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Le origini della diversità individuale “Fra milioni di isbe russe, non ce ne sono né ce ne saranno mai due perfettamente identiche. Tutto ciò che vive è irripetibile. E’ impensabile che due uomini, due cespugli di rose selvatiche siano identici… La vita si spegne là dove la costrizione si sforza di annullare ogni peculiarità dei singoli.” (V. Grossman,Vita e destino)

In che cosa ogni individuo si differenzia da un qualsiasi altro appartenente alla sua stessa specie? Quali fenomeni e meccanismi garantiscono il mantenimento delle caratteristiche tipiche di una specie? Qual è l’origine della unicità di ognuno? E in quali strutture fisiche essa risiede? Tutte domande che confluiscono in branche della scienza affini tra loro e che, sempre più con il progredire della ricerca, convogliano gli sforzi comuni nel tentativo di rispondere all’imperativo che attanaglia l’Uomo dagli esordi della sua coscienza individuale: “Conosci te stesso”. Conoscere se stessi significa, ovviamente, comprendere nel tentativo anche la ricerca sulle proprie origini e sulla storia che ha condotto fino all’individuo presente. Ecco perciò che genetica, biologia molecolare, biochimica, biologia dello sviluppo, fino alla ultima nata Evo-Devo, apportano il loro specifico contributo. Potrebbe sembrare una riduzione all’essenziale troppo spinta, tuttavia, dal punto di vista biologico, noi siamo le nostre proteine..! Le proteine, infatti, formano strutture, permettono e regolano tutti i processi metabolici (i processi vitali, quindi). La vita dipende, nel suo gradino più microscopico, quello della massima specificità, dalle potenzialità delle proteine che costituiscono ogni organismo. Ricordiamo le tre tipologie alle quali possono appartenere le proteine: a) strutturali; b) enzimatiche; c) regolatrici. Soffermiamoci un istante su quest’ultima funzione, in quanto si tratta – in un certo senso – di una funzione “rafforzata”: le proteine regolatorie controllano, dirigono, regolano l’attività dei geni, cioè dei segmenti di DNA, i quali a loro volta determinano la produzione di altre proteine. Benché tutte le cellule di un organismo possiedano un identico patrimonio di informazione, il codice genetico o genoma, appunto, cioè l’insieme dei geni di un organismo, non tutti i geni, infatti, sono attivi in ogni momento. A volte la loro attività è strettamente associata ad una determinata fase vitale della cellula (ad es. un gene che è attivo solo in fase embrionale). A volte la loro attività è strettamente associata ad un determinato tipo cellulare (ad es. un gene che è attivo solo nelle cellule muscolari). Le proteine regolatrici hanno perciò la funzione fondamentale di determinare l’accensione o lo spegnimento dei diversi tipi di geni, nelle diverse tipologie di cellule, nelle diverse fasi vitali. Per riassumere tutto ciò, la biologia si affida a due relazioni, scoperte ormai da qualche decennio, che non a caso vengono definite i dogmi centrali della disciplina:

DNA → RNA → PROTEINE UN gene → UNA proteina


Quindi, descrivere la struttura e la funzionalità delle diverse proteine di un organismo equivale a definire una sorta di “carta di identità” dell’individuo: noi siamo le nostre proteine… E ogni nostra proteina è definita da un tratto della molecola di DNA. Noi siamo biologicamente definiti dal nostro DNA… In ogni istante, un gene è disponibile – in ogni cellula del nostro corpo – a trasmettere l’informazione biologica che contiene, provocando la formazione della proteina alla quale esso presiede. Ciascuna cellula ha a disposizione la totalità del patrimonio genetico tipico della specie alla quale essa appartiene, ma è come se essa non potesse accedere a tutte le informazioni in esso contenute. Una biblioteca con settori riservati, off limits… L’accesso ad una determinata porzione di genoma dipende esclusivamente dal possesso delle proteine regolatrici in grado di regolarne l’ “accensione”. Delle chiavi di accesso… La consultazione continua della parte di genoma accessibile, consente ad ogni cellula di affrontare le diverse situazioni nella maniera più appropriata, armonizzando il proprio intervento con quello delle altre cellule dell’organismo. Come è giunta una cellula a contenere tutti i geni che possiede? I geni che si trovano in ogni cellula di un organismo (identico patrimonio per tutte le cellule che lo costituiscono) sono esattamente – a meno di un qualche evento rarissimo – quelli che erano presenti nello zigote derivante dalla fecondazione tra ovulo della madre e spermatozoo del padre. I nostri geni derivano quindi da quelli dei nostri genitori (abilmente rimescolati, vedremo poi…) ed è questa che viene definita la trasmissione di caratteri ereditari da genitori a figli. Importante, tuttavia, è ribadire che i geni non sono semplicemente una “merce” che viene trasferita di generazione in generazione, ma sono i registi di quel grande spettacolo che è la vita: dirigono, istante per istante, le attività di ogni singola cellula, attraverso quegli attori che sono le proteine. Finora abbiamo parlato di DNA e di geni, ma risalendo ancora di un livello verso strutture più macroscopiche, troviamo i cromosomi. Le nostre cellule contengono un numero preciso (tipico della nostra specie) di cromosomi e tutti insieme risiedono nel nucleo della cellula. Ogni cromosoma è costituito da una molecola di DNA, superavvolta su se stessa. In ogni cellula di un animale superiore vi sono due copie di ogni gene, ciascuna presente su uno dei due cromosomi che compongono una coppia. Infatti, la metà dei cromosomi di uno zigote (e quindi di tutte le cellule dell’organismo che da esso deriva) proviene dall’ovulo della madre, e l’altra metà dallo spermatozoo del padre. Nell’uomo ci sono 23 coppie di cromosomi, più la coppia dei cosiddetti cromosomi sessuali (due detti X negli organismi femmina, e un X e uno Y negli organismi maschio). Ciascun essere umano possiede 22 cromosomi + il cromosoma X che gli derivano dall’ovulo di sua madre, e 22 cromosomi + il cromosoma X (se è una femmina) o il cromosoma Y (se è un maschio) che gli derivano dallo spermatozoo di suo padre che fecondò la cellula uovo. Il patrimonio genetico di ciascuno di noi è quindi simile a quello degli altri appartenenti al genere umano, ma si presenta di volta in volta con qualche tratto nuovo perché, disseminati lungo il percorso, ci sono alcuni eventi che introducono variabilità. Le origini della diversità individuale, appunto…


Niente rimane immutato. Se i geni fossero immutabili, non esisterebbe possibilità evolutiva né adattativa. Tutti gli individui di una stessa specie avrebbero esattamente gli stessi geni, che si trasmetterebbero invariati ed invariabili di generazione in generazione. Ma i geni non sono affatto immutabili, fortunatamente! Due sono gli eventi che possono introdurre variabilità, o nel corso della vita dello stesso individuo, oppure al momento della nascita della nuova generazione: a) mutazioni; b) ricombinazione genica, o crossing-over. a) Le mutazioni. Ogni volta che una cellula si duplica (nel normale corso della sua esistenza), duplica necessariamente anche il proprio genoma, allo scopo di dotare le cellule figlie di una sua copia fedele. Il meccanismo con cui il DNA si duplica è estremamente accurato, ma non è perfetto. Ogni tanto vi si insinua spontaneamente qualche errore di copiatura, così che le copie non sono MAI perfettamente identiche all’originale. Tali eventi sono le mutazioni, appunto. La frequenza con la quale esse si manifestano è bassissima, circa 1 evento su un miliardo di copiature corrette, ma comunque non è uguale a zero. Si generano così continuamente, ogni volta che ogni cellula si duplica nell’organismo, copie mutate dei vari geni. Ma quali sono allora gli effetti per l’individuo di questi eventi? Le mutazioni possono passare completamente inosservate, possono avere un effetto sulla struttura dell’organismo che le porta senza pregiudicarne la salute, possono minarne più o meno gravemente la salute, condurlo alla morte, possono non farlo nemmeno nascere… Il ventaglio delle possibilità è estremamente vasto. Da cosa dipendono questi diversi esiti? Essi dipendono da due aspetti: 1) dalla importanza della mutazione (se va ad alterare una zona cruciale della proteina prodotta da quel gene oppure una zona di secondaria importanza); 2) dalla natura del gene in questione (se si tratta di un gene espresso in tutte le cellule o no, in un determinato periodo vitale o sempre, etc.). Ogni individuo porta nel suo genoma qualche gene mutato, perché le mutazioni sono inevitabili. Inoltre, la frequenza con cui compaiono le mutazioni può essere anche accresciuta da situazioni e fattori ambientali (i mutageni, chimici e fisici: radiazioni, composti chimici). Geni ed alleli. Le varie forme che un gene può assumere in conseguenza di una o più mutazioni si chiamano alleli di quel gene. In ogni specie possono essere presenti anche molti alleli di un determinato gene. Può anche capitare che un individuo possieda due alleli diversi dello stesso gene, uno su un cromosoma e uno sull’altro della coppia, perché la copia che ha ricevuto da un genitore è diversa da quella che ha ricevuto dall’altro. Un individuo che abbia nel suo genoma due copie identiche di un determinato gene si dice omozigote per quel gene, mentre se possiede due copie diverse si dice eterozigote per quel gene. Guardando ad un singolo gene, se le due copie fossero entrambe mutate, è probabile che la proteina codificata dal gene in questione sia difettosa, e che quindi l’individuo presenti un certo grado di “malattia”. Se entrambe le copie sono non mutate, l’individuo esprime una proteina normale per quel gene. Ma se è eterozigote, e cioè una copia del gene è normale e l’altra è mutata, cosa succede? Dipende dalla natura della mutazione: ci sono alleli mutati che, benché si trovino in presenza di un allele “sano” sull’altro cromosoma della coppia, sono in grado di far valere la loro caratteristica, provocando comunque malattia: sono gli alleli


dominanti. Altri alleli, invece, fanno valere la loro azione solo se sono in duplice copia (quindi in individui omozigoti mutati per quel gene): sono gli alleli recessivi. Un allele recessivo, in sostanza, non è in grado di imporre alla cellula la variazione proteica che esso porta, perché la copia normale dello stesso gene sopperisce alle carenze dovuta a quella mutata. Un allele dominante, invece, impone sempre e comunque i suoi diritti! Fortunatamente, le mutazioni recessive si palesano solo negli individui che ereditano da entrambi i genitori una copia mutata (evento di per sé raro), mentre se l’individuo è eterozigote per quel carattere, è di aspetto normale: si dice portatore sano. Divisione cellulare, mitosi ed altro ancora... Sappiamo che con il termine divisione cellulare si intende quel processo mediante il quale da una cellula “madre” se ne originano due “figlie”. Negli organismi unicellulari, la divisione cellulare è un mezzo di riproduzione, detta infatti asessuata poiché non intervengono due gameti distinti in base al sesso. Gli organismi pluricellulari, che si riproducono invece in modo sessuato, si sviluppano per successive mitosi di una sola cellula (lo zigote), originata dalla fusione di due gameti. Sappiamo anche che cellule uovo e spermatozoi possiedono un corredo cromosomico (cioè un contenuto in DNA) pari alla metà di quello caratteristico della specie di appartenenza. Il raggiungimento di tale contenuto in DNA si realizza mediante un processo assolutamente unico detto meiosi, e che coinvolge quindi soltanto quelle cellule dell’organismo che dovranno partecipare al miracolo della fecondazione. La formazione delle cellule gametiche si chiama gametogenesi. Vedremo adesso come può compiersi tale evento di dimezzamento del contenuto in DNA nelle cellule gametiche e come da esso dipendano caratteristiche essenziali per la nostra esistenza. Negli organismi pluricellulari che si riproducono per via sessuata coesistono dunque due tipi di divisione cellulare: la mitosi e la meiosi. La mitosi si verifica in tutte le cellule dell’organismo che vanno incontro a proliferazione, fuorché in quelle cellule che dovranno dar luogo a ovociti e spermatozoi. Si dice che la mitosi interessa le cellule dette somatiche (sono cellule somatiche quelle muscolari, epiteliali, nervose, connettivali, etc.) e conduce alla formazione di due cellule figlie che hanno lo stesso numero di cromosomi della cellula madre (contenuto diploide in DNA). La meiosi è invece un processo speciale che si verifica nel corso della maturazione delle cellule germinali e che condurrà alla formazione dei gameti, o cellule gametiche (con contenuto aploide in DNA). Prima di proseguire è però necessario fare alcune precisazioni. Ci stiamo addentrando nel campo affascinante della genetica... Noi sappiamo che nella specie umana ogni cellula somatica contiene 46 cromosomi, ma in realtà sarebbe più corretto dire 23 coppie di cromosomi. Infatti, nel nucleo di ogni nostra cellula vi sono 23 cromosomi che furono dati allo zigote dal quale proveniamo dall’ovocita di nostra madre (e detti perciò materni) e 23 cromosomi che furono dati allo zigote dallo spermatozoo di nostro padre (e detti perciò paterni). Di queste 23 coppie, 22 sono costituite da due cromosomi in tutto e per tutto simili (attenzione, non identici!), per forma, dimensioni, funzione. La restante coppia, la ventitreesima, è costituita da due cromosomi un po’ particolari. Infatti essi sono diversi l’uno dall’altro per forma e dimensioni, ed hanno la funzione di determinare il sesso dello zigote origina-


tosi dalla fecondazione, e quindi il sesso del nuovo individuo. Si chiamano proprio cromosomi sessuali, e sono di due tipi: X e Y. Un individuo femmina ha nel nucleo di tutte le sue cellule (esclusi gli ovociti) sempre due cromosomi X; un individuo maschio ha nel nucleo di tutte le sue cellule (esclusi gli spermatozoi) sempre un cromosoma X e uno Y. I due cromosomi, uno di origine materna e l’altro di origine paterna, che compongono ogni coppia si chiamano cromosomi omologhi. Cosa accade allora durante una normale mitosi? Accade che ogni cromosoma, prima dell’inizio della mitosi vera e propria, si duplica, dando origine a due cosiddetti cromatidi fratelli. Quindi, la cellula (ad es. epiteliale) che sta per iniziare la mitosi contiene nel suo nucleo 46 cromosomi (organizzati in 23 coppie di cromosomi omologhi) e ognuno di questi 46 cromosomi è diviso in due cromatidi fratelli. Nella terza fase della mitosi (anafase) accade che i due cromatidi fratelli derivanti da ogni singolo cromosoma si separano, andando a finire ognuno in una delle due cellule formate. Ogni cromatidio (che da ora in poi si chiamerà anch’esso cromosoma) va poi a cercare il proprio omologo e si ricompongono le 23 coppie. Cosa accade invece durante la meiosi? La meiosi si può definire una mitosi particolare, che consiste in due divisioni consecutive (prima e seconda divisione meiotica) accompagnate da una sola duplicazione dei cromosomi. La meiosi interessa solo alcune cellule all’interno dell’organismo, quelle della linea germinale, che daranno luogo ai gameti. Prima divisione meiotica. I 46 cromosomi si raddoppiano in due cromatidi fratelli (come avviene per la mitosi) ma al termine della divisione non si separano. Si separano invece i cromosomi omologhi costituenti ognuna delle 23 coppie! Però lo fanno soltanto dopo essersi appaiati durante un momento di importanza fondamentale denominato crossing-over (di cui parleremo più avanti). Quindi, le due cellule figlie risultanti da questa prima divisione meiotica contengono soltanto 23 cromosomi, ognuno di essi costituito da due cromatidi uniti tra loro. Ogni cellula figlia riceve soltanto un elemento di ogni coppia e quindi anche un solo cromosoma sessuale (X o Y). Le cellule figlie derivanti da questa divisione cellulare sono quindi già aploidi! Seconda divisione meiotica. I cromatidi fratelli che costituiscono ognuno dei 23 cromosomi derivati dalla prima divisione si separano nelle due cellule figlie risultanti, che sono quindi ancora aploidi ed hanno i cromosomi singoli e non più raddoppiati. Le cellule prodotte al termine di questo complesso processo (quattro cellule da una di partenza) sono i gameti, capaci di dar luogo alla fecondazione. Determinazione del sesso nella specie umana. Abbiamo detto in precedenza che nel nucleo di ogni cellula somatica femminile (e quindi anche nel nucleo di quelle cellule diploidi destinate a dar luogo con la meiosi agli ovociti) ci sono due cromosomi sessuali di tipo X. Ciò significa quindi che tutti gli ovociti di una donna conterranno quale cromosoma sessuale sempre quello X. Diversamente avviene nella maturazione degli spermatozoi nel maschio. Infatti, nel nucleo delle cellule somatiche maschili (e quindi anche nel nucleo di quelle cellule diploidi destinate a dar


luogo con la meiosi agli spermatozoi) vi è un cromosoma sessuale di tipo X e uno di tipo Y. Ciò significa che, al termine della meiosi, da una cellula germinale immatura diploide si otterranno quattro spermatozoi maturi aploidi, ma DUE conterranno il cromosoma sessuale X e due il cromosoma Y. Questo cosa significa? Significa che, al momento della fecondazione, dall’incontro casuale dell’ovocita con uno spermatozoo di un tipo o dell’altro si originerà uno zigote maschio (XY) oppure femmina (XX). La determinazione del sesso nella specie umana è completamente dovuta all’uomo (la donna fornisce gameti tutti uguali!). A questo riguardo, si deve sottolineare come nei Mammiferi si verifichi un fenomeno importante, durante le primissime fasi dello sviluppo embrionale. A questo stadio, infatti, nelle cellule somatiche degli individui di sesso femminile (che contengono due cromosomi X) si ha la totale inattivazione di uno dei due cromosomi sessuali, e in ogni cellula è assolutamente casuale quale dei due risulti inattivato. b) Il crossing-over. L’evento del crossing-over (o ricombinazione genica) è ciò che caratterizza la meiosi nel suo significato più profondo ed è quello che è alla base della variazione genica di generazione in generazione, e quindi della possibilità di evoluzione della specie. Esso si verifica durante la prima divisione meiotica, ed è preceduto dall’appaiamento delle coppie di cromosomi omologhi (23 coppie nella specie umana). (Ricordiamo che ogni cromosoma della coppia risulta costituito, a questo stadio, da due cromatidi fratelli!). Le coppie di cromosomi omologhi appaiati si definiscono tetradi, in quanto ogni tetrade è costituita da quattro cromatidi, disposti parallelamente tra loro. Nell’ Uomo si formano perciò 23 tetradi. Dopo la formazione delle tetradi ha luogo il crossing-over, e cioè lo scambio di segmenti corrispondenti tra i due cromosomi omologhi appartenenti ad ogni tetrade. Lo scambio interessa solo uno dei due cromatidi fratelli da cui è composto ciascun cromosoma omologo ed esso è straordinariamente preciso, nel senso che interessa solo zone corrispondenti lungo il cromatidio. Il numero di tali scambi all’interno di ogni tetrade è variabile. Al termine della prima divisione meiotica, quindi, ogni cromosoma omologo è ancora composto da due cromatidi, ma i due omologhi di ogni coppia (paterno e materno) che ora si dirigono verso i poli opposti della cellula hanno una composizione diversa da quella degli omologhi originari. Infatti, uno dei due cromatidi che li compone possiede (per effetto dell’avvenuto crossing-over) uno o più segmenti scambiati con un cromatide dell’altro omologo, mentre il secondo cromatide mantiene la sua composizione originaria. Valore biologico del crossing-over. Qual è il significato eccezionale del crossing-over? Come conseguenza della ricombinazione genica, i singoli cromosomi presenti nei gameti non sono costituiti dal solo materiale genetico paterno o materno, ma consistono di segmenti alternati paterni e materni. Il corssing-over rappresenta quindi un mezzo attraverso il quale geni localizzati su due cromosomi omologhi possono, appunto, ricombinarsi sullo stesso cromosoma ed essere così inviati insieme nello stesso gamete. Tale evento rappresenta perciò un meccanismo determinante della diversità biologica e costituisce quindi un fattore importante per l’evoluzione delle singole specie.


In assenza di crossing-over, da ogni cellula germinale si otterrebbero soltanto due tipi di gameti per quanto riguarda ogni coppia di omologhi, mentre grazie alla ricombinazione, ogni omologo può presentarsi sotto forma di quattro diverse combinazioni geniche.

I diritti d’autore sull’opera appartengono a Simona Butò e sono disciplinati nei termini della licenza Creative Commons ‘Attribuzione - Non commerciale - Non opere derivate - 2.5 Italia’, il cui testo integrale è disponibile al sito http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/2.5/it/deed

Le origini della diversità individuale  

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