Ciclo cellulare: mitosi e meiosi

Tutte le cellule, arrivate a un certo punto del loro sviluppo, devono duplicarsi per poter proseguire la loro esistenza. Nel caso degli organismi unicellulari, questo coincide in sostanza con la riproduzione, mentre negli organismi pluricellulari è un meccanismo che serve per rinnovare i tessuti e permettere la crescita dell’organismo. Vedremo le principali strategie di duplicazione cellulare, con particolare attenzione alla mitosi e alla meiosi.

Innanzitutto è necessario ricordare che i meccanismi di mitosi e meiosi sono propri degli eucarioti, mentre le cellule procariote si duplicano in altri modi. Il più diffuso, che è nei fatti la loro modalità di riproduzione asessuata, è la scissione: da una cellula madre, dopo duplicazione del corredo genomico (che ricordiamo nei procarioti essere direttamente nel citoplasma – non vi è infatti il nucleo), si ottengono due cellule figlie, ciascuna con lo stesso corredo genomico della cellula madre e con il contenuto del citoplasma originario diviso a metà (in maniera casuale) tra di loro. Anche molti eucarioti unicellulari si riproducono asessualmente per scissione binaria, ma tratteremo in dettaglio questo aspetto in un’altra lezione.

Concentriamoci invece sulle cellule eucariote e sul ciclo che regola la loro vita. Tale ciclo è composto da diverse fasi, che includono la crescita e la normale funzionalità della cellula e la duplicazione dei cromosomi e i meccanismi che portano alla formazione di due nuove cellule, complessivamente noti come mitosi (o cariocinesi).

Il ciclo cellulare è costituito da due fasi principali: interfase e mitosi. L’interfase è a sua volta divisa in tre momenti: G₁ (gap 1), S (sintesi), G₂ (gap 2). Vediamo in cosa consistono:

• G₁: in questa fase la cellula, da poco uscita dalla precedente mitosi, e quindi di dimensioni ridotte, aumenta di volume sintetizzando gli enzimi e le proteine strutturali necessarie. Alcune cellule, o perché non sono più in grado di riprodursi, come i neuroni, o per mancanza di nutrienti sufficienti, entrano in una fase detta G₀, in cui non sono svolte le normali funzioni cellulari ma non si ha alcuna preparazione per una nuova mitosi.
• S: la fase di sintesi è il primo passo verso una nuova mitosi, e prevede la duplicazione del materiale genetico: i due filamenti del DNA si separano ed enzimi dedicati (le DNA polimerasi) si occupano della replicazione dei cromosomi.
• G₂: il terzo e ultimo passaggio dell’interfase porta alla condensazione della cromatina in cromosomi compatti e riconoscibili e alla formazione del fuso mitotico, struttura necessaria alla mitosi che vedremo tra poco in dettaglio.

Tra le varie fasi cellulari vi sono dei controlli per verificare che le operazioni da svolgere nella fase che si sta per concludere sono andate a buon fine: sono detti checkpoints, e chimicamente dipendono dall’accumulo e dall’azione di proteine, le CDK (chinasi ciclina dipendenti).

Dopo la fase G₂ si giunge infine alla mitosi, nella quale si possono identificare diverse fasi:

• Profase: durante la fase S la cromatina si era duplicata dando origine a cromatidi fratelli, formando cromosomi doppi, stretti al centro in corrispondenza del centromero. Nella profase i cromosomi si condensano, mentre l’involucro nucleare e il nucleolo scompaiono. I centrioli, complessi proteici formati da tubulina, vanno verso i poli della cellula e originano il fuso mitotico. La tarda fase della profase è anche detta prometafase.

• Metafase: le fibre del fuso mitotico si attaccano ai cinetocori dei cromosomi (bottoni presenti in corrispondenza dei centromeri), allineandoli al centro, formando così un piano detto piastra metafasica.

• Anafase: i cromatidi si separano in corrispondenza dei centromeri, e ciascun gruppo, formato da cromosomi a braccio singolo, migra a un polo.

• Telofase: si ricostituiscono involucro nucleare e nucleolo e le cellule si separano (citodieresi). Si sono così ottenute due cellule figlie geneticamente identiche a quella madre, che a loro volta inizieranno un nuovo ciclo cellulare fino a giungere a una mitosi.

La meiosi

La meiosi è una forma di divisione cellulare specializzata, che si trova nelle cellule della linea germinale: negli animali queste cellule sono spermatozoi e ovuli. Il punto di partenza è molto simile a quello della mitosi: abbiamo una cellula con corredo cromosomico diploide e doppio. Tuttavia, si hanno queste importanti differenze, che vedremo subito dopo in dettaglio:

• Le divisioni cellulari sono due, senza duplicazione del DNA tra di esse, ottenendo così alla fine quattro cellule aploidi con quantità singola di DNA
• Durante la prima divisione cellulare, si ha scambio di materiale genetico tra i cromosomi omologhi, quello di origine paterna e quello di origine materna, in un processo detto crossing-over

La prima divisione meiotica (meiosi I) è caratterizzata da una complessa profase, durante la quale avviene il crossing-over. All’interno della profase I si possono identificare diverse sottofasi:

• Leptotene: il materiale genetico si condensa e si formano i DSB (double strand breaks), punti di rottura controllata della doppia elica dove avverrà il crossing-over.
• Zigotene: si formano le tetradi, date dai cromosomi doppi omologhi appaiati e dalle proteine del complesso sinaptinemale.
• Pachitene: i cromosomi si inspessiscono e avviene il crossing-over: in concreto, pezzi dei cromosomi omologhi si scambiano fra loro. In questo modo, non si hanno più un cromosoma di origine paterna e uno di origine materna per ciascuna coppia di omologhi, ma due nuovi mosaici che sono un misto di alcune caratteristiche ereditate dalla propria madre e altre ereditate dal proprio padre. Questo garantisce una grande variabilità genetica e quindi capacità adattative maggiori.
• Diplotene: i cromosomi omologhi iniziano a separarsi, restando per il momento in contatto dove vi sono i chiasmi (i punti di scambio tra omologhi).
• Diacinesi: i cromosomi appaiati si separano, si dissolve involucro nucleare e nucleolo e si forma il fuso mitotico.

Le fasi successive sono simili a quelle della mitosi, con la differenza che in questo caso non sono i cromatidi fratelli a separarsi, ma ciascun cromosoma delle coppie omologhe. Alla fine della prima divisione meiotica, quindi, otteniamo due cellule con quantità cromosomica doppia (cioè con cromosomi con doppio cromatidio), ma aploidi (quindi con 23 cromosomi nel caso dell’uomo).

La seconda divisione meiotica vede la divisione di ognuna delle due cellule ottenute dalla meiosi I secondo lo stesso meccanismo della mitosi. Tuttavia, partendo da un corredo aploide, alla fine si ottengono in tutto quattro cellule aploidi, con ciascun cromosoma rappresentato da un singolo cromatidio.