Biologia

La parola meiosi ha origine dalla lingua greca. Significa diminuire; questo si riferisce alla diminuzione del numero di cromosomi all’interno della cellula. La meiosi è il processo di riduzione dei cromosomi nelle cellule eucariotiche (piante, animali e funghi), che porta alla produzione delle cellule germinali (gameti/cellule sessuali) necessarie per la riproduzione sessuale. Nella meiosi, un doppio set di cromosomi (diploide) viene ridotto a un singolo set di cromosomi (aploide) per produrre cellule germinali o spore. Quando queste si combinano nella riproduzione sessuale, lo zigote risultante è un diploide. In questo modo, il numero cromosomico della specie si conserva attraverso la riproduzione sessuale.

Perché?

Si tratta di numeri cromosomici. Se un essere umano, con n = 46 cromosomi, o due coppie di n = 23 cromosomi, si riproducesse senza riduzione cromosomica, la cellula uovo e la cellula spermatica avrebbero entrambe n = 46 cromosomi. Quando questi si fondono per diventare un gamete, lo zigote (embrione) avrebbe n = 92 cromosomi, o il doppio del numero necessario! Questo porterebbe ad anomalie genetiche nel bambino. Inoltre, immaginate se questo bambino si riproducesse con un altro bambino con n = 92 cromosomi: il loro bambino avrebbe 184 cromosomi! Questo numero sarebbe in continuo aumento. Quindi, una riduzione cromosomica è necessaria per la continuazione dell’esistenza di ogni specie.

Prima che inizi la meiosi, i cromosomi nel nucleo della cellula vengono replicati. Questo perché la meiosi produce quattro cellule figlie con metà dei cromosomi della cellula madre; o quattro cellule aploidi da una singola cellula diploide. Ricorda, aploide e diploide si riferiscono al numero di cromosomi nella cellula: le cellule aploidi contengono una serie di cromosomi (n) mentre le cellule diploidi contengono due serie complete di cromosomi (2n). Come puoi vedere, la matematica non funziona del tutto: la cellula madre deve prima essere convertita in una cellula 4n (tetraploide) prima che inizi la divisione. Così una cellula con n = 46 cromosomi sarà convertita in una cellula con n = 92 cromosomi, che, dopo la meiosi, produrrà quattro cellule con n = 23 cromosomi.

La meiosi inizia più o meno come la mitosi. Dopo la replicazione cromosomica, tutti i cromosomi si separano in cromatidi fratelli (le due metà identiche di un cromosoma). Tuttavia, qui le somiglianze finiscono. Nella meiosi, si verifica un ulteriore processo: quello della ricombinazione o crossing over. Nella ricombinazione, le coppie di cromosomi si allineano e si ricombinano, così che ogni cromosoma ha in sé un pezzo di un altro. In questo modo, la diversità genetica è assicurata.

Così, la meiosi usa la ricombinazione per produrre quattro cellule figlie aploidi che non sono identiche alla loro cellula madre diploide o tra di loro.

Le fasi della meiosi

La meiosi è divisa in due parti, o divisioni, ciascuna delle quali consiste di diverse fasi. Queste sono la profase I, metafase I, anafase I e telofase I nella meiosi I; e la profase II, metafase II, anafase II e telofase II nella meiosi II. Avrai bisogno di un po’ di terminologia per capire queste fasi:

• Bivalente – una coppia di cromosomi omologhi tenuti insieme da un chiasma.
• Chiasma – punto di incrocio quando i cromosomi si scambiano materiale genetico.
• Centromero – il punto di costrizione di un cromosoma.
• Diade – metà di una tetrade; una metà di una coppia sinaptica di cromosomi omologhi.
• Cromosomi omologhi – la coppia di cromosomi formati da un cromosoma originale e dalla sua duplicazione. Questi cromosomi non sono identici.
• Piastra di metafase – la linea mediana della cellula.
• Monade – dopo la separazione, ogni cromosoma di una tetrade forma una monade. Una diade senza la sinapsi al suo cromosoma omologo.
• Involucro nucleare – la doppia membrana che racchiude il nucleo.
• Nucleolo – il centro di produzione dell’rRNA all’interno del nucleo.
• Cromatidi sorelle – i due cromatidi identici che formano un cromosoma.
• Fibre del fuso – un fascio di microtubuli che vanno da un polo della cellula all’altro, lungo i quali si muovono i cromosomi.
• Sinapsi/sinapsi – il processo per cui due cromosomi omologhi entrano in contatto fisico l’uno con l’altro.
• Tetrade – una coppia di cromosomi omologhi tenuti insieme da un chiasma.

Meiosi I

Ecco un’immagine completa della meiosi I (figura 1), passeremo attraverso ogni fase in dettaglio. Dovresti essere in grado di capire il significato di ogni fase e la ragione di ogni passo. Una volta capito questo, sarete preparati a rispondere alle domande d’esame sulla meiosi I.

Fonte immagine: Wikimedia Commons

Figura 1: Le quattro fasi della meiosi I con la fase della profase ulteriormente separata in quattro sottofasi

1. Profase I

La profase I è caratterizzata da tre eventi principali: la condensazione della cromatina in cromosomi visibili, la sinapsi dei cromosomi in ogni coppia omologa e il crossing over del materiale genetico tra questi cromosomi sinapsi. La profase I è ulteriormente suddivisa in cinque fasi distinte: leptonema, zigonema, pachinema, diplonema e diakinesis (figura 2).

Image Source: Wikimedia Commons

Figura 2: Le diverse fasi della profase della meiosi I

Leptonema

Conosciuta anche come fase leptotene, questa fase è caratterizzata dalla condensazione della cromatina per formare cromosomi visibili. Inizia la ricerca di omologia.

Zygonema

Questa fase è conosciuta anche come stadio zigotene. La ricerca dell’omologia continua, con i cromosomi omologhi che si allineano in accoppiamenti grossolani, formando bivalenti. Il complesso sinaptonemico comincia a formarsi.

Pachynema

Conosciuto anche come stadio pachytene, questa fase include un ulteriore sviluppo del complesso sinaptonemico tra coppie omologhe di bivalenti, portando alla sinapsi. In questa fase, è chiaro che ogni bivalente contiene due coppie di cromatidi fratelli. I cromatidi fratelli di una coppia sono cromatidi non fratelli ai cromatidi fratelli dell’altra coppia. Insieme, i quattro cromatidi sono conosciuti come una tetrade. Si verifica l’incrocio o la ricombinazione del materiale genetico tra le coppie di cromatidi non sorelle.

Diplonema

Questa fase è anche conosciuta come lo stadio di diplotene. Le coppie di cromatidi fratelli iniziano a separarsi. I cromatidi non sorelle rimangono in contatto in punti conosciuti come chiasmata (chiasma singolare), dove lo scambio genetico è avvenuto durante il crossing over.

Diakinesis

I cromosomi si separano ulteriormente ma sono ancora attaccati attraverso i chiasmata dei cromatidi non sorelle. La separazione porta i chiasmata a spostarsi verso le estremità dei cromatidi, un processo noto come terminalizzazione. L’involucro nucleare e il nucleolo si deteriorano, e i centromeri di ogni cromosoma si attaccano alle fibre del fuso, prima di allinearsi sulla piastra di metafase. I cromosomi sono ancora in coppia, che formano tetradi.

2. Metafase I

Questa fase è simile alla metafase della mitosi. The spindle fibers attached to the centromere of each tetrad align the chromosomes so that one half of each tetrad is oriented towards each pole.

Image Source: Wikimedia Commons

Figure 3: The alignment of tetrads during metaphase I of meiosis I

3. Anaphase I

At anaphase I, the chromosomes do not split into their sister chromatids, but each tetrad is split into its chromosome pairs (dyads). These are pulled to opposite poles in a process known as disjunction. Anaphase ends with the same number of dyads at each pole as the haploid number of the parent cell.

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Figure 4: The splitting of chromosome dyads during anaphase I

4. Telophase I

In some organisms, telophase I is entered and a nuclear membrane forms around the dyads at each pole, before a short interphase period is reached. In other organisms, telophase I is skipped, and meiosis II is entered.

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Figure 5: Formation of nuclear membrane isolating the two dyads

Meiosis II

Once again, we will explore the second meiosis phase much like the first one. Here is a full picture of meiosis II following telophase I:

Image Source: Wikimedia Commons

Figure 6: The four stages of meiosis II, with four haploid cells at the end of this phase

1. Prophase II

Sister chromatids form dyads connected by a centromere. These are situated at the center of the cell. No condensation of chromatic material or dissolving of nuclear membranes need occur.

Image Source: Wikimedia Commons

Figure 7: The sister chromatids from the dyads are attached by a centromere during prophase II

2. Metaphase II

Spindle fibers attached to the centromere of each sister chromatid align the dyads at the metaphase plate, with one half of the dyad facing toward each pole.

Image Source: Wikimedia Commons

Figure 8: The metaphase plate forms separating each half of the dyad

3. Anaphase II

The spindle fibers attached to each sister chromatid shorten, and each is pulled to an opposing pole of the cell.

Image Source: Wikimedia Commons

Figure 9: Like in anaphase I, the sister chromatids are pulled towards opposite ends

4. Telophase II

The chromatids (monads) are situated at the poles of the cell. Cytokinesis occurs, wherein a nuclear membrane forms around each set of chromosomes, and the cell divides into two cells with a haploid number of chromosomes. Thus, four haploid gametes are formed, which can now recombine during sexual reproduction to form a zygote.

Image Source: Wikimedia Commons

Figura 10: Quattro cellule figlie aploidi si formano durante la telofase II

Panoramica della meiosi

I dettagli della meiosi possono essere schiaccianti; di seguito evidenzieremo alcuni punti chiave di entrambe le fasi della meiosi. Durante la ricombinazione i cromosomi di ciascun genitore si scambiano le punte dei loro cromosomi omologhi. In questo modo ogni coppia di cromosomi omologhi ha un po’ dell’altro. Il punto in cui i cromosomi si scambiano il materiale è chiamato chiasma.

Fonte immagine: Wikimedia Commons

Figura 11: Scambio di materiale genetico durante la meiosi e i gameti risultanti

Perché la meiosi è importante nello studio della biologia?

La meiosi è importante per tre motivi principali: permette la riproduzione sessuale degli organismi diploidi, consente la diversità genetica e aiuta la riparazione dei difetti genetici.

1. Permette la riproduzione sessuale degli organismi diploidi

Come detto in precedenza, la meiosi permette la riduzione di una cellula diploide ad un gamete aploide, che può poi ricombinarsi con un altro gamete aploide per creare uno zigote diploide.

2. Permette la diversità genetica

Il crossing over o ricombinazione dei geni che avviene nella meiosi riarrangia gli alleli presenti in ogni cromosoma di una coppia omologa, permettendo la mescolanza dei geni paterni e materni, entrambi i quali possono essere espressi nella prole risultante. Questo permette la diversità genetica in una popolazione, che è un cuscinetto ai difetti genetici, alla suscettibilità della popolazione alle malattie e ai cambiamenti dell’ambiente. Senza questa ricombinazione, il pool genetico delle popolazioni ristagnerebbe, e un singolo evento potrebbe spazzare via un’intera popolazione. La diversità genetica significa che ci saranno alcuni individui all’interno di una data popolazione che saranno maggiormente in grado di sopravvivere a una perdita di habitat, un cambiamento nella disponibilità di cibo, un cambiamento nei modelli meteorologici, malattie o altri eventi catastrofici, garantendo la continuità delle specie.

3. Aiuta la riparazione dei difetti genetici

La ricombinazione che avviene nella meiosi può aiutare ulteriormente nella riparazione dei difetti genetici nella generazione successiva. Se un difetto genetico è presente su un certo allele di un genitore, la ricombinazione può sostituire questo allele con l’allele sano dell’altro genitore, permettendo una prole sana.

Come la meiosi è diversa dalla mitosi?

La mitosi è la produzione di due cellule figlie diploidi geneticamente identiche da una cellula madre diploide. La meiosi produce quattro cellule figlie aploidi geneticamente distinte da una singola cellula madre diploide. These germ cells can then combine in sexual reproduction to form a diploid zygote.

Meiosis only occurs in eukaryotic organisms which reproduce sexually, whereas mitosis occurs in all eukaryotic organisms, including those which reproduce asexually.

The table below summarizes the similarities and differences between meiosis and mitosis.

Meiosis	Mitosis
Similarities
Can only occur in eukaryotes
DNA replication occurs first
Production of daughter cells based on parent cell’s genetic material
Means of cell replication in plants, animals, and fungi
Differences
Starts as diploid; ends as haploid	Starts as diploid; ends as diploid
Chromosome number is reduced	Chromosome number is conserved
Chromosome pairs undergo synapsis	No synapsis occurs
Used for sexual reproduction	Used for growth/healing/asexual reproduction
2 nuclear divisions	1 nuclear division
8 phases	5 phases
Daughter cell not identical to parent cell	Daughter cell identical to parent cell
Results in 4 daughter cells	Results in 2 daughter cells
Produces germ cells	Produces somatic cells
Occurs only in sexual organisms	Occurs in asexual and sexual organisms

Wrapping Up Meiosis and Biology

We now know that meiosis is the process of chromosomal reduction which allows the production of haploid germ cells necessary for sexual reproduction. Meiosis is furthermore important for its role in enabling genetic diversity and facilitating the repair of genetic defects through recombination.

The benefits that meiotic reproduction gives over mitotic reproduction are that mitotic reproduction produces identical cells, conserving the chromosomal set and the genes within, whereas meiosis allows for the expression of new traits because of the process of crossing over. Senza la meiosi che mantiene la diversità genetica all’interno delle popolazioni, gli organismi non sarebbero in grado di adattarsi al loro ambiente, né di evolversi, né di sopravvivere a eventi catastrofici. La diversità genetica di una popolazione è il suo strumento più affidabile nella lotta per la sopravvivenza della specie.

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