Cos'è la meiosi?

Tutte le cellule derivano da altre cellule attraverso il processo di divisione cellulare. La meiosi è una forma specializzata di divisione cellulare che produce cellule riproduttive, come spore vegetali e fungine, spermatozoi e cellule uovo.

In generale, questo processo implica la divisione di una cellula "genitrice" in due o più cellule "figlie". In questo modo, la cellula madre può trasmettere il suo materiale genetico di generazione in generazione.

Cellule eucariotiche e loro cromosomi

In base alla relativa complessità delle loro cellule, tutti gli organismi viventi sono generalmente classificati come procarioti o eucarioti. I procarioti, come i batteri, sono costituiti da una singola cellula con una semplice struttura interna. Il loro DNA galleggia liberamente all'interno della cellula in una massa filiforme e attorcigliata chiamata nucleoide.

Animali, piante e funghi sono tutti eucarioti. Le cellule eucariotiche hanno componenti specializzati chiamati organelli, come i mitocondri, i cloroplasti e il reticolo endoplasmatico. Ciascuno di questi svolge una funzione specifica. A differenza dei procarioti, il DNA eucariotico è racchiuso in un compartimento centrale chiamato nucleo.

All'interno del nucleo eucariotico, lunghi filamenti di DNA a doppia elica sono avvolti strettamente attorno a proteine ​​chiamate istoni. Questo forma una struttura simile a un bastoncino chiamata cromosoma.

Le cellule del corpo umano hanno 23 paia di cromosomi, o 46 in totale. Ciò include due cromosomi sessuali: due cromosomi X per le femmine e un cromosoma X e uno Y per i maschi. Poiché ogni cromosoma ha una coppia, queste cellule sono chiamate cellule "diploidi".

D'altra parte, lo sperma umano e gli ovuli hanno solo 23 cromosomi, o metà dei cromosomi di una cellula diploide. Pertanto, sono chiamate cellule "aploidi".

Quando lo sperma e l'uovo si combinano durante la fecondazione, il numero totale di cromosomi viene ripristinato. Questo perché gli organismi che si riproducono sessualmente ricevono una serie di cromosomi da ciascun genitore: un insieme materno e paterno. Ogni cromosoma ha una coppia corrispondente, oromologo.

Mitosi vs meiosi

Gli eucarioti sono capaci di due tipi di divisione cellulare: mitosi e meiosi

La mitosi consente alle cellule di produrre copie identiche di se stesse, il che significa che il materiale genetico viene duplicato da cellule madri a cellule figlie. La mitosi produce due cellule figlie da una cellula madre.

Gli eucarioti unicellulari, come l'ameba e il lievito, usano la mitosi per riprodursi asessualmente e aumentare la loro popolazione. Gli eucarioti multicellulari, come gli esseri umani, usano la mitosi per far crescere o curare i tessuti danneggiati.

La meiosi, d'altra parte, è una forma specializzata di divisione cellulare che si verifica negli organismi che si riproducono sessualmente. Come accennato in precedenza, produce cellule riproduttive, come spermatozoi, ovociti e spore in piante e funghi.

Nell'uomo, cellule speciali chiamate cellule germinali subiscono la meiosi e alla fine danno origine a sperma o uova. Le cellule germinali contengono un set completo di 46 cromosomi (23 cromosomi materni e 23 cromosomi paterni). Entro la fine della meiosi, le cellule riproduttive risultanti, o gameti, hanno ciascuna 23 cromosomi geneticamente unici.

Il processo complessivo della meiosi produce quattro cellule figlie da una singola cellula madre. Ogni cellula figlia è aploide, perché ha la metà del numero di cromosomi della cellula madre originale.

"La meiosi è riduttiva", ha detto M. Andrew Hoyt, biologo e professore alla Johns Hopkins University.

A differenza della mitosi, le cellule figlie prodotte durante la meiosi sono geneticamente diverse. I cromosomi omologhi si scambiano bit di DNA per creare cromosomi ibridi geneticamente unici destinati a ciascuna cellula figlia.

Uno sguardo più da vicino alla meiosi

Prima che inizi la meiosi, alcune importanti modifiche avvengono all'interno delle cellule madri. Innanzitutto, ogni cromosoma crea una copia di se stesso. Questi cromosomi duplicati sono noti come cromatidi fratelli. Sono fusi insieme e il punto in cui sono uniti è noto come centromero. I cromatidi fratelli fusi assomigliano più o meno alla forma della lettera "X".

La meiosi si verifica nel corso di due cicli di divisioni nucleari, chiamate meiosi I e meiosi II, secondo Scitable di Nature Education. Inoltre, la meiosi I e II sono suddivise ciascuna in quattro fasi principali: profase, metafase, anafase e telofase.

La meiosi I è responsabile della creazione di cromosomi geneticamente unici. I cromatidi sorelle si accoppiano con i loro omologhi e si scambiano materiale genetico tra loro. Alla fine di questa divisione, una cellula madre produce due cellule figlie, ciascuna contenente una serie di cromatidi fratelli.

La meiosi II somiglia molto alla mitosi. Le due cellule figlie entrano in questa fase senza alcuna ulteriore duplicazione cromosomica. I cromatidi fratelli vengono separati durante questa divisione. Un totale di quattro cellule figlie aploidi vengono prodotte durante il corso della meiosi II.

Meiosi I

I quattro stadi della meiosi sono i seguenti, secondo "Molecular Biology of the Cell". (Garland Science, 2002):

Prophase I: In questa fase, i cromosomi diventano strutture compatte e dense e sono facilmente visibili al microscopio. I cromosomi omologhi si accoppiano. Le due serie di cromatidi fratelli assomigliano a due X allineate l'una accanto all'altra. Ciascun set scambia bit di DNA con l'altro e si ricombina, creando così una variazione genetica. Questo processo è noto come crossing over o ricombinazione.

Anche se negli esseri umani i cromosomi sessuali maschili (X e Y) non sono omologhi esatti, possono comunque accoppiarsi e scambiare DNA. L'attraversamento avviene solo in una piccola regione dei due cromosomi.

Alla fine della profase I, la membrana nucleare si rompe.

Metafase I: Il fuso meiotico, una rete di filamenti proteici, emerge da due strutture chiamate centrioli, posizionate alle due estremità della cellula. Il fuso meiotico si aggancia ai cromatidi fratelli fusi. Alla fine della metafase I, tutti i cromatidi fratelli fusi sono legati ai loro centromeri e allineati al centro della cellula. Gli omologhi sembrano ancora due X seduti vicini.

Anafase I: Le fibre del fuso iniziano a contrarsi, trascinando con sé i cromatidi fratelli fusi. Ogni complesso a forma di X si allontana dall'altro, verso le estremità opposte della cella.

Telophase I: I cromatidi fratelli fusi raggiungono entrambe le estremità della cellula e il corpo cellulare si divide in due.

La meiosi I provoca due cellule figlie, ciascuna delle quali contiene una serie di cromatidi fratelli fusi. La composizione genetica di ciascuna cellula figlia è distinta a causa dello scambio di DNA tra omologhi durante il processo di crossing-over.

Meiosi II

"La meiosi II sembra una mitosi", ha detto Hoyt. "È una divisione equazionale".

In altre parole, alla fine del processo, il numero di cromosomi rimane invariato tra le cellule che entrano nella meiosi II e le cellule figlie risultanti.

Le quattro fasi della meiosi II sono le seguenti, secondo “Biologia molecolare della cellula, 4a edizione.”

Prophase II: La membrana nucleare si disintegra e i fusi meiotici iniziano a formarsi di nuovo.

Metafase II: I fusi meiotici si attaccano al centromero dei cromatidi fratelli e si allineano tutti al centro della cellula.

Anafase II: Le fibre del fuso iniziano a contrarsi e separano i cromatidi fratelli. Ogni singolo cromosoma ora inizia a spostarsi a entrambe le estremità della cellula.

Telophase II: I cromosomi raggiungono le estremità opposte della cellula. La membrana nucleare si forma di nuovo e il corpo cellulare si divide in due

La meiosi II produce quattro cellule figlie aploidi, ciascuna con lo stesso numero di cromosomi. Tuttavia, ogni cromosoma è unico e contiene un mix di informazioni genetiche dai cromosomi materni e paterni nella cellula madre originale.

Perché la meiosi è importante?

Corretto “segregazione cromosomica,” o la separazione dei cromatidi fratelli durante la meiosi I e II è essenziale per la generazione di spermatozoi e ovociti sani e, per estensione, di embrioni sani. Se i cromosomi non riescono a segregarsi completamente, si chiama non disgiunzione e può provocare la formazione di gameti che hanno cromosomi mancanti o extra, secondo "Molecular Biology of the Cell, 4a edizione".

Quando i gameti con numeri cromosomici anormali fertilizzano, la maggior parte degli embrioni risultanti non sopravvive. Tuttavia, non tutte le anomalie cromosomiche sono fatali per l'embrione. Ad esempio, la sindrome di Down si verifica a seguito di una copia in più del cromosoma 21. Inoltre, le persone con sindrome di Klinefelter sono geneticamente maschi ma hanno un cromosoma X in più.

L'impatto più significativo della meiosi è che genera diversità genetica e questo è un grande vantaggio per la sopravvivenza delle specie.

"Mescolare le informazioni genetiche consente di trovare nuove combinazioni che forse saranno più adatte al mondo reale", ha detto Hoyt.