MORFOLOGIAORFOLOGIA DEIDEI CROMOSOMICROMOSOMI
Durante che la divisione cellulare l’aspetto del materiale nucleare cambia in modo determinante: dall’aspetto della cromatina dell’intercinesi si passa alla forma dei cromosomi mitotici. Da un punto di vista molecolare i cromosomi sono formati dallo stesso materiale che formava la cromatina cioè da filamenti di DNA con gli istoni associati, da una certa quantità di proteine non istoniche e da RNA43. Alla fine della fase S dell’intercinesi ciascuno dei 46 cromosomi di cui è provvista ogni cellula somatica del nostro organismo è duplice. in profase inizia la spiralizzazione di ciascun cromosoma duplice, fatto cioè dai due cromatidi, spiralizzazione che risulta massima durante la metafase; al termine di questa, risoltosi
43 Naturalmente, avendo una funzione legata essenzialmente alla trascrizione, RNA e proteine non istoniche sono sempre meno numerose man mano che si avanza nel processo di divisione cellulare durante il quale la trascrizione viene sospesa.
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il centromero, ognuno dei due cromatidi diviene un nuovo cromosoma destinato ad una delle due cellule figlie.
In considerazione del fatto che sono entità dinamiche per studiare i cromosomi da un punto di vista morfologico è necessario scegliere un momento della loro esistenza: per convenzione si sceglie di riferirsi alla forma dei cromosomi in metafase quando cioè sono ancora duplici ed hanno raggiunto il massimo grado di compattazione.
Il cromosoma metafasico ha grosso modo la forma di una X in cui si individuano facilmente i due cromatidi: essi sono uniti per una porzione della loro lunghezza al livello del centromero. Proprio in relazione alla posizione del centromero si possono distinguere tre classi di cromosomi:
La prima classe è formata da cromosomi il cui centromero è localizzato esattamente a meta della lunghezza del cromosoma: questa classe è detta dei cromosomi metacentrici.
In una seconda classe di cromosomi il centromero è leggermente spostato verso una della due estremità in modo da distinguere un braccio più lungo, detto braccio Q, ed un braccio più corto detto braccio P: questa è la classe costituita dai cromosomi submetacentrici.
Una terza classe di cromosomi è fatta in modo da avere il centromero molto spostato verso una delle due estremità, per cui il braccio Q risulta molto più lungo del braccio P il quale risulta, in certi casi, appena accennato: questa categoria è quella dei cromosomi acrocentrici.
Esisterebbe una quarta categoria in cui il centromero è esattamente ad una estremità, per cui i due cromosomi sembrano uniti per un’estremità a formare, più che una X, un bastoncino: questa categoria, quella dei cromosomi telocentrici, non è presente nell’assetto dei cromosomi umani se non in casi di gravi mutazioni.
Oltre che per la forma i vari cromosomi differiscono anche per le dimensioni. Ce ne sono alcuni molto grandi che possono raggiungere anche i 10 micron di lunghezza e un paio di micron di spessore, ed altri che raggiungono a stento i 2-3 micron di lunghezza.
La fibra cromatinica assume la particolare conformazione dei cromosomi per via del fatto che durante la divisione cellulare anche le proteine nucleari cambiano la loro conformazione: in particolare, le proteine che formavano la rete fibrillare del nucleoscheletro svolgono la funzione di impalcatura per i 46 cromosomi dividendosi in altrettante porzioni. Questa impalcatura di proteine nucleoscheletriche richiama molto da vicino la forma del cromosoma e prende il nome di scaffold. Attorno allo scaffold proteico si spiralizza in modo molto stretto la fibra nucleosomica. Se, con trattamenti opportuni, eliminiamo gli istoni associati alla fibra nucleosomica e dipaniamo il filamento di DNA notiamo che questo forma tante anse che si dipartono dallo scaffold e vi ritornano, si riagganciano allo scaffold e se ne allontanano nuovamente formando una nuova ansa, ecc. Le anse assumono una disposizione a spirale che percorre tutto quanto lo scaffold. Quando gli istoni sono in sede queste anse, che appaiono allora come chicchi di eterocromatina, sono fortemente condensate. Il sistema consente di concentrare all’interno dell’esiguo spazio offerto da una cellula una quantità di DNA che se dipanato sarebbe estremamente ingombrante.
Sezione di citologia – 15. Ciclo cellulare e divisione cellulare 91 Da un punto di vista chimico cromosomi e cromatina sono identici quindi anche i cromosomi hanno tutte
le caratteristiche di colorabilità istologica ed istochimica che possiede la cromatina: sono basofili, si colorano con il verde di metile e sono positivi alla reazione di Feulgen.
Abbiamo già visto come l’identificazione del corpo di Barr ci possa informare di anomalie riguardanti gli eterocromosomi. Ci sono altri metodi di studio dei cromosomi che ci permettono di individuare anomalie riguardanti anche gli autosomi. Il metodo di studio dei cromosomi prende il nome di cariotipo. Per allestire un cariotipo si devono innanzitutto prelevare dal soggetto in studio delle cellule che siano capaci di andare incontro a divisione cellulare come alcuni tipi di cellule del sangue, i linfociti, molto facili da ottenere attraverso un semplice prelievo e dotati di attività proliferativa se opportunamente stimolati; questa stimolazione alla duplicazione cellulare viene fornita in vitro attraverso una sostanza delta PHA44: è una sostanza di origine vegetale che si lega alla membrana del linfocita e simula un segnale fisiologico che spinge la cellula a dividersi.
È necessario a questo punto bloccare la divisione cellulare in metafase: poiché è il fuso mitotico a governare la divisione dei due cromatidi durante l’anafase basterà interferire con questo per raggiungere lo scopo. Esistono infatti delle sostanze che interagendo con le tubuline depolimerizzano il fuso mitotico: tra queste sostanze troviamo la colchicina un alcaloide vegetale che deriva dalla pervinca. A questo si fa subire ai linfociti bloccati in anafase uno shock osmotico in modo da ottenere il distanziamento dei loro cromosomi: si immergono i linfociti in acqua distillata, questa penetra all’interno della cellula rigonfiandola e sparpagliando i cromosomi e fa infine esplodere la cellula seminando il suo contenuto. I cromosomi risultano ora ben visibili e possono essere colorati con coloranti specifici in modo da renderli ancor più evidenti.
In base alla forma ed alle dimensioni possiamo identificare e classificare ciascuno dei 46 cromosomi: questi risultano uguali a due a due nella donna, mentre nell’uomo si identificano 22 coppie uguali ed una, quella degli eterocromosomi, diversa perché” formata da un cromosoma X e da un cromosoma Y: possiamo quindi ricercare i due membri di ciascuna coppia e ordinarli secondo una regola stabilita per convenzione45. Si possono cosi meglio identificare anomalie nel numero degli autosomi oltre che degli eterocromosomi46. Si possono rintracciare anomalie anche nella forma dei cromosomi: è possibile infatti che un cromosoma sia mutato per perdita di un tratto del filamento di DNA e presenti un’anomalia di forma di una delle sue braccia che può essere facilmente messa in evidenza grazie al paragone del cromosoma mutato con il suo omologo normale.
Le cosiddette tecniche di bandeggio ci permettono di poter notare eventuali anomalie non legate al numero, alla forma o alle dimensioni del cromosoma ma alla loro costituzione in termini di geni: queste tecniche si basano sul principio che se si trattano i cromosomi con particolari coloranti o, meglio, con particolari procedure seguite da colorazione, si mettono in evidenza sulle braccia del cromosoma delle
44 Acronimo delle parole Phyto Hemo Aglutinin.
45 Negli anni ‘50 si tenne un convegno a Denver su questo argomento. 46 Tra queste la sindrome di Down dovuta alla trisomia del cromosoma 21.
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bande più colorate alternate a bande meno colorate47. La cosa fondamentale è che la bandeggiatura è specifica per ciascun cromosoma: ciascun cromosoma presenta cioè un proprio specifico disegno. Questa ulteriore caratteristica morfologica consente di rilevare alterazioni ancora più fini nella struttura del cromosoma: può avvenire, per esempio, che la mutazione comporti il distacco di un braccio ma non la sua perdita; esistono degli enzimi di riparo la cui funzione è quella di ricucire i tagli che si possono eventualmente verificare nel filamento di DNA ma può avvenire che il tratto tagliato venga risaldato al cromosoma di cui faceva parte con l’estremità sbagliata. La forma e le dimensioni sono quelle giuste ma il cromosoma presenta un tratto che non potrà codificare. L’inversione, questo il nome del fenomeno descritto, può essere messa in evidenza proprio confrontando le bande del cromosoma mutato con quelle del suo omologo.
Un metodo ancora più moderno per lo studio dei cromosomi si avvale delle tecniche di ibridazione: sfruttando la complementarità dei filamenti di DNA si possono allestire delle sonde, marcate, per esempio, con dei nucleotidi radioattivi, che sono dei tratti di DNA esattamente complementari ad un determinato gene. Se, per esempio, si vuole sapere se il gene dell’insulina, localizzato in una precisa posizione di un ben preciso cromosoma, sia mutato si può utilizzare una sonda molecolare costruita in laboratorio è complementare al gene dell’insulina: se il gene è normale la sonda si lega al cromosoma e, allestito il cariotipo, si può osservare, a livello di quel cromosoma, la presenza dei granuli di argento ridotto dovuti alla radioattività della sonda48. Se il gene è mutato non si avrà evidentemente alcuna reazione perché la sonda non ibrida con il gene dell’insulina. Possono tuttavia permanere dei dubbi sulla corretta esecuzione dell’esperimento: in questi casi, sapendo che un gene come quello dell’insulina può mutare solo in determinate sedi, si possono usare delle sonde specifiche per i geni mutati dell’insulina. Grazie alle tecniche di ibridazione si può addirittura arrivare ad identificare quale è il nucleotide sbagliato.
Le anomalie legate al numero di cromosomi sessuali sono diverse e le riassumiamo nella tabella seguente.