Genetica: Variabilità, Meiosi e Gametogenesi

L'efficacia della ricombinazione omologa nel generare variabilità genetica è massimizzata in condizioni di intensa pressione selettiva che favoriscono l'assortimento non casuale di alleli specifici nei gameti.

La mancata disgiunzione dei cromosomi omologhi esclusivamente durante la meiosi II porta inevitabilmente alla formazione di gameti con aneuploidie che coinvolgono sia copie materne che paterne dello stesso cromosoma.

Un chiasma localizzato in prossimità del centromero di un cromosoma durante la meiosi I aumenta significativamente la probabilità di una corretta segregazione dei cromosomi omologhi.

La gametogenesi femminile umana è caratterizzata dalla produzione sincrona di quattro ovociti aploidi identici per ogni ciclo meiotico completo.

L'assenza di crossing-over durante la meiosi I comporterebbe una diminuzione drastica della diversità genetica, ma non influenzerebbe la corretta segregazione dei cromosomi omologhi.

Nell'uomo, la spermatogenesi porta alla formazione di spermatociti primari aploidi attraverso una singola divisione meiotica riduzionale.

Durante la profase I meiotica, l'appaiamento dei cromosomi omologhi e la formazione del complesso sinaptinemale sono processi del tutto indipendenti dalla presenza di rotture a doppio filamento nel DNA.

La persistenza dei chiasmi oltre la metafase I meiotica non ha alcun impatto sulla corretta segregazione cromosomica e sulla stabilità del genoma dei gameti risultanti.

Durante l'anafase A, la trazione dei cromatidi verso i poli del fuso mitotico è unicamente mediata dall'allungamento dei microtubuli polari attraverso l'azione di proteine motrici, mentre la depolimerizzazione dei microtubuli cinetocorici gioca un ruolo secondario.

Nell'anafase B, le proteine motrici localizzate nella regione di sovrapposizione dei microtubuli interpolari generano una forza che spinge i poli del fuso mitotico l'uno verso l'altro, contrastando l'azione dei microtubuli astrali che tirano i poli verso la membrana cellulare.

Durante la telofase, la riformazione dell'involucro nucleare attorno ai gruppi di cromosomi figlia avviene grazie alla de novo sintesi di nuove membrane nucleari a partire da lipidi e proteine prodotti ex novo nel reticolo endoplasmatico.

Il solco di divisione che si forma durante la citochinesi è generato dall'assemblaggio di filamenti intermedi di vimentina in un anello contrattile, il quale, stringendosi, separa fisicamente le due cellule figlie.

La citochinesi è un processo completamente indipendente dalla mitosi, che può avvenire anche in assenza di una precedente divisione del materiale genetico.

Nella mitosi, la frammentazione dell'apparato di Golgi e la successiva associazione dei frammenti ai microtubuli del fuso mitotico garantiscono che ogni cellula figlia erediti un numero equivalente di cisterne golgiane funzionalmente attive.

Le cellule somatiche, che si dividono per mitosi, sono caratterizzate da un corredo cromosomico aploide, il quale conferisce loro una maggiore plasticità genetica rispetto alle cellule della linea germinale.

La riproduzione asessuata comporta la confluenza di due genomi diversi, incrementando la diversità genetica nella progenie e accelerando l'adattamento a nuove pressioni selettive ambientali.

Il processo di ricongiunzione non omologa delle estremità rappresenta un meccanismo di riparazione del DNA che privilegia l'accuratezza assoluta del ripristino della sequenza originale, minimizzando il rischio di inserzioni o delezioni di nucleotidi.

La depurinazione del DNA, causata dalla collisione con altre molecole, si verifica esclusivamente a carico delle basi puriniche adenina e guanina, mentre le pirimidine citosina e timina rimangono inalterate a causa della loro maggiore stabilità intrinseca.

L'attività di proofreading degli enzimi di replicazione del DNA si limita esclusivamente alla correzione degli errori di appaiamento delle basi durante la sintesi di nuovi filamenti e non ha alcun ruolo nella rimozione di nucleotidi danneggiati da agenti esterni.

In seguito a danno del DNA con rottura del doppio filamento, il processo di ricombinazione omologa utilizza sempre e soltanto un cromosoma omologo come stampo per la riparazione, indipendentemente dalla fase del ciclo cellulare.

La deamminazione, un processo spontaneo nel DNA, colpisce selettivamente la guanina, convertendola in xantina, una base azotata che viene riconosciuta e rimossa dai sistemi di riparazione del DNA ad alta fedeltà.

L'esposizione prolungata alle radiazioni ultraviolette induce esclusivamente la formazione di dimeri di timina, che rappresentano l'unico tipo di danno al DNA causato da questa forma di radiazione.

Un'inversione della polarità di un singolo nucleotide all'interno di una sequenza di DNA è sempre letale, perché innesca un'immediata cascata di eventi che portano alla frammentazione dell'intero genoma.

L'accumulo di mutazioni nel DNA, derivante da un'inefficace attività di correzione di bozze e riparazione, porta invariabilmente allo sviluppo di fenotipi patologici complessi, indipendentemente dalla regione genomica interessata e dalla natura specifica delle mutazioni.

L'enzima DNA ligasi catalizza la formazione di un legame fosfodiesterico tra l'estremità 3'-OH di un filamento di DNA e l'estremità 5'-fosfato di un altro, richiedendo l'idrolisi di GTP anziché ATP per l'attivazione energetica.

La DNA elicasi, durante la replicazione del DNA, si muove lungo la doppia elica idrolizzando legami peptidici per separare i due filamenti, un processo che richiede l'intervento di topoisomerasi per risolvere i superavvolgimenti risultanti.

La pinza scorrevole, un omodimero proteico, aumenta drasticamente la processività della DNA polimerasi legandosi direttamente al solco minore del DNA e impedendo il distacco dell'enzima durante la sintesi.

Le proteine che legano il DNA a singolo filamento (SSBP) prevengono la formazione di strutture secondarie sul filamento di DNA appena separato legandosi cooperativamente e aumentando la velocità di riassociazione dei filamenti complementari.

I telomeri, composti da sequenze ripetute di DNA ricche in guanina, vengono mantenuti dalla telomerasi, una trascrittasi inversa che utilizza uno stampo di RNA endogeno per allungare l'estremità 5' del filamento leading, compensando l'accorciamento replicativo.

La telomerasi, un complesso ribonucleoproteico cruciale per la replicazione delle estremità cromosomiche, è silenziata in tutte le cellule somatiche differenziate a causa della metilazione del promotore del gene TERT e della conseguente repressione trascrizionale mediata da EZH2.

Il proofreading della DNA polimerasi coinvolge un'attività esonucleasica 3’→5’ che rimuove nucleotidi mal incorporati; tuttavia, questo meccanismo è interamente dipendente dall'idrolisi di dNTP trifosfato e inattivo in assenza di un corretto appaiamento delle basi.

Il sistema di riparazione degli appaiamenti sbagliati (mismatch repair, MMR) riconosce e corregge gli errori di replicazione del DNA in base alla presenza di uracile nei nuovi filamenti, distinguendo tra il filamento parentale e quello di nuova sintesi.

L'inattivazione irreversibile di S-CdK mediante ubiquitinazione e successiva degradazione proteasomica è il meccanismo principale che previene la riformazione del complesso pre-replicativo (pre-RC) immediatamente dopo l'inizio della fase S, garantendo così una singola replicazione per ciclo.

Durante la prometafase, la depolimerizzazione catastrofica dei microtubuli astrali al polo cellulare, mediata dall'azione della chinasi Aurora B, contribuisce alla destabilizzazione dei legami tra i cromosomi e il fuso mitotico, assicurando la corretta segregazione cromosomica.

In una cellula somatica umana in metafase, l'applicazione di un inibitore specifico della topoisomerasi II alfa indurrebbe un immediato disassemblaggio del fuso mitotico a causa dell'incapacità di risolvere gli anelli di DNA intercatenari persistenti, compromettendo la progressione verso l'anafase.

La fosforilazione diretta di condensine da parte della M-CdK innesca la dimerizzazione e l'assemblaggio di complessi di coesina lungo i cromosomi, promuovendo così la condensazione cromosomica durante la profase.

La proteina separasi, una volta attivata dal complesso APC/C (Anaphase-Promoting Complex/Cyclosome), cliva specificamente la securina, consentendo il rilascio e la successiva attivazione della chinasi Aurora B, essenziale per la correzione degli attacchi dei microtubuli al cinetocore durante la prometafase.

Il blocco del checkpoint del danno al DNA in G2, indotto dall'esposizione a radiazioni ionizzanti, dipende esclusivamente dall'attivazione di ATM (Ataxia Telangiectasia Mutated) e dalla successiva fosforilazione di Chk2, in assenza di qualsiasi contributo significativo da parte di ATR (Ataxia Telangiectasia and Rad3-related) e Chk1.

Durante la transizione metafase-anafase, l'attivazione del complesso APC/C è innescata dalla chinasi M-CdK tramite fosforilazione diretta, facilitando l'ubiquitinazione e la successiva degradazione della ciclina B, portando alla diminuzione dell'attività della M-CdK e all'inizio dell'anafase.

In una cellula aploide di Saccharomyces cerevisiae (lievito di birra) che subisce mitosi, la perdita di funzione del gene CDC20, che codifica per un attivatore del complesso APC/C, comporterebbe un arresto irreversibile in metafase a causa dell'incapacità di degradare la securina e attivare la separasi, indipendentemente dallo stato dei checkpoint del fuso.

Una concentrazione elevata della proteina codificata dal cromosoma 21, derivante dalla trisomia, innesca direttamente la cascata di eventi proteolitici e di fosforilazione che portano alla formazione di placche amiloidi e grovigli neurofibrillari esclusivamente nelle regioni ippocampali, manifestando selettivamente deficit di memoria spaziale a lungo termine e risparmiando le funzioni esecutive.

Nella replicazione del DNA, le DNA polimerasi sono in grado di iniziare la sintesi de novo a partire da un filamento stampo completamente privo di innesco (primer) e di elaborare sia filamenti leading che lagging con la stessa efficienza e fedeltà, indipendentemente dalla complessità strutturale della cromatina circostante.

Il meccanismo replicativo del DNA, sia nei procarioti che negli eucarioti, procede secondo un modello conservativo, in cui la doppia elica parentale rimane intatta e funge da stampo per la sintesi di una nuova doppia elica, garantendo così la perpetuazione della sequenza originale senza alcuna mescolanza con il materiale neo-sintetizzato.

Le elicasi, durante la replicazione del DNA, idrolizzano i legami fosfodiesterici all'interno della struttura elicoidale, denaturando termicamente la doppia elica e creando istantaneamente una regione localizzata di DNA a singolo filamento, stabilizzata da specifiche proteine destabilizzanti l'elica prima dell'intervento delle DNA polimerasi.

La sindrome di Down è sempre causata dalla non-disgiunzione meiotica del cromosoma 21 durante la gametogenesi materna, escludendo categoricamente la possibilità di mosaicismo o traslocazioni robertsoniane come meccanismi patogenetici alternativi.

La rimozione degli inneschi di RNA, necessari per l'inizio della sintesi dei frammenti di Okazaki durante la replicazione del filamento lagging, è catalizzata da una specifica esonucleasi con attività 5'→3', la quale idrolizza i legami fosfodiesterici tra i ribonucleotidi, lasciando intatti i desossiribonucleotidi nel filamento di DNA.

L'assenza di attività telomerasica nelle cellule somatiche umane determina un progressivo accorciamento dei telomeri ad ogni ciclo replicativo, innescando un meccanismo di senescenza replicativa mediato esclusivamente dall'attivazione del checkpoint del danno al DNA dipendente da p53, senza coinvolgimento di altre vie di segnalazione o fattori pro-infiammatori.

La duplicazione del DNA inizia in una singola sequenza di nucleotidi, detta punto di origine della duplicazione, in cui però l'enzima DNA girasi (topoisomerasi II) aumenta la tensione torsionale davanti alla forcella di replicazione, aiutando le elicasi nel processo di apertura della doppia elica, e prevenendo la formazione di superavvolgimenti positivi a valle.