Attraverso la mitosi, insomma, si aggiungono nuove cellule durante lo sviluppo e vengono sostituite le cellule vecchie e logore. L’obiettivo della mitosi è dunque quello di produrre cellule figlie geneticamente identiche alle loro madri, con un singolo cromosoma in più o in meno.
La meiosi, d’altra parte, è usata per un solo scopo nel corpo umano: la produzione di cellule di gameti, o spermatozoi e ovuli. Il suo obiettivo è quello di produrre delle cellule che sono hanno esattamente la metà dei cromosomi della cellula di partenza.
Per dirla in un altro modo, la meiosi nell’uomo, è un processo che ci porta da una cellula diploide – una con due gruppi di cromosomi – a cellule aploidi – quelle con un singolo set di cromosomi. Nell’uomo, le cellule aploidi prodotte nella meiosi sono gli spermatozoi e gli ovuli. Quando lo spermatozoo feconda l’ovulo, i due set aploidi di cromosomi formano un set diploide, un nuovo genoma.
Sotto molti aspetti, la meiosi è molto simile alla mitosi. La cellula attraversa fasi simili e utilizza strategie non diverse per organizzare e separare i cromosomi. Nella meiosi, tuttavia, la cellula ha un compito più complesso. Ha ancora bisogno di separare i cromatidi fratelli (le due metà di un cromosoma duplicato), come nella mitosi. Ma deve anche separare i cromosomi omologhi, le coppie di cromosomi simili ma non identici che un organismo riceve dai suoi due genitori.
Questi obiettivi sono raggiunti nella meiosi utilizzando un processo di divisione in due fasi. Le coppie di omologhi si separano durante un primo ciclo di divisione cellulare, chiamato meiosi I. I cromatidi sorella si separano durante un secondo ciclo, chiamato meiosi II.
Poiché la divisione cellulare si verifica due volte durante la meiosi, una cellula iniziale può produrre quattro gameti (uova o sperma). In ogni round di divisione, le cellule passano attraverso quattro fasi: profase, metafase, anafase e telofase.
Durante la fase I, cominciano a comparire le differenze dalla mitosi. Come nella mitosi, i cromosomi iniziano a condensarsi, ma nella meiosi I avviene anche un accoppiamento. Ogni cromosoma si allinea accuratamente con il suo partner omologo in modo che i due corrispondano alle posizioni corrispondenti lungo tutta la loro lunghezza.
Ad esempio, nell’immagine sottostante, le lettere A, B e C rappresentano i geni che si trovano in punti particolari del cromosoma, con lettere maiuscole e minuscole per forme diverse, o alleli, di ciascun gene. Il DNA viene spezzato nello stesso punto su ciascun omologo – qui, tra i geni B e C – e ricollegato in uno schema incrociato in modo che gli omologhi si scambino parte del loro DNA.
Questo processo, in cui i cromosomi omologhi si scambiano le parti, viene supportato da una struttura proteica chiamata complesso sinaptonemico, che tiene insieme gli omologhi. I cromosomi sarebbero effettivamente posizionati uno sopra l’altro – come nell’immagine sottostante – durante l’attraversamento; in realtà sono mostrati solo affiancati nell’immagine sopra, ma solo in modo che sia più facile vedere lo scambio di materiale genetico.
È possibile vedere questi processi di crossover al microscopio come chiasmata, strutture a forma di croce in cui gli omologhi sono collegati tra loro. I chiasmi mantengono gli omologhi connessi l’uno all’altro dopo che il complesso sinaptonemico si rompe, quindi ogni coppia omologa ne ha bisogno almeno uno. È comune che vengano eseguiti più crossover per ciascuna coppia di omologo.
I punti in cui avvengono i crossover sono più o meno casuali, portando alla formazione di nuovi cromosomi “rimescolati” con combinazioni uniche di alleli.
Dopo l’incrocio, il fuso inizia a catturare i cromosomi e li sposta verso il centro della cellula. Questo può sembrare similari alla mitosi, ma in realtà c’è una svolta. Ogni cromosoma si lega ai microtubuli da un solo polo del fuso e i due omologhi di una coppia si legano ai microtubuli dei poli opposti. Quindi, durante la metafase I, le coppie omologhe – non i singoli cromosomi – si allineano alla piastra metafase per la separazione.
Quando le coppie omologhe si allineano alla piastra metafase, l’orientamento di ciascuna coppia è casuale. Per esempio, nello schema sopra, la versione rosa del grande cromosoma e la versione viola del piccolo cromosoma sono posizionate verso lo stesso polo e vanno nella stessa cella. Ma l’orientamento avrebbe potuto essere anche capovolto, così che entrambi i cromosomi viola entrassero nella cellula insieme. Ciò consente la formazione di gameti con diversi set di omologhi.
Nell’anafase I, gli omologhi vengono fatti a pezzi e si spostano a parti opposte della cellula. I cromatidi fratelli di ciascun cromosoma, tuttavia, rimangono attaccati l’uno all’altro e non si separano. Alla fine, nella fase I, i cromosomi arrivano ai poli opposti della cellula. In alcuni organismi, la membrana nucleare si riformula e i cromosomi sono decondensati, sebbene in altri, questo passaggio venga saltato, poiché le cellule passeranno presto attraverso un altro ciclo di divisione, la meiosi II. La citochinesi di solito si verifica nello stesso momento della telofase I, formando due cellule figlie aploidi.
Le cellule passano dalla meiosi I alla meiosi II senza copiare il loro DNA. La meiosi II è un processo più breve e più semplice della meiosi I e potrebbe essere utile considerare la meiosi II come una sorta di “mitosi per le cellule aploidi”.
Come intuibile, le cellule che entrano nella meiosi II sono quelle prodotte nella meiosi I. Queste cellule sono aploidi – hanno un solo cromosoma da ciascuna coppia di omologhi – ma i loro cromosomi sono ancora costituiti da due cromatidi fratelli. Nella meiosi II, i cromatidi fratelli si separano, realizzando cellule aploidi con cromosomi non duplicati.
Durante la fase II, i cromosomi si condensano e l’involucro nucleare si rompe, se necessario. I centrosomi si allontanano, il fuso si forma tra loro e i microtubuli del fuso iniziano a catturare i cromosomi.
I due cromatidi fratelli di ciascun cromosoma sono catturati da microtubuli da poli del mandrino opposti. Nella metafase II, i cromosomi si allineano individualmente lungo la piastra metafase. Nell’anfase II, i cromatidi fratelli si separano e vengono tirati verso i poli opposti della cellula.
Nella telofase II, le membrane nucleari si formano attorno a ciascun set di cromosomi e i cromosomi sono decondensati. La citochinesi divide i set cromosomici in nuove cellule, formando i prodotti finali della meiosi: quattro cellule aploidi in cui ciascun cromosoma ha un solo cromatide. Negli esseri umani, i prodotti della meiosi sono spermatozoi o ovuli.
I gameti prodotti nella meiosi sono tutti aploidi, ma non sono geneticamente identici. Per esempio, date un’occhiata al diagramma della meiosi II di cui sopra, che mostra i prodotti della meiosi per una cellula con 4 cromosomi. Ogni gamete ha un “campione” unico di materiale genetico presente nella cellula di partenza.
A quanto pare, ci sono molti più potenziali tipi di gameti che solo i quattro mostrati nel diagramma, anche per una cella con solo quattro cromosomi. I due motivi principali per cui possiamo ottenere molti gameti geneticamente diversi sono:
In una cellula umana, l’orientamento casuale delle coppie di omologhi da solo consente oltre 8 milioni di differenti tipologie di possibili gameti. Quando ci sovrapponiamo sopra a questo, il numero di gameti geneticamente diversi che qualsiasi persona può generare è effettivamente infinito.