A pesca di cromosomi : quando la meiosi va storta Understand article

Tradotto da Monica Menesini. Perché la meiosi sbaglia spesso? E quali sono le conseguenze?

Mappa dei movimenti : le
linee colorate tracciano il
movimento (da rosso a giallo)
dei cinetocori (punti verdi)
mentre i microtubuli si
attaccano per separare i
cromosomi (ciano).

Immagine gentilmente
concessa da Tomoya
Kitajima, EMBL

Immaginate di osservare, ad una fiera di paese, un bambino con la fronte aggrottata per la concentrazione che sta cercando di pescare un pesce di legno da uno stagno di plastica, usando il magnete all’estremità della sua canna da pesca. Congelate la scena, riavvolgete tutte le tappe dello sviluppo del bambino, dopo il momento in cui lo sperma ha fecondato l’uovo, fino al punto in cui la cellula uovo si è formata, e troverete che anche nelle cellule avviene una sorta di pesca. La differenza, scoperta dagli scienziati che lavorano all’ European Molecular Biology Laboratory (EMBL; vedi box) è che i bambini che pescano con il magnete hanno probabilmente più successo del macchinario della cellula uovo (Kitajima et al., 2011).

Quando una cellula uovo, o ovocita, matura all’interno dell’ovaio, va incontro ad una divisione cellulare chiamata meiosi nella quale le coppie di cromosomi si allineano e vengono “pescate”, cioè trasportate ai due poli opposti della cellula da filamenti proteici chiamati microtubuli (Mori et al., 2011). Come la canna da pesca del bambino pesca un pesce giocattolo con un magnete, così un microtubulo afferra un cromosoma in corrispondenza del suo cinetocoro – un ammasso di proteine e materiale genetico al centro della struttura a X del cromosoma.

Gli eventi principali della meiosi umana durante la maturazione della cellula uovo. Cliccare sull’immagine per ingrandirla.
A: Nel corso dei primi cinque mesi dello sviluppo di un embrione umano femmina, si formano tutte le sue potenziali future cellule uovo. In ognuna di queste cellule, dopo la duplicazione del DNA, i cromosomi omologhi si scambiano materiale genetico attraverso il crossing-over. La meiosi viene quandi arrestata fino all’ovulazione, e la maggior parte delle potenziali cellule uovo muore.
B: Tra la pubertà e la menopausa, nel corso del ciclo ovarico, alcune cellule uovo potenziali riprendono gli stadi successivi della meiosi, ma solo una al mese completa il processo. I cromosomi omologhi si allineano all’equatore della cellula madre e sono trascinati dai microtubuli. La cellula madre si divide in una cellula figlia e un globulo polare. I cromosomi quindi si allineano sull’equatore sia del globulo polare che della cellula uovo e, al momento dell’ovulazione, i microtubuli li agganciano. La meiosi si ferma qui fino alla fecondazione.
C: Se la fecondazione avviene, i cromatidi si separano muovendosi verso i poli opposti della cellula. Il globulo polare si divide in due, la cellula uovo dà origine ad un terzo globulo polare e ad una cellula uovo matura, e la meiosi si completa.
Ognuna delle quattro cellule figlie ha un corredo genetico diverso. Il materiale genetico dei globuli polari viene eliminato, mentre quello della cellula uovo si unisce al materiale genetico dello spermatozoo per dare inizio allo sviluppo di un nuovo embrione. 

Immagine gentilmente concessa da Nicola Graf

Esaminando le cellule uovo di topo al microscopio, lo scienziato dell EMBL Tomoya (Tomo) Kitajima è stato il primo a descrivere i movimenti di tutti i cinetocori di una cellula uovo durante la divisione cellulare – che dura circa 10 ore. “Abbiamo tenuto traccia, per la prima volta, delle posizioni di tutti i centromeri durante la divisione – non c’è neppure un momento in cui non sappiamo dove si trova questa parte del cromosoma – e questà è veramente una scoperta fondamentale in questo campo, avendola ottenuta in cellule molto grandi e sensibili alla luce, dice Jan Ellenberg, che dirige il gruppo di ricerca.

Struttura di un cromosoma. Il
centromero (in rosso) è il
punto di assemblaggio del
cinetocoro.

Immagine gentilmente
concessa da Tryphon; fonte
dell’ immagine: Wikimedia
Commons

Tomo ha usato un software – sviluppato nel laboratorio di Jan – che gli ha permesso di programmare un microscopio a scansione laser per individuare i cromosomi nel grande ambiente intracellulare della cellula uovo, e di filmarli durante la divisione. “L’oocita è una cellula grande, ma i cromosomi si localizzano solo in una piccola parte di essa, e questo era ciò a cui eravamo interessati. Così abbiamo reso i nostri microscopi abbastanza intelligenti da riconoscere dove si trovano i cromosomi e quindi ingrandire solo quella regione” spiega Jan.

Focalizzando il microscopio solo sulla parte della cellula contenente i cromosomi, Tomo ha potuto ottenere immagini ad alta risoluzione a brevi intervalli di un minuto e mezzo, che hanno fornito una dettagliata immagine del processo. Inoltre, poiché il microscopio illuminava solo una piccola parte della cellula, il danneggiamento della cellula è stato limitato, consentendo agli scienziati di continuare a filmare per tutte le 10 ore della divisione cellulare (vedi box per maggiori informazioni sul microscopio intelligente).

A pesca con un magnete.
Immagine gentilmente
concessa da QUOI Media;
fonte dell’immagine : Flickr

Ritornando allo stagno e al bambino che pesca, sembra di sentire le accuse :  “Stai barando! Non puoi spingere il pesce con la canna da pesca!” Grazie al lavoro di Jan e Tomo, il bambino potrebbe rispondere, in sua difesa, che anche le sue cellule allora barano, fin da prima della sua nascita. Quando gli scienziati dell’EMBL hanno analizzato il filmato, hanno constatato che, prima che i microtubuli si attacchino ai cinetocori, spingono i cromosomi in una posizione favorevole, come un bambino che riposiziona un pesce con l’estremità della canna da pesca. I microtubuli spingono i bracci dei cromosomi, disponendoli in un anello dal quale li possano “pescare” più facilmente.

“Ma nonostante questo pre-posizionamento, l’operazione non funziona molto bene” dice Jan. “Abbiamo visto che il 90% degli attacchi al cinetocoro risultano inizialmente sbagliati, e i microtubuli devono sganciare il cromosoma e provare di nuovo – in media, occorrono tre tentativi per ogni cromosoma.”

I microtubuli barano : prima
di attaccarsi ai cinetocori
(verdi), i microtubuli
spingono i cromosomi (rossi)
fino a formare un anello
intorno al centro del fuso.

Immagine gentilmente
concessa da Tomoya Kitajima,
EMBL

Scienziati negli USA hanno dimostrato che questo tipo di fenomeno avviene anche in altri tipi di divisioni cellulari che coinvolgono le nostre cellule durante la crescita o nella rigenerazione dei tessuti (Magidson et al., 2011). In questo secondo tipo di divisione cellulare, la mitosi, una cellula si divide in due cellule figlie, ognuna con la stessa quantità di materiale genetico della cellula madre, invece che metà del materiale genetico come nella meiosi. Ma la ricerca di Jan e Tomo mette in evidenza che la “pesca” dei cromosomi comporta un maggior numero di errori nella meiosi rispetto alla mitosi. Questo maggior numero di errori nella meiosi potrebbe dipendere, secondo gli scienziati, dal modo con cui i microtubuli “pescano” i cromosomi nei due tipi di divisione cellulare.

Mitosi : Dopo che la cellula
ha duplicato il proprio DNA, i
cromosomi si allineano sul
piano equatoriale: I
microtubuli si attaccano ai
cinetocori dei cromatidi
fratelli e li trascinano. Dopo
la mitosi la cellula si divide.
Le due cellule figlie risultanti
sono geneticamente
identiche alla cellula madre.

Immagine gentilmente
concessa da Mysid, fonte
dell’immagine : Wikimedia
Commons

Durante la mitosi, i filamenti dei microtubuli iniziano a formarsi in due punti opposti della cellula e assumono man mano una forma a limone – il fuso – che successivamente trasporta (spinge) ciascun cromatidio del cromosoma verso uno dei due poli della cellula. Ma nella meiosi, come ha scopero il gruppo di Jan pochi anni fa (Schuh & Ellenberg, 2007), i filamenti del fuso convergono partendo da almeno 80 punti diversi, e solo successivamente assumono una struttura a due poli. “Per questo motivo è difficile sapere se i microtubuli che si attaccano ai cromosomi li spingeranno in direzioni opposte oppure no” spiega Jan. Questo, insieme al fatto che la cellula uovo ha un volume molto più grande nel quale i microtubuli devono trovare e agganciare i cromosomi – una cellula uovo è più di quattro volte più grande di una cellula epiteliale – potrebbe spiegare perché la “pesca” dei cromosomi é maggiormente soggetta ad errori nella divisione della cellula uovo.

Queste scoperte consentono agli scienziati di sapere dove guardare quando studiano l’infertilità femminile e le condizioni come la sindrome di Down, dovute in larga parte a cellule uovo con un numero di cromosomi anormale. Dimostrando che questi errori in molti casi derivano dal mancato o errato aggancio dei microtubuli ai cromosomi, Tomo e Jan hanno fornito un riferimento per studi futuri. Infatti Tomo sta ora studiando perché quasto processo per tentativi ed errori é ancor più soggetto a sbagli nelle cellule uovo più vecchie. Se lui o altri riusciranno a capire dove il meccanismo di correzione fallisce nelle cellule più vecchie, questo potrebbe essere in futuro il punto di partenza per procedure mediche che aiutino i microtubuli a migliorare la tecnica di pesca. Forse il segreto per contrastare l’infertilità legata all’età è far pescare i microtubuli con lo stesso successo delle canne da pesca giocattolo.

Costruire microscopi intelligenti

I cromosomi (in blu) si
allineano preparandosi per la
separazione. I cinetocori (in
rosso) attaccano i cromosomi
ai microtubuli (in verde).

Immagine gentilmente
concessa da Tomoya Kitajima,
EMBL

Il software che Tomo ha usato per trovare e filmare i cromosomi durante la divisione cellulare è stato il punto di partenza per ulteriori miglioramenti. Da allora, in collaborazione con un altro gruppo di ricerca che lavora all’EMBL, capitanato da Rainer Pepperkok, il gruppo di Jan ha sviluppato un programma più complesso, in grado di automatizzare ancor più il funzionamento. Chiamato Micropilot, questo nuovo software analizza le immagini a bassa risoluzione filmate da un microscopio e trova non solo i cromosomi, ma anche altre strutture per le quali è stato programmato.

Una volta che Micropilot ha identificato la cellula o la struttura alla quale gli scienziati sono interessati, automaticamente dà istruzioni al microscopio, che possono essere semplicemente di registrare video ad alta risoluzione oppure utilizzare un laser per interferire con proteine rese fluorescenti e registrare i risultati. Il software è molto utile negli studi di biologia dei sistemi perché produce un maggior numero di dati a maggior velocità. Grazie alla sua maggior efficacia, Micropilot può produrre facilmente e velocemente abbastanza dati da ottenere risultati statisticamente significativi, consentendo agli scienziati di indagare il ruolo di centinaia di proteine differenti in un particolare processo biologico.


 

Saperne di più sull’EMBL

Il laboratorio Europeo di Biologia Molecolare (European Molecular Biology Laboratory (EMBLw1) è uno degli enti di ricerca di eccellenza nel campo della ricerca di base delle scienze della vita. EMBL è internazionale, innovativo e interdisciplinare. Vi lavorano ricercatori di 60 nazionalità, con specializzazione in biologia, fisica, chimica e informatica, e i settori di ricerca coprono l’intero spettro della biologia molecolare.

EMBL è membro di EIROforumw2, l’editore di Science in School.

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Institution

EMBL, EIROforum

Author(s)

Sonia Furtado Neves è nata a Londra, UK, e si è trasferita in Portogallo all’età di tre anni.  Nel corso dei suoi studi di zoologia all’Università di Lisbona, ha lavorato al dipartimento educativo dello zoo di Lisbona, dove ha scoperto la sua vocazione per la comunicazione scientifica. Ha seguito un master in comunicazione scientifica all’Imperial College di Londra, e attualmente ricopre l’incarico di addetto stampa all’ European Molecular Biology Laboratory di Heidelberg, Germania.


Review

Questo articolo riguarda le nuove scoperte scientifiche sul meccanismo di divisione cellulare, in particolare l’attacco dei microtubuli ai cromosomi durante la mitosi e la meiosi.

Il livello di approfondimento di questo articolo lo consiglia per il secondo biennio della scuola superiore (età 15+) nell’insegnamento di citologia (mitosi e meiosi), genetica (le cause e le conseguenze delle anomalie cromosomiche) e riproduzione (gametogenesi e infertilità).

L’articolo può anche essere usato per introdurre una dscussione più approfondita sui vantaggi e i rischi dei modelli dei fenomeni biologici (i modelli ci possono far capire i processi). Per esempio, nella maggior parte dei libri di testo, nella descrizione di mitosi e meiosi i cromosomi sono rappresentati come strutture grandi. Questo può indurre gli studenti a pensare che i cromosomi siano facilmente osservabili in qualsiasi tipo di cellula. Questo invece, come chiaramente si deduce dall’articolo, non è vero.

Infine, l’articolo illustra come gli sforzi fatti in un gruppo di ricerca possano portare benifici ad altre aree di ricerca, sottolineando la stretta relazione sinergica tra scienza e tecnologia.


Betina da Silva Lopes, Portogallo




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