Le cellule del corpo umano e animale contengono un doppio set di cromosomi. Una metà del materiale genetico proviene dalla madre, l’altra dal padre.
Durante la formazione degli spermatozoi o degli ovuli, questo doppio corredo cromosomico deve essere dimezzato per formare un singolo corredo. Questo avviene durante il processo noto come meiosi. In questo processo, una cellula con un doppio corredo cromosomico dà origine a cellule figlie con un singolo corredo cromosomico. Questa dimezzamento è necessaria perché, durante la fecondazione, due cellule germinali – e quindi il loro materiale genetico – si fondono. Successivamente, si ha di nuovo un doppio corredo cromosomico. Se ciò non accadesse, il numero di cromosomi raddoppierebbe da una generazione all’altra a causa della fusione delle cellule germinali.
Per garantire una distribuzione uniforme dei cromosomi durante la meiosi, le versioni materna e paterna dello stesso cromosoma devono localizzarsi all’interno della cellula e appaiarsi temporaneamente. Questo non è un compito facile nell’enorme e disordinato ambiente del nucleo cellulare. Durante la fase di appaiamento, è fondamentale evitare a tutti i costi eventuali errori di appaiamento, per impedire una distribuzione errata dei cromosomi.
Ma come fanno effettivamente le coppie di cromosomi a trovarsi? I ricercatori dell’ETH, guidati da Madhav Jagannathan, professore presso il Dipartimento di Biochimica, e dalla sua dottoranda Lena Skrutl, hanno ora studiato – prendendo come esempio la formazione degli ovuli nelle femmine di moscerino della frutta ( Drosophila ) – come questo processo di “abbinamento” avvenga nel nucleo cellulare, giungendo a una scoperta sorprendente.
Non più “spazzatura” genetica
Da tempo gli scienziati sanno che ampie porzioni dei genomi animali sono composte da sequenze di DNA ripetitive. Note come DNA satellite, queste ripetizioni erano considerate dagli esperti come “DNA spazzatura” inutile, poiché non contengono le istruzioni per la sintesi proteica. Inoltre, altri ricercatori non sono stati in grado di attribuire alcun ruolo al DNA satellite durante la meiosi. Infatti, anche rimuovendo queste ripetizioni di DNA satellite da un solo cromosoma, l’appaiamento cromosomico procedeva comunque senza errori.
Ora, sulla rivista Nature Communications , i ricercatori dell’ETH hanno dimostrato che i pattern unici del DNA satellite su ciascuna coppia di cromosomi, paragonabili a un codice a barre su un prodotto al supermercato, aiutano i cromosomi corrispondenti a trovarsi.
Il DNA spazzatura diventa un sensale
I ricercatori dell’ETH guidati dal professor Jagannathan sostengono che non è sufficiente rimuovere il DNA satellite da un solo cromosoma. Con un solo “codice a barre” alterato, tutte le altre coppie di cromosomi con “codici a barre” di DNA satellite intatti possono ritrovarsi. In definitiva, rimane solo la coppia di cromosomi da cui i ricercatori hanno rimosso il codice a barre. Si ritrovano come le ultime due carte coperte in una partita a Memory.
Pertanto, i ricercatori dell’ETH hanno rimosso il codice a barre del DNA satellite da due cromosomi diversi, lasciando le due coppie senza alcuna guida.
E infatti: senza il loro codice a barre, la selezione dei partner è andata storta e ha fallito, il che significa che i cromosomi si sono spesso agganciati ai partner sbagliati. “Questo ci ha dimostrato che il DNA satellite funziona come un ausilio al riconoscimento e garantisce che i cromosomi che appartengono allo stesso gruppo possano trovarsi in modo affidabile”, afferma Lena Skrutl, autrice principale dello studio.
Una proteina simile a una colla lega i cromosomi corrispondenti
Il semplice riconoscimento reciproco, tuttavia, non è sufficiente. I ricercatori hanno scoperto che l’appaiamento cromosomico richiede anche una “colla” molecolare per “unire” correttamente i due cromosomi. Una proteina chiamata D1 svolge questo ruolo: riconosce i codici a barre corrispondenti sui cromosomi che appartengono alla stessa coppia, li lega e li fa aderire l’uno all’altro.
Tuttavia, se il modello di riconoscimento su uno dei due cromosomi viene alterato – ad esempio, se parte del codice a barre viene eliminata o si verificano cambiamenti dovuti a mutazioni naturali – la proteina D1 può unire due cromosomi che non dovrebbero stare insieme. L’appaiamento, quindi, risulta errato.
“La nostra ricerca risponde alla domanda su come le coppie di cromosomi si riconoscano a vicenda nel moscerino della frutta Drosophila , in modo che la meiosi proceda correttamente”, afferma il professor Jagannathan dell’ETH. Non è ancora stato studiato se questo meccanismo sia universale e se, ad esempio, svolga un ruolo anche negli esseri umani.
«Sebbene abbiamo condotto una ricerca di base pura sull’organismo modello Drosophila , crediamo che sia possibile che questo meccanismo di appaiamento si verifichi anche in altre specie». Una cosa, tuttavia, è già chiara a Jagannathan: «Il termine “DNA spazzatura” non è più appropriato. Dimostriamo chiaramente che questa cosiddetta spazzatura ha una funzione importante durante la meiosi nel moscerino della frutta», sottolinea.
Possibile ruolo nella speciazione
Le nuove scoperte spiegano anche come nascono nuove specie. Il DNA satellite cambia molto più rapidamente del resto del genoma. Finché gli individui di una specie si riproducono tra loro, i codici a barre del DNA satellite rimangono simili in tutta la popolazione grazie al costante mescolamento del materiale genetico.
Gli individui con modelli di riconoscimento che differiscono eccessivamente presentano difetti nella meiosi e non sono in grado di riprodursi.
Tuttavia, se una popolazione di una specie animale si isola geograficamente – ad esempio, a causa della formazione di una catena montuosa nel corso di milioni di anni – il DNA satellite di entrambi i gruppi si evolve indipendentemente l’uno dall’altro. Quando i due gruppi si incontrano nuovamente dopo un lungo periodo di tempo, i modelli di riconoscimento dei cromosomi non corrispondono più. Il risultato: gli animali non possono più riprodursi e una specie si divide in due.
“Gli studi sugli incroci tra Drosophila melanogaster e la sua parente Drosophila simulans sono coerenti con questa idea”, afferma Jagannathan. Le due specie si sono separate due o tre milioni di anni fa. I codici a barre dei loro cromosomi ora differiscono così tanto che negli ibridi si verificano massicci difetti di appaiamento cromosomico durante la meiosi.
Nature Communications: “Meiotic pairing through barcode-like satellite DNA repeats”. DOI: 10.1038/s41467-026-74398-x