia uniparentale: è un fenomeno in cui un individuo eredita due copie di un cromosoma omologo da un solo genitore, invece di una copia da ciascuno. Questa condizione è generalmente il risultato di eventi di non-disgiunzione meiotica. Esempi noti sono la Sindrome di Prader-Willi, in cui entrambi i cromosomi 15 sono di origine materna, e la Sindrome di Angelman, in cui entrambi i cromosomi 15 sono di origine paterna;
• mosaicismo: questa condizione si verifica quando un individuo possiede due o più linee cellulari con genotipi diversi, originate da un singolo zigote. L’errore, solitamente una non-disgiunzione, avviene in una delle prime divisioni mitotiche post-zigotiche. Le manifestazioni cliniche dipendono dalla proporzione e dalla distribuzione delle linee cellulari anomale nei vari tessuti. Esempi clinici includono alcune forme della Sindrome di Turner (con un mosaico di cellule 45,X0 e 46,XX) e della Sindrome di Klinefelter (mosaico 47,XXY / 46,XY). La gravità del fenotipo clinico è quindi spesso correlata alla percentuale di cellule aneuploidi e ai tessuti specifici in cui esse si trovano, spiegando la notevole variabilità di espressione osservata in questi pazienti.

I meccanismi di divisione cellulare rappresentano i pilastri su cui si fonda la vita cellulare e la continuità degli organismi. La mitosi assicura la stabilità genetica e la crescita dei tessuti somatici, mentre la meiosi garantisce la diversità genetica e la perpetuazione della specie attraverso la riproduzione sessuata. La straordinaria precisione con cui questi processi sono regolati è fondamentale per la salute umana.

Fonte: Manuale di preclinica. Concorso Nazionale SSM

1. https://cmapspublic2.ihmc.us/rid=1RHYJRYKQ-127828D-2ZS7/meiosi.cmap ↩︎
2. https://cmapspublic2.ihmc.us/rid=1RHYJN301-YQF7QY-2ZLW/meiosi2.jpg ↩︎