Crossing-over: un versatile evento di ricombinazione cromosomica

Uno dei processi biologici che gode di una raffinata efficienza regolativa (e del quale le leggi di Mendel avevano dimostrato, a sua insaputa, l’importanza) è, senza dubbio, il processo di meiosi. Esso è tipico del ciclo vitale di organismi che si riproducono sessualmente, cioè che possiedono cellule specializzate della linea germinale, o gameti, aventi corredo cromosomico dimezzato rispetto all’assetto presente nelle cellule somatiche. Gli eventi che si verificano durante le due divisioni meiotiche (soprattutto nella prima o meiosi I) contribuiscono alla formazione di nuove combinazioni di geni nella popolazione, quindi a singoli individui genotipicamente. Il termine meiosi deriva dal greco meioun (“rendere piccolo”) e si riferisce al processo per mezzo del quale le cellule della linea germinale (GC) si dividono per andare a formare i gameti. Poiché la quantità di materiale genetico trasmesso da una generazione alla successiva in individui della stessa specie si conserva, gli organismi che si riproducono sessualmente producono gameti con assetto cromosomico dimezzato, in modo tale che l’atto gamico (l’unione di due gameti) ripristini la ploidia della specie, ovvero il numero di serie omologhe di cromosomi. La condizione aploide dei gameti (presenza di una sola serie omologa) è resa possibile grazie ad una singola duplicazione del DNA in meiosi I, seguita da 2  “round” di separazione (anafase meiotica, dinamicamente uguale all’anafase mitotica) e citodieresi. E questa è la prima ed importante differenza tra mitosi e meiosi. Nel ragionamento che seguirà, tuttavia, ci concentreremo più su un’altra caratteristica dell’evento meiotico che distingue quest’ultimo dall’evento di divisione mitotico: il crossing-over (CO).

L’importanza biologica e la versatilità funzionale del crossing-over

Cerchiamo subito di esaurire l’essenza di questo fenomeno, per poi indagare i suoi aspetti più squisitamente molecolari. Il crossing-over è un evento di ricombinazione che coinvolge segmenti corrispondenti di cromatidi non fratelli di cromosomi omologhi, determinando lo scambio di tali filamenti. Come immediato risultato, entrambi i cromosomi generatisi da questo scambio possiedono un segmento di DNA “estraneo”, che prima apparteneva al rispettivo omologo. Ciò determina, insieme all’azione combinatoriale dell’assortimento indipendente, una notevole variabilità genetica nelle cellule figlie. Il crossing-over non avviene in un momento  spazialmente e temporalmente indefinito dell’evento meiotico, ma in un segmento specifico della meiosi, la Profase I. Questa è la fase più lunga, e quindi temporalmente determinante, e più importante dell’intero processo meiotico a tal punto da essere divisa in 5 ulteriori sottofasi che prendono il nome dalla morfologia e dall’organizzazione intranucleare dei filamenti cromosomici in ciascun intervallo temporale di sottofase. Gli eventi della Profase I sono cruciali per assicurare un corretto setup che garantisca la normale segregazione dei cromosomi nelle successive metafasi (I e II). Nella maggior parte degli organismi, infatti, un’anomala segregazione dei cromosomi risulta fatale. Per sfuggire a questo epilogo tutt’altro che desiderabile, i cromosomi omologhi sfruttano l’evento di crossing-over come supporto di adesione molecolare per aumentare la propria stabilità nei confronti delle forze di trazione delle fibre del fuso mitotico. Possiamo quindi dedurre che il crossing-over non sia solamente un evento volto alla ricombinazione di materiale genetico, ma dia anche un contributo non indifferente alla stabilità meccanica dei cromosomi permettendo una normale segregazione? La risposta, come si può facilmente intuire, è affermativa. Tuttavia non è altrettanto semplice, almeno fino a questo punto, intuire il meccanismo molecolare che dia ragione a questa  deduzione.

Il meccanismo molecolare

Le tecniche di visualizzazione di biologia molecolare ci consentono di affermare che l’iniziazione della dinamica molecolare del crossing-over dipende, in prima istanza, dal riconoscimento dei cromosomi omologhi durante la meiosi come, in seconda istanza, dalle interazioni che si instaurano tra di essi. Prima di proseguire bisogna notare che il reciproco riconoscimento e l’appaiamento dei cromosomi omologhi è, probabilmente, uno degli aspetti di più difficile comprensione dell’evento meiotico. Il processo di interazione tra gli omologhi può, in sintesi, essere concettualizzato supponendo un sempre più crescente grado di affinità fisico tra di essi con il passare del tempo, il quale culmina in una giustapposizione stabile. Una volta allineati, gli omologhi sono intimamente associati ad una struttura proteica detta complesso sinaptonemale (SC, Synaptonemal Complex). Dopo l’allineamento si verificano delle rotture in entrambi i filamenti di DNA di un singolo omologo (Double strand breaks, o DSB), l’estremità 3′ del filamento derivante da tale rottura comincia ad interagire con la regione corrispondente sull’altro omologo e forma un “ponte” invadendo il doppio filamento intatto. Quest’ultimo si allunga verso il ponte e va a formare delle giunzioni con il filamento spezzato. In aggiunta al SC, si verifica un legame più duraturo tra i filamenti degli omologhi come conseguenza del crossing-over, ossia la formazione dei chiasmi, la manifestazione citologica e visibile (tramite opportuni strumenti di osservazione) del verificarsi di un evento di CO. Ciò garantisce una duplice stabilità all’associazione tra gli omologhi, garantendo un corretto bilanciamento tra le forze di tensione del fuso.

“Hot spots” e stabilità degli omologhi in organismi diversi dall’uomo

Particolarmente interessante risulta l’analisi della frequenza di questi eventi di reciproca ricombinazione, relativamente alle regioni di cromosoma considerate. Secondo verifiche sperimentali le regioni eucromatiche (dove la cromatina è meno compattata) hanno frequenza di ricombinazione più alta delle regioni eteroromatiche (dove la densità cromatinica è maggiore e non avviene crossing-over), come certe regioni eucromatiche hanno una RF (recombination frequency) più elevata di altre. Queste regioni sono denominate hot spots, dove la frequenza di DSB è molto maggiore che in altre. Esse costituiscono il principale punto sul filamento di un cromosoma entro il quale si viene a creare la forte stabilità molecolare necessaria alla compattezza meccanica in metafase. Tuttavia, sebbene tutti gli organismi a riproduzione sessuale richiedano l’appaiamento, la “chiusura” (lock) e la segregazione dei cromosomi omologhi per una corretta meiosi, certi organismi si affidano a ciascuno di questi eventi in misura diversa. Per esempio, i lieviti ed i topi si affidano al crossing-over per la formazione di sinapsi, termine con cui si specificano le strutture generatisi in meiosi I grazie all’appaiamento degli omologhi, ciascuno formato da due cromatidi. Al contrario, in altri organismi (vermi ed alcuni insetti) non si affidano ai chiasmi per la formazione di sinapsi. Anche all’interno di una stessa specie vi sono notevoli differenze: i cromosomi del maschio di Drosophila Melanogaster (il moscerino della frutta) non presentano eventi di ricombinazione e non formano SC; i cromosomi della femmina, invece, attuano ricombinazione in almeno due dei quattro cromosomi. Inoltre, ancora inspiegabile risulta l’assenza del complesso sinaptonemale sia in D. Melanogaster che in Saccharomyces Pombe. La domanda sorge spontanea: da cosa vengono stabilizzati gli omologhi in assenza di crossing-over o SC? Come si sono evolute queste differenze e da che cosa dipendono? La questione, indubbiamente intrigante ed oggetto di dibattito nella comunità scientifica, è ancora aperta.