Cromosoma

Cromosoma

I cromosomi sono corpuscoli presenti in tutte le cellule degli organismi viventi (virus, batteri, vegetali, animali). Contengono acido nucleico e sono deputati alla trasmissione dell'informazione genetica. Numero, forma e grandezza sono costanti e caratteristici per ogni specie di animali o di piante. Negli organismi a riproduzione sessuale tutte le cellule hanno un corredo cromosomico diploide (contenente cioè coppie di cromosomi omologhi), a eccezione delle cellule germinali mature che possiedono un corredo cromosomico aploide (contenente cioè un solo elemento per ogni coppia di cromosomi). I cromosomi che determinano il sesso sono detti eterocromosomi o cromosomi sessuali, gli altri vengono detti autosomi. Nell'uomo i cromosomi sono 46, con 22 coppie di autosomi uguali nei due sessi e una coppia di eterocromosomi. La sistematizzazione grafica, ottenuta a partire da una fotografia, dei cromosomi umani è detta cariotipo. L'analisi del cariotipo consente di identificare le alterazioni del numero e le caratteristiche morfologiche dei cromosomi.

Caratteri generali

Il termine cromosoma ('corpo colorato', dal greco xrῶma, "colore", e σῶμα, "corpo") fu utilizzato per la prima volta da W. Waldeyer, nel 1888, per indicare i corpuscoli evidenziati dai coloranti basici nelle cellule eucariotiche durante la divisione cellulare. Qualsiasi cellula vivente contiene cromosomi in numero e forma variabili. Il cromosoma delle cellule procariotiche presenta, in genere, le forme evolutive più semplici. I cromosomi virali possiedono una notevole varietà di strutture in termini di dimensioni e tipo di acido nucleico (acido desossiribonucleico, DNA, o acido ribonucleico, RNA), e il genoma è racchiuso in un involucro proteico, definito capside. Il cromosoma batterico è costituito da una doppia elica di DNA circolare, organizzato in una struttura definita nucleoide; per circa l'80% è composto da DNA che forma complessi con proteine basiche e contiene l'informazione per la sintesi di alcune migliaia di proteine e per gli RNA ribosomali e di trasporto. Il cromosoma eucariotico, e perciò anche quello umano, è un complesso nucleoproteico, cioè un insieme di DNA e di proteine basiche (dette istoni) e acide che costituisce la cromatina. Quasi tutto il DNA degli eucarioti è contenuto nel nucleo, organizzato nei cromosomi. Ogni cromosoma contiene una singola molecola di DNA a doppia elica. Il contenuto di DNA varia notevolmente tra gli organismi che appartengono alle varie categorie sistematiche. Di regola nel genoma degli eucarioti superiori è presente in quantità largamente eccedente quella strettamente necessaria per la sintesi e la regolazione delle proteine che presiedono alle diverse funzioni. Esistono, infatti, sequenze di DNA ripetuto che non rivestono funzione di codifica. Indipendentemente dall'organizzazione del cromosoma, esiste in tutti gli organismi una sproporzione tra le dimensioni della molecola di acido nucleico corrispondente al cromosoma e le dimensioni dell'involucro che lo contiene. Per questo, i cromosomi sono organizzati in superstrutture nelle quali il DNA interagisce con specifiche proteine che hanno importanti funzioni strutturali e regolative. Infatti, il DNA si organizza nel cromosoma secondo una gerarchia di ripiegamenti e spiralizzazioni. Rispetto alla doppia elica del DNA, che ha un diametro di circa 0,2 nm e una lunghezza di alcuni centimetri, il cromosoma visibile in metafase, cioè durante la divisione cellulare, ha un diametro di circa 1400 nm e una lunghezza di qualche mm.

Il primo livello di organizzazione è dovuto all'interazione tra il DNA e gli istoni, dei quali sono note cinque classi, definite H1, H2A, H2B, H3, H4. L'associazione di due molecole di ognuno degli istoni H2A, H2B, H3 e H4 forma un ottamero, cioè una struttura proteica attorno alla quale si avvolge un tratto contenente circa 150-160 paia di nucleotidi. La struttura globulare che ne deriva viene definita nucleosoma. I nucleosomi vicini sono tra loro intervallati da circa 60 nucleotidi. L'istone H1 si trova nella regione di connessione tra nucleosomi adiacenti. La loro immagine al microscopio elettronico è quella di una collana di perle, che ha un diametro di circa 10 nm. Questa struttura si avvolge ulteriormente in un solenoide, di diametro compreso tra 20 e 30 nm, che costituisce la struttura elementare della fibra cromosomica, e che viene stabilizzato per l'azione dell'istone H1. Un ulteriore livello di organizzazione consiste nella formazione di anse (loops). Si ottiene in tal modo un supersolenoide nel quale il DNA e le proteine istoniche interagiscono con una matrice proteica, che costituisce l'impalcatura strutturale del cromosoma. La struttura ad anse ha un diametro di circa 300 nm. La topoisomerasi II è la proteina principale della matrice cromosomica che, durante la replicazione e la trascrizione, promuove lo svolgimento della doppia elica del DNA. La successiva condensazione di questa struttura, durante la divisione cellulare, dà origine al cromosoma prometafasico e metafasico, il cui diamentro è compreso tra 700 e 1400 nm.

In alcuni casi particolari la morfologia cromosomica rispecchia in parte la struttura elementare appena descritta. È il caso dei cromosomi giganti o politenici di alcuni tessuti secretori dei ditteri, che derivano da repliche multiple del materiale genetico, non seguite da divisioni cellulari, oppure dei cromosomi a spazzola presenti negli oociti di alcune specie nelle prime fasi della meiosi.

Nelle cellule somatiche umane sono presenti 46 cromosomi, distribuiti in coppie, che sono ereditate in parti uguali dai genitori al momento del concepimento. Mentre nella femmina le 23 coppie sono uguali, nel maschio la coppia dei cromosomi sessuali è costituita da un cromosoma X e un Y (rispetto a XX nella femmina). Con le normali colorazioni, i cromosomi metafasici appaiono relativamente omogenei. Si presentano come strutture doppie, o cromatidi fratelli (la divisione cellulare segue la fase di duplicazione del DNA), formate da bracci, separati da una costrizione primaria, o centromero. La posizione del centromero definisce i tre tipi di cromosoma presenti nel cariotipo umano: metacentrici, con centromero in posizione intermedia e bracci di uguale lunghezza; submetacentrici, la classe più rappresentata, con centromero spostato da un lato, che separa un braccio più corto e uno più lungo; acrocentrici, con centromero spostato verso un'estremità, con un braccio molto lungo e uno molto corto. Il braccio corto possiede all'estremità delle piccole strutture puntiformi, i satelliti, che nel nucleo in interfase partecipano all'organizzazione del nucleolo. Per convenzione il braccio corto di ogni cromosoma viene definito 'p' e quello lungo 'q'. Oltre alle costrizioni primarie il cromosoma può mostrare costrizioni secondarie, che sono di solito localizzate in alcune porzioni del cromosoma ricche in eterocromatina (per es. le regioni sotto il centromero dei cromosomi 9), e i cosiddetti siti fragili, cioè regioni a livello delle quali il cromosoma denota una particolare fragilità spontanea o indotta.

Nei Vertebrati superiori l'eterogenea distribuzione della cromatina lungo il cromosoma può essere evidenziata nel momento della mitosi, mediante le tecniche dette di bandeggiamento cromosomico. L'applicazione di colorazioni particolari e diverse allo stesso cromosoma consente di evidenziare, lungo il cromosoma, un'alternanza di regioni con diverso grado di condensazione e di interazione del DNA con le proteine della cromatina (bande), alle quali corrispondono un diverso contenuto di basi, diverse caratteristiche di replica e diversa espressione genica. Queste colorazioni differenziali, prodotte da tecniche diverse, riflettono la compartimentazione strutturale e funzionale del cromosoma. Alcuni accorgimenti tecnici, come la sincronizzazione del ciclo cellulare e l'analisi di fasi predeterminate del ciclo mitotico, consentono di studiare i cromosomi prometafasici, che sono quelli nei quali più facilmente è possibile riconoscere i dettagli più fini della morfologia del cromosoma. Rispetto al numero medio di 320 bande per corredo metafasico aploide, l''alta risoluzione' evidenzia 500-1000 bande e potenzialmente anche di più sui cromosomi umani. Le tecniche di bandeggiamento classificano i cromosomi in regioni, le singole regioni in bande e le singole bande in sottobande, a partire dal centromero. L'ideogramma dei cromosomi che ne risulta definisce con accuratezza le specifiche regioni a livello delle quali si verificano i riarrangiamenti di struttura o sulle quali sono mappati i geni.

Il cariotipo

L'ordinamento dei cromosomi di una cellula viene definito cariotipo o cariogramma; la locuzione mappa cromosomica, molto utilizzata nel gergo corrente per indicare l'analisi del cariotipo, in realtà definisce l'ordinamento dei geni sul cromosoma, che non è riconoscibile con lo studio del cariotipo. Il cariotipo è specie-specifico. Nel cariotipo i cromosomi sono disposti in coppie di omologhi (uno di origine materna, l'altro di origine paterna), allineati in ordine decrescente di grandezza. Per es., i 46 cromosomi umani sono classificati nelle coppie da 1 a 22, più i cromosomi sessuali X e Y, e sono suddivisi in 7 gruppi, contraddistinti dalle lettere da A a G, che comprendono rispettivamente i cromosomi 1-3, 4-5, 6-12 e X, 13-15, 16-18, 19-20, 21-22 e Y.

I metodi convenzionali di colorazione (Giemsa) definiscono il numero dei cromosomi di una cellula, consentono di ordinarli in base alle loro dimensioni e alla posizione del centromero (metacentrici, submetacentrici, acrocentrici) e di riconoscerne alcune caratteristiche morfologiche (satelliti, costrizioni secondarie, siti fragili), ma non sempre permettono di identificare le coppie di omologhi all'interno della maggior parte dei gruppi. Per questo, a partire dagli anni Settanta del 20° secolo, il cariotipo è allestito su preparati che ne evidenziano le bande. Infatti, le caratteristiche del bandeggiamento sono specifiche e riproducibili per ogni coppia di cromosomi e consentono di classificarli con accuratezza.

Il cariotipo viene allestito sui cromosomi analizzati alla metafase della divisione cellulare, quando si verifica il massimo grado di condensazione e i cromosomi hanno l'aspetto di strutture dense, ben visibili al microscopio ottico. Questo implica che il cariotipo può essere allestito su tutti i tessuti proliferanti nei quali un'apprezzabile percentuale di cellule si trovi nello stadio di metafase. Nei Mammiferi, e in particolare nell'uomo, l'analisi cromosomica ha ricevuto notevole impulso dallo sviluppo delle tecniche di coltura in vitro delle cellule somatiche. Queste analisi vengono di solito effettuate sul sangue prelevato per puntura venosa. I linfociti, che normalmente non si dividono nel circolo sanguigno, possono essere stimolati a proliferare in coltura con sostanze che attivano la mitosi, come, per es., la fitoemoagglutinina, una proteina estratta dal Phaseolus vulgaris, che induce la divisione della cellula. Analisi cromosomiche dirette possono essere effettuate sulle cellule in divisione spontanea, come quelle del midollo osseo o di alcuni tessuti tumorali. Queste indagini sono utili per definire il cariotipo delle popolazioni neoplastiche. Nella vita prenatale, il cariotipo embrionale e fetale può essere determinato sulle cellule del trofoblasto (villi coriali) o sulle colture delle cellule del liquido amniotico (v. genetiche malattie: Diagnosi precoce). L'osservazione e l'analisi dei cromosomi sono effettuate al microscopio. Il cariotipo viene invece allestito a partire da riproduzioni fotografiche delle metafasi, che sono ritagliate per isolare i singoli cromosomi e ordinarli su un cartoncino, secondo lo schema e l'ideogramma standardizzato. Alcuni sofisticati programmi computerizzati consentono di allestire automaticamente il cariotipo al microscopio. L'analisi delle metafasi e del cariotipo rileva la presenza di eventuali patologie cromosomiche. Tali anomalie possono riguardare il numero o la struttura cromosomica, essere costituzionali e perciò interessare tutti i tessuti di un individuo, oppure essere confinate in uno specifico tessuto, come avviene di regola nella maggior parte dei tumori.

Patologie cromosomiche

Le cellule somatiche umane normali contengono 46 cromosomi, numero diploide (2n) che origina per fusione nello zigote del pronucleo maschile e di quello femminile, che posseggono un numero aploide (n) di cromosomi. Le variazioni in difetto o in eccesso del numero aploide sono definite ipoaploidie e iperaploidie. Queste anomalie di numero sono comuni nei gameti umani. I corredi cromosomici delle cellule somatiche con un numero diverso da quello diploide sono definiti eteroploidi. Ogni numero cromosomico superiore al valore diploide che sia un multiplo esatto del corredo diploide viene definito poliploide (per es., 3n o triploidia, 4n o tetraploidia ecc.). Circa l'1% dei concepimenti umani è triploide. Questa poliploidia origina per lo più da un doppio contributo paterno (diandria, cioè due spermatozoi fertilizzanti o un singolo spermatozoo non ridotto alla meiosi) e risulta in un embrione che viene di solito abortito nel primo trimestre di gravidanza. I corredi diploidi e poliploidi sono definiti euploidi. Il termine aneuploide si applica invece a tutti i corredi che hanno un numero di cromosomi diverso da quello di un multiplo esatto del corredo aploide. Essi comprendono i corredi ipodiploidi e iperdiploidi, cioè con uno o più cromosomi in difetto o in sovrannumero rispetto al corredo diploide.

La principale ipodiploidia è la monosomia, che consiste nella mancanza di un cromosoma in una coppia di omologhi (2n -1). L'esempio più importante è la monosomia X (corredo 45, X), che si associa alla sindrome di Turner. Questa patologia è presente in circa l'1% degli zigoti e viene spontaneamente abortita in circa uno zigote su 300. La sua frequenza alla nascita è stimata in 1:4000. Le neonate con questa monosomia presentano basso peso, cute ridondante sulla nuca ed edemi da stasi linfatica alle estremità. Successivamente il quadro evolve con dismorfismi facciali, collo corto con pterigio (plica cutanea), bassa attaccatura dei capelli sulla nuca, bassa statura (l'altezza media nella vita adulta è circa 140 cm) e amenorrea primaria, cioè mancanza di mestruazioni spontanee con consequente infertilità. La nullisomia, che consiste nella mancanza di entrambi gli elementi in una coppia di omologhi (2n -2), non è compatibile con la vita, ma può essere osservata nelle cellule tumorali. Le iperdiploidie comprendono tutte le polisomie, cioè i corredi che presentano più di due copie dello stesso cromosoma. La più importante è la trisomia (2n +1), che consiste nella presenza di un cromosoma in sovrannumero in una coppia di omologhi. Il cromosoma extra è di solito libero (trisomia primaria), ma può anche essere fuso con un altro cromosoma. Le principali trisomie compatibili con la vita postnatale sono la trisomia 21 (sindrome di Down o mongolismo), la trisomia 18 (sindrome di Edwards), la trisomia 13 (sindrome di Patau).

La frequenza della sindrome di Down alla nascita è di circa 1:780, ma aumenta significativamente in funzione dell'età materna. Oltre il 90% dei casi è dovuto a trisomia libera, che nel 94% dei pazienti è originata per un errore nella oogenesi. Nel 5% circa dei pazienti il cromosoma sovrannumerario è fuso con un altro cromosoma (trisomia da traslocazione), mentre nel 3% circa la trisomia libera si associa a un corredo normale (mosaicismo). Il quadro clinico della sindrome di Down è molto caratteristico, con ipotonia, viso tondo con naso piccolo e radice infossata, rime palpebrali oblique in alto e verso l'esterno, epicanto, occipite piatto, orecchie piccole, collo corto con cute nucale abbondante, brachidattilia, solco palmare trasversale unico. Circa metà dei pazienti è affetto da cardiopatia congenita, e sono comuni i difetti del tubo digerente. La sindrome evolve in un ritardo psicomotorio, mentale e staturale. Le attese di vita sono aumentate negli ultimi anni: il 50% dei pazienti raggiunge i 60 anni e il 10% i 70. Gli adulti presentano invecchiamento precoce e tendenza alla demenza senile.

La trisomia 18 ha una frequenza di 1:7500 nati e colpisce più frequentemente il sesso femminile. Come per la maggior parte delle trisomie, l'età materna è un fattore di rischio. Solo il 5% degli zigoti con trisomia 18 raggiunge il termine della gravidanza. I neonati presentano un grave ritardo di crescita, cranio allungato con diametro bifrontale stretto, naso piccolo, mento arretrato, dismorfismi e bassa attaccatura dei padiglioni auricolari, sterno corto, bacino ristretto, caratteristico atteggiamento in flessione delle dita delle mani e deformazioni dei piedi. Sono noti oltre 100 difetti associati alla sindrome, in particolare a carico del cuore, del cervello, dell'intestino, degli apparati renale, digerente e scheletrico. Il 30% dei pazienti muore nel primo mese di vita, il 50% entro i primi due mesi e solo il 10% sopravvive oltre il primo anno. La trisomia 13 è più rara, con una frequenza di 1:10.000-20.000. In circa l'80% dei casi si tratta di trisomie libere, associate all'età materna, mentre le altre originano per fusione del cromosoma sovrannumerario con un altro cromosoma. La sindrome comporta gravi anomalie craniofacciali e oculari, difetti cutanei sullo scalpo, polidattilia, cardiopatie e altri difetti viscerali. Oltre i 2/3 dei pazienti muoiono entro i sei mesi di vita, e solo il 5% sopravvive oltre il terzo anno. La polisomia X più comune è quella XXX, che interessa circa una femmina ogni 1000. Non è associata a una sindrome caratteristica, ma le pazienti presentano una riduzione media di circa 15 punti del quoziente intellettivo.

Le aneuploidie dei cromosomi sessuali più comuni nei maschi sono il corredo XXY, o sindrome di Klinefelter (1:550 maschi), e il corredo XYY (1:1000 maschi). La sindrome di Klinefelter comporta ipotrofia testicolare, azoospermia e, di conseguenza, infertilità. Il corredo XYY non si associa a una sindrome caratteristica. In queste due condizioni, il quoziente intellettivo è ridotto di circa 10-15 punti rispetto a quello dei maschi normali. Le aneuploidie originano per un errore nella divisione cellulare. Se l'errore è meiotico, i gameti sono ipoaploidi e iperaploidi. Gli zigoti e le cellule che da essi derivano sono omogeneamente aneuploidi. Se l'errore è postzigotico, ossia interessa una divisione mitotica, l'individuo è un mosaico a due o più linee cellulari. Il meccanismo dal quale originano le aneuploidie è la non-disgiunzione, vale a dire la mancata separazione di una coppia di cromosomi omologhi alla prima divisione meiotica, o dei cromatidi fratelli alla seconda divisione meiotica o alla divisione mitotica. Alla meiosi si formano gameti disomici, cioè con due copie dello stesso cromosoma, e nullisomici, cioè privi di un cromosoma dell'assetto aploide, mentre alla mitosi si formano cellule trisomiche e monosomiche.

Le aneuploidie possono originare anche per 'lag all'anafase', ossia per un ritardo di migrazione di un cromosoma o di un cromatide, successivamente alla disgiunzione, e la sua conseguente mancata inclusione nella cellula figlia. I due gameti prodotti sono uno aploide e l'altro ipoaploide, mentre le cellule somatiche sono una diploide e l'altra monosomica. Le aneuploidie possono interessare tutti i cromosomi umani. Questi sbilanciamenti riducono le probabilità di sopravvivenza degli embrioni, che nel 95% dei casi vengono spontaneamente abortiti. Pertanto, la principale conseguenza delle aneuploidie è la morte embriofetale. Tuttavia, una piccola percentuale degli embrioni sbilanciati giunge a termine di gravidanza. Poiché molti sbilanciamenti comportano un grave handicap per il paziente, e l'età materna avanzata è un importante fattore di rischio, una parte di questa patologia può essere diagnosticata e 'prevenuta' con l'analisi prenatale del cariotipo fetale, mediante amniocentesi o villocentesi. L'analisi del cariotipo consente anche di rilevare eventuali anomalie cromosomiche di struttura. Si tratta di lesioni che possono riguardare la continuità del cromosoma, come le rotture cromatidiche o cromosomiche acquisite per esposizione in vivo o in vitro ad agenti mutageni (per es., radiazioni ionizzanti o agenti chimici). In patologia umana, sono importanti le anomalie di struttura costituzionali; fra di esse sono da ricordare le anomalie intracromosomiche (delezioni, inversioni) e le anomalie intercromosomiche (traslocazioni).

Le delezioni consistono nella perdita di un tratto di cromosoma. Caratteristica è quella del braccio corto del cromosoma 5, che si associa alla malattia del cri du chat, così chiamata per il pianto miagolante dei neonati che ne sono affetti, i quali, inoltre, presentano microcefalia e grave ritardo mentale. Le inversioni sono le più comuni anomalie di struttura dei cromosomi umani, e consistono nella rottura del cromosoma in due punti, nella rotazione di 180° del segmento compreso tra i due punti e nella reintegrazione del segmento nel cromosoma. Ne risulta un nuovo allineamento dei geni. La più comune inversione (oltre l'1% delle persone) riguarda la regione eterocromatica del cromosoma 9, la quale, più che una patologia, è una variante normale, in quanto priva di effetti negativi. Negli altri casi, le inversioni che comprendono il centromero (pericentriche) possono, per ricombinazione alla meiosi, dare origine a gameti sbilanciati. Pertanto, i portatori di queste inversioni sono a rischio di produrre gameti sbilanciati.

Le traslocazioni cromosomiche consistono nel trasferimento di segmenti di cromosoma da un cromosoma a un altro. Di solito sono reciproche, e perciò bilanciate. In genere, i portatori di traslocazioni di questo tipo sono clinicamente normali, ma, a seguito del complesso appaiamento alla meiosi tra i cromosomi omologhi, producono sia gameti normali, sia gameti bilanciati, sia gameti sbilanciati. Questi soggetti hanno perciò un rischio riproduttivo aumentato, e spesso si trovano all'interno di famiglie con elevata abortività o con casi di handicap da sbilanciamento cromosomico. Un particolare tipo di traslocazione è quello robertsoniano (così definito da W.R.B. Robertson, che lo scoprì nelle piante), che si verifica tra due cromosomi acrocentrici e comporta conseguenze sovrapponibili a quelle delle traslocazioni reciproche. I portatori sani di traslocazioni sono circa 1:500. Altre anomalie di struttura sono gli isocromosomi, cioè strutture formate da bracci uguali e simmetrici (l'esempio più comune nell'uomo è quello della X, che si associa a un fenotipo che ricorda quello presente nella sindrome di Turner), e le duplicazioni, ossia la presenza di una 'dose' in eccesso di una regione cromosomica, che originano per malsegregazione di traslocazioni e inversioni, o per crossing-over ineguale. Mentre le anomalie di struttura bilanciate non comportano conseguenze cliniche ovvie (se non a livello della riproduzione), le anomalie sbilanciate hanno effetti assimilabili a quelli delle aneuploidie, cioè elevata letalità prenatale e postnatale, difetti fisici e ritardo mentale. Globalmente considerata, la patologia cromosomica riguarda oltre il 20% dei gameti femminili, fino al 10% di quelli maschili, circa il 40-50% dei concepimenti, e un neonato su 180.

Bibliografia

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