La meiosi divisione cellulare caratteristica degli eucarioti, sia unicellulari che pluricellulari

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1 La meiosi divisione cellulare caratteristica degli eucarioti, sia unicellulari che pluricellulari La meiosi porta alla formazione di cromosomi nuovi attraverso il crossing over Con la meiosi, una cellula diploide (2n) dopo aver replicato il suo DNA (4n), mediante due divisioni successive forma quattro cellule aploidi (n)

2 La Meiosi è un processo di divisione cellulare che porta alla formazione di quattro cellule aploidi La Meiosi consiste di due divisioni cellulari successive (Meiosi I e Meiosi II) sono precedute da una unica duplicazione del DNA La Meiosi I comincia con la profase caratterizzata da: duplicazione dei centrioli ed inizio della formazione del fuso meiotico, scomparsa della membrana nucleare e appaiamento punto per punto dei cromosomi omologhi Durante l appaiamento, i cromatidi dei cromosomi omologhi si scambiano tra loro alcuni segmenti corrispondenti mediante un processo chiamato crossing-over In metafase, i cromosomi omologhi che restano legati per il centromero (formano le tetradi strutture formate da quattro cromatidi) vengono agganciati dalle fibre del fuso

3 Il Crossing-over genera nuove combinazioni geniche cromatidi fratelli cromosomi omologhi prima e dopo il crossing over Ma le nuove combinazioni possono essere sia migliori che peggiori

4 In anafase i cromosomi omologhi si separano migrando verso i poli della cellula

5 In telofase, i cromosomi omologhi si riforma la membrana nucleare e si formano due cellule figlie con un assetto aploide La Meiosi II è essenzialmente simile alla mitosi (con la differenza sostanziale che ha inizio da una cellula aploide anziché diploide), i cromatidi fratelli di ogni coppia vengono separati e si formano in tutto quattro cellule aploidi

6 Differenze tra Mitosi e Meiosi MITOSI MEIOSI Cellula madre (prima della duplicazione dei cromosomi) MEIOSI I Profase Cromosoma duplicato (due cromatidi fratelli) Duplicazione dei cromosomi 2n = 4 Duplicazione dei cromosomi Profase I Si forma la tetrade mediante la sinapsi dei cromosomi omologhi Metafase I cromosomi si allineano sul piano equatoriale Le tetradi si allineano sul piano equatoriale Metafase I Anafase Telofase 2n Cellule figlie prodotte per mitosi I cromatidi si separano durante l anafase 2n Durante l anafase I i cromosomi omologhi si separano: i cromatidi fratelli rimangono uniti Non si verifica un ulteriore duplicazione dei cromosomi; i cromatidi si separano durante l anafase II Cellule figlie prodotte per meiosi I n n n n Cellule figlie prodotte per meiosi II Anafase I Telofase I Aploide n = 2 MEIOSI II

7 Negli organismi pluricellulari la meiosi viene realizzata soltanto dalle cellule germinali La sessualità comporta l'alternarsi di due eventi a carico dei nuclei cellulari: la meiosi e la cariogamia La cariogamia, fusione dei nuclei di due diversi gameti, origina lo zigote, cellula il cui nucleo (2n) è fornito di una doppia serie di cromosomi a due a due omologhi

8 Nel corso della formazione di un individuo a partire dallo zigote, le cellule germinali si differenziano molto presto dalle linee cellulari somatiche Tutte le cellule, sia somatiche che germinali, aumentano di numero dividendosi per mitosi Solo le cellule germinali possono, una sola volta nel corso della vita di una singola cellula germinale, dividersi per meiosi La meiosi genera cellule aploidi che formeranno i gameti responsabili della riproduzione

9 Gametogenesi è il processo di formazione di gameti (aploidi, n) da cellule diploidi della linea germinale mediante la divisione meiotica Spermatogenesi è il processo di formazione dei gameti maschili. I 4 spermatidi diventano spermatozoi; un uomo produce circa 200 milioni di spermatozoi al giorno Oogenesi è il processo di formazione di un uovo attraverso la meiosi; una donna produce generalmente un solo oocita II (che se fecondato completerà la meiosi diventando UOVO) ad ogni ciclo mestruale

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11 Nella linea germinale maschile, gli spermatogoni colonizzano la parte centrale di una struttura ovoidale che diventerà un testicolo Le cellule che vanno negli strati superiori dei tubuli seminiferi diventeranno spermatociti I da cui origineranno 2 spermatociti II, da cui si origineranno 4 spermatidi che si differenzieranno quindi in spermatozoi

12 I MASCHI CONTRIBUISCONO ALLE MUTAZIONI GENICHE PIÙ DELLE FEMMINE Poiché la maggior parte delle mutazioni si verificano durante la Fase S del Ciclo Cellulare, i Maschi sono più a rischio di mutazioni in quanto: poco più di 24 divisioni cellulari si verificano a partire da uno zigote che inizia lo sviluppo di un embrione femmina prima che siano messe da parte le cellule germinali che produrranno le sue future uova mature (tutto questo accade molto prima della nascita!) Gli spermatozoi di un uomo di 30 anni, al contrario, sono i discendenti di almeno 400 divisioni mitotiche che si sono verificate a partire da uno zigote che inizia lo sviluppo di un embrione di sesso maschile

13 1. abbozzo del flagello; 2. Golgi 3. abbozzo dell acrosoma 7. flagello; 9. coda 4. centrioli; 6. nucleo 5. mitocondri che si disporranno a spirale nel collo dello spermatozoo 8. microtubuli; 10. acrosoma

14 CELLULE SOMATICHE SPERMATOZOI PROTAMMINE ISTONI PROTAMMINE : Cromatina nel nucleo della cellula somatica e dello spermatozoo Assemblaggio DNA-protammine dimensione pari a circa metà di quella degli PROTEINE DI istoni (5-8 KDa) TRANSIZIONE Formazione delle strutture a ciambella il 55-70% degli amminoacidici sono arginina che ha una elevata basicità Organizzazione in loop domains presenza PROTAMINE di cisteine con formazione di legami crociati inter- ed intra-protaminici Neutralizzazione della carica negativa del DNA e grande compattazione del nucleo

15 Rimodellamento nucleare degli spermatozoi dei mammiferi Nucleo cellula somatica DNA\RNA Da 1\10 fino a Istoni Spermatogenesi Maturazione epididimale 1 / 40 DNA RNA Protamine

16 Spermiogenesi: differenziazione dello spermatide a spermatozoo

17 Topo\Ratto Verro Toro Uomo Cavallo Capra

18 Nelle gonadi femminili, gli ovociti posizionati nelle ovaie prima della nascita dopo aver subito la replicazione del DNA ed all inizio della ricombinazione meiotica che assicura la diversità genetica della prole potenziale (sono fermi nella profase della prima divisione meiotica, nutrito ed ingrassato dalle cellule somatiche che lo circondano nel follicolo Una volta ogni ciclo mestruale, un aumento delle gonadotropine induce la maturazione meiotica di un grosso ovocita, scoppia il follicolo e l ovocita di secondo ordine si ritrova solo nelle tube Nel periodo precedente, attraverso le gap junctions, l'ovocita primario aveva avuto modo di accumulare tutte le molecole necessarie per sostenere lo sviluppo di un embrione Restarting life: fertilization and the transition from meiosis to mitosis - Nat Rev Mol Cell Biol Sep;14(9): doi: /nrm Clift D, Schuh M.

19 Nella linea germinale femminile, gli oogoni colonizzano la parte periferica di quello che diverrà l ovario ed aumentano di numero per mitosi, ma solo nei primi periodi di vita embrionale/fetale Prima della nascita si differenziano in oociti I che iniziano la profase della meiosi I in cui trascorreranno lunghissimi periodi Dalla pubertà in poi, ciclicamente un oocita I completa la meiosi I, scoppia il follicolo e l oocita II si troverà nelle tube privo delle cellule che lo nutrivano. Se non incontrerà uno spermatozoo, non inizierà la Meiosi II. Se avviene invece la fecondazione, l oocita II inizierà la Meiosi II dando una cellula Uovo aploide

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21 UOVA DI MAMMIFERI: ZONA PELLUCIDA E COMPOSTA DA TRE GLICOPROTEINE ZP2, ZP3 : FORMANO FILAMENTI ZP1: forma legami tra i filamenti costituendo una RETE TRIDIMENSIONALE ZP3 : è un recettore per gli spermatozoi che si legano agli oligosaccaridi attivando la reazione acrosomale

22 Restarting life: fertilization and the transition from meiosis to mitosis - Nat Rev Mol Cell Biol Sep;14(9): doi: /nrm Clift D, Schuh M. Nelle tube, lo spermatozoo si lega alla zona pellucida (matrice glicoproteica) che circonda l'uovo ed i due gameti fondono per formare lo zigote. L'uovo riprende la meiosi e segrega la metà dei rimanenti cromatidi fratelli in un globulo polare. I due pronuclei aploidi, maschile e femminile, migrano uno verso l altro in modo tale che il primo fuso mitotico si agganci ad un genoma diploide (zigotico). Una rapida serie di mitosi produce otto piccole cellule embrionali (blastomeri) che aderiscono tra loro formando la morula. Le due successive mitosi generano due differenti popolazioni di cellule, quelle all'interno che costituiranno l'embrione e quelle all esterno che daranno origine al tessuto extra-embrionale necessario per supportare lo sviluppo embrionale in utero.

23 Restarting life: fertilization and the transition from meiosis to mitosis - Nat Rev Mol Cell Biol Sep;14(9): doi: /nrm Clift D, Schuh M. Allo stadio di 32 cellule, all interno dell embrione si inizia a formare una cavità piena di liquido, che continua a crescere mentre l'embrione matura in blastocisti. Arrivata nell utero, la blastocisti si stacca dalla zona pellucida per legarsi alla parete uterina su cui l'embrione si continua a sviluppare. La transizione da uovo ad embrione è una delle trasformazioni cellulari più drammatiche e complesse della biologia umana. La cellula risultante dalla fecondazione, lo zigote, è in grado di generare tutte le cellule del corpo umano.

24 Al momento della fecondazione, il genoma materno è organizzato in cromosomi bloccati nella metafase II, il genoma paterno è privo di cromatina, strettamente compattato nella testa dello spermatozoo. Nello zigote esiste inizialmente una notevole differenza nello stato cromatina dei genomi parentali che deve essere risolto per garantire la segregazione accurata dei cromosomi durante la prima divisione mitotica. Restarting life: fertilization and the transition from meiosis to mitosis - Nat Rev Mol Cell Biol Sep;14(9): doi: /nrm Clift D, Schuh M.

25 Dopo la fecondazione, mentre il pronucleo femminile completa la seconda divisione meiotica, nel pronucleo maschile si riforma la cromatina eliminando le protammine e riformando i nucleosomi con nuovi istoni Restarting life: fertilization and the transition from meiosis to mitosis - Nat Rev Mol Cell Biol Sep;14(9): doi: /nrm Clift D, Schuh M.

26 Dopo la fecondazione, i nuclei materno e paterno subiscono drammatici cambiamenti della cromatina, soprattutto il nucleo dello spermatozoo in cui le protamine sono rapidamente sostituite da istoni materni per riformare la cromatina. Untangling the mysteries of maternal inheritance with polycomb - Sengupta e Surani - EMBO Journal, 31, , doi: /emboj

27 Dopo la fecondazione, i genomi parentali devono essere riprogrammati per la totipotenza, ed il macchinario del ciclo cellulare deve essere modificato per passare dalla meiosi alla segregazione della mitosi. Restarting life: fertilization and the transition from meiosis to mitosis - Nat Rev Mol Cell Biol Sep;14(9): doi: /nrm Clift D, Schuh M.

28 Lo zigote acquisisce la totipotenza dalla riprogrammazione della cromatina dei genomi parentali, che coinvolge una demetilazione globale del DNA. Durante le prime divisioni mitotiche dell'embrione, entrambi i genomi parentali subiscono una massiccia demetilazione che è massima allo stadio di blastocisti. Restarting life: fertilization and the transition from meiosis to mitosis - Nat Rev Mol Cell Biol Sep;14(9): doi: /nrm Clift D, Schuh M.

29 L' eredità materna gioca un ruolo cruciale nello sviluppo degli ovociti per la regolazione dello sviluppo attraverso istruzioni epigenetiche e l'avvio della transizione dal programma trascrizionale dello zigote a quello embrionale Dopo la fecondazione, lo sviluppo embrionale inizia soltanto con la formazione dello zigote, dopo la fusione del nucleo dello spermatozoo con quello dell uovo. Untangling the mysteries of maternal inheritance with polycomb - Sengupta e Surani - EMBO Journal, 31, , doi: /emboj

30 La demetilazione del genoma dell'embrione non è totale, una piccola porzione dei geni hanno imprinting, il che significa che saranno espressi solo da uno dei due cromosomi parentali, protetti da una particolare metilazione al momento della formazione dei gameti che non sarà modificata durante la riprogrammazione epigenetica dell'embrione. Restarting life: fertilization and the transition from meiosis to mitosis - Nat Rev Mol Cell Biol Sep;14(9): doi: /nrm Clift D, Schuh M.

31 L imprinting genomico viene selettivamente cancellato e ripristinato, ed il controllo dell espressione delle proteine si sposta da traduzionale a trascrizionale. Con la fecondazione, i genomi aploidi di ciascun gamete vengono riuniti per formare il genoma diploide nuovo ed unico dell individuo che nascerà. Il percorso per la riproduzione comincia molto tempo prima della fusione tra i gameti maschili e femminili. Restarting life: fertilization and the transition from meiosis to mitosis - Nat Rev Mol Cell Biol Sep;14(9): doi: /nrm Clift D, Schuh M.

32 fecondazione cariogamia inizio delle mitosi

33 Restarting life: fertilization and the transition from meiosis to mitosis - Nat Rev Mol Cell Biol Sep;14(9): doi: /nrm Clift D, Schuh M. Figura a lato: da ovocita a embrione: (a) panoramica dello sviluppo pre-impianto. A seguito dell ovulazione, l ovocita secondario può essere fecondato, completa la seconda divisione meiotica diventando un uovo maturo che, unendo il suo nucleo con quello dello spermatozoo fecondante, forma lo zigote. Dopo diverse divisioni mitotiche, lo zigote forma la morula, la successiva formazione di una cavità piena di liquido porta ala formazione della blastocisti che si impianta nella parete uterina; (b) Stadi di maturazione degli ovociti e relative configurazioni cromosomiche. Dopo la scomparsa dell'involucro nucleare si assembla il fuso meiotico, in alto vicino alla superficie dell'ovocita, avviene la segregazione della metà dei cromosomi omologhi e si forma il primo corpo polare. A questo punto un secondo fuso meiotico aggancia i cromosomi restanti e (il quasi) uovo si arresta nella metafase II in attesa della fecondazione. Se arriva uno spermatozoo, l'uovo segrega la metà dei cromatidi fratelli e forma il secondo globulo polare. Lo zigote risultante contiene pronuclei aploidi dalla madre e del padre.

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35 MORULA : 8 16 cellule (primi 3-4 giorni) Lo zigote inizia a dividersi rapidamente per mitosi Già allo stadio di 8 blastomeri si perde la totipotenza Anche se le cellule sembrano uguali tra loro, lentamente iniziano ad avviare i programmi di differenziamento per formare un embrione con i giusti tessuti ed organi

36 BLASTOCISTI : : cellule (dal 4 al 13 giorno) formata da due tessuti: trofectoderma e ICM (Inner Cell Mass) detto anche nodulo embrionale il primo formerà tessuti per nutrire il feto (placenta) il secondo formerà l embrione cavità blastocelica trofectoderma ICM (massa cellulare laterale)

37 EMBRIONE : giorno Trofectoderma e ICM si separano ICM si attacca all utero dando inizio, così, al contatto fisico e nutritivo con la madre Dal Trofoectoderma inizia a formarsi l embrione disco embrionale (futuro embrione) sacco vitellino corion amnios

38 SUCCESSIVAMENTE SI PARLA DI ~3 settimane ~ 4 settimane FETO

39 Un organismo DIPLOIDE riceve un cromosoma dalla madre (= materno) ed un cromosoma dal padre (= paterno) Cariotipo umano Una coppia di cromosomi corrispondenti, uno di origine materna e l altro paterna formano una coppia di cromosomi omologhi Il cariotipo umano è composto da 46 cromosomi. Il cariotipo umano è composto da 44 cromosomi detti autosomi e da due cromosomi sessuali, XX o XY. Le coppie di autosomi sono formate da cromosomi omologhi (stessa lunghezza, stessi geni). I cromosomi sessuali X ed Y sono diversi per dimensione e non hanno gli stessi geni XY

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