MEIOSI

MEIOSI

La m. è un particolare processo di divisione cellulare (v. anche citologia, App. II, i, p. 626; IV, i, p. 469), che comporta essenzialmente la riduzione del numero dei cromosomi: da cellule con corredo cromosomico diploide (2n) si ottengono infatti cellule con corredo cromosomico aploide (n). Questo processo si verifica solo in organismi a riproduzione sessuale e in cellule della linea germinale: mai in cellule di linee somatiche. Il dimezzamento del numero dei cromosomi nei gameti è assolutamente necessario nelle specie a riproduzione sessuata anfigonica, in cui il nuovo individuo nasce dalla fusione di un gamete maschile e uno femminile: infatti, se non avvenisse la riduzione del corredo cromosomico durante la produzione dei gameti, a ogni generazione il nucleo dello zigote risulterebbe provvisto di un numero doppio di cromosomi rispetto alla generazione parentale. Tutto ciò sarebbe incompatibile con la necessità che, nel corso delle generazioni, il numero dei cromosomi si mantenga costante in ciascuna specie. La riduzione del corredo cromosomico, nella m., si attua mediante due successive divisioni del nucleo (e quindi delle cellule) dette rispettivamente divisione meiotica i e ii, le quali sono precedute da una singola duplicazione del materiale genetico: ciò fa sì che da ogni cellula diploide della linea germinale si producano quattro nuclei aploidi (o pronuclei), ciascuno contenente cioè la metà del numero di cromosomi della cellula originaria.

In teoria la m. potrebbe aver luogo con un singolo processo di divisione e senza duplicazione dei cromosomi. In realtà il processo meiotico è molto più complesso di una riduzione, in quanto durante questo processo avvengono due tipi differenti di riassortimento dei geni: il primo riguarda la distribuzione casuale degli omologhi di provenienza paterna o materna tra le cellule figlie; e il secondo dipende dallo scambio di tratti tra i cromosomi omologhi (crossing-over) durante il loro appaiamento in profase i. Il processo meiotico ha dunque la doppia funzione di meccanismo di regolazione per mantenere fisso il patrimonio cromosomico diploide di una specie nel corso delle generazioni e di meccanismo di produzione per riassortimento di nuova variabilità genetica. La m. può intervenire in stadi diversi del ciclo vitale, ma le modalità con cui si compie sono notevolmente uniformi in tutti gli organismi (animali e vegetali) in cui è presente.

La m. consta di due divisioni cellulari. La prima divisione, più complessa, inizia con la profase meiotica i che è costituita da cinque stadi: leptotene, zigotene, pachitene, diplotene, diacinesi.

La profase i inizia con lo stadio di leptotene in cui i cromosomi si condensano dando luogo a un filamento lungo e sottile provvisto di un asse proteico centrale. Ciascun cromosoma aderisce con le due estremità alla membrana nucleare tramite la cosiddetta ''piastra di attacco''. Il cromosoma, a questo stadio, è già duplicato e le due copie che lo costituiscono (cromatidi fratelli) sono vicinissime, tanto da essere indistinguibili.

Lo stadio di zigotene inizia con la sinapsi (o ''appaiamento'') tra i due omologhi, che parte generalmente da un'estremità e procede prossimalmente con un meccanismo a cerniera che allinea gli omologhi per tutta la loro estensione. Questo fa sì che i singoli geni dei due cromosomi si trovino uno di fronte all'altro; anche la struttura proteica dei due cromosomi viene allineata a costituire gli elementi laterali del cosiddetto complesso sinaptinemico. Questo complesso costituisce la struttura che mantiene uniti e allineati gli omologhi: è formato da due elementi laterali, gli assi proteici cromosomici, e da un elemento centrale costituito da numerosissimi filamenti trasversali, le sinapsi intercromosomiche; il suo spessore è di circa 100 nm. Le coppie di cromosomi omologhi associate nel complesso sinaptinemico vengono spesso dette bivalenti, oppure anche tetradi, poiché ciascuno dei due omologhi è costituito da due cromatidi fratelli uniti a livello del centromero.

Il complesso sinaptinemico inizia a formarsi durante lo stadio di zigotene, si estende lungo tutta la lunghezza degli omologhi e permane durante tutto lo stadio di pachitene: molto probabilmente non partecipa attivamente al processo di ricombinazione ma ne costituisce l'infrastruttura. Altre strutture, che compaiono allo stadio di pachitene, i noduli di ricombinazione, sono invece quelle che, con molta probabilità, permettono l'evento ricombinatorio. I noduli sono grosse associazioni di globine che probabilmente contraddistinguono i siti ad attività multienzimatica in grado di saldare porzioni di DNA derivanti dal cromosoma paterno e materno. La relazione tra noduli ed evento di ricombinazione si può dedurre da una serie di prove indirette: anzitutto perché il numero totale di noduli è sempre pressoché uguale al numero dei chiasmi che si potranno mettere in evidenza in tarda profase; inoltre perché essi hanno la stessa distribuzione dei chiasmi. Peraltro, questa analogia tra chiasmi e distribuzione dei noduli rimane anche nel caso di una riduzione della frequenza di crossing-over, come rilevato in un mutante di Drosophila. Purtroppo dei noduli di ricombinazione non si conoscono ancora né la struttura né il meccanismo di azione. Allo stadio di pachitene i crossing over o scambi di geni sono già stati effettuati ma non sono ancora evidenti a livello citologico.

Lo stadio di diplotene è caratterizzato dal dissolvimento delle sinapsi intercromosomiche e quindi del complesso sinaptinemico; questo comporta che i due omologhi si separino. La separazione non è però completa, in quanto i cromosomi sono uniti tra loro dai chiasmi, che rappresentano i siti fisici dove è avvenuto il crossing over. A questo punto i cromosomi sono molto despiralizzati e sintetizzano grandi quantità di RNA espandendosi in maniera a volte molto evidente, come nel caso dei cromosomi a spazzola degli anfibi.

L'arresto della sintesi dell'RNA e la condensazione dei cromosomi segna l'inizio della diacinesi. I cromosomi s'ispessiscono, si staccano dalla membrana nucleare, e si rendono visibili i quattro cromatidi di ciascuna tetrade e le loro connessioni a livello dei centromeri e dei chiasmi.

Conclusa la lunga profase i, che occupa circa il 90% del tempo necessario alla m., a essa succedono due divisioni nucleari senza duplicazione del DNA. Dopo la profase i si avrà una metafase i, un'anafase i e una telofase i. I chiasmi tengono uniti gli omologhi paterno e materno fino all'anafase i, svolgendo il ruolo del centromero nelle divisioni mitotiche ordinarie, e sono necessari al normale allineamento dei cromosomi omologhi e alla loro distribuzione ai poli opposti. Anche nel caso dei cromosomi sessuali eteromorfi, quali X e Y nella specie umana, in cui non è possibile un normale appaiamento longitudinale, esiste un breve tratto di omologia in cui si verifica un chiasma. Al completamento della prima divisione meiotica nelle due cellule che si originano, da un patrimonio tetraploide (4n) si passa a uno diploide (2n) perché in ciascuna delle due cellule che si originano vi sarà una copia di tutti gli omologhi, ma ancora costituita da due cromatidi fratelli tenuti assieme dal centromero.

Dopo un'interfase transitoria, in cui non avviene alcuna duplicazione del DNA, comincia la seconda divisione meiotica costituita da una profase ii, una metafase ii, un'anafase ii e una telofase ii. Anche questa seconda divisione, nonostante proceda come una normale divisione mitotica, mostra delle caratteristiche peculiari. Dopo la fine della i divisione si riformano le membrane attorno ai nuclei figli, i cromosomi si decondensano per poi ricominciare a condensarsi all'inizio della profase ii; in alcuni organismi il passaggio tra le due divisioni è praticamente continuo. In tutti gli organismi questa seconda divisione è molto breve: non appena è pronto il nuovo fuso si dissolvono le membrane e si susseguono in rapida successione la metafase ii e l'anafase ii; i due cromatidi fratelli di cromosomi ormai in numero n si separano: ed è questa la maggiore differenza tra la seconda divisione meiotica e una normale mitosi, cioè la presenza di un solo omologo di ciascun cromosoma anziché di una coppia come nelle cellule 2n: questa divisione permette ai due cromatidi fratelli di separarsi e dunque di ottenere quattro cellule con corredo cromosomico aploide. La seconda divisione si completa (telofase ii) con la formazione dell'involucro nucleare attorno alle quattro cellule aploidi originate dal gonocita che ha iniziato la meiosi. Nei vertebrati di sesso femminile alla fine del processo meiotico le uova sono mature dal punto di vista citoplasmatico ma spesso non hanno finito di espellere il ii polocita, processo che avviene con l'entrata dello spermatozoo alla fecondazione. Per ogni oocita che entra in m., verranno così prodotti tre polociti aploidi non funzionali e un uovo aploide maturo. Nella linea maschile, invece, per ogni spermatocita che inizi la m., verranno prodotti quattro spermatidi, cellule aploidi per quanto concerne il numero cromosomico, ma non ancora differenziate in spermatozoi maturi: il processo di maturazione viene denominato spermioistogenesi e termina con la produzione di spermatozoi motili atti alla fecondazione.

Anche la m., come tutti i processi cellulari, è sotto diretto controllo genico. I numerosi geni implicati nelle varie fasi sono stati in gran parte individuati (per la Drosophila, il lievito e altri) ricorrendo alla selezione, descrizione e localizzazione di altrettanti mutanti meiotici e questo ha permesso, tra l'altro, di meglio comprendere alcuni rapporti che legano la mitosi alla meiosi.

Bibl.: B. Nicoletti, Il controllo genetico della meiosi, in Atti assoc. genetica italiana, 1968; J.F. Crow, Genes that violate Mendel's rules, New York 1979; C.J. Avers, Citologia, Bologna 1984; B. Alberts, D. Bray, J. Lewis, M. Raff, K. Roberts, J.D. Watson, Molecular biology of the cell, New York-Londra 1984 (trad. it., 1989); B. Lewin, Il gene, Bologna 1990.