Il punto di collegamento tra cromosomi e fuso durante la divisione cellulare
Il cinetocore è un grande complesso proteico che si assembla nella regione del centromero dei cromosomi e svolge una funzione fondamentale durante la divisione cellulare. È attraverso il cinetocore che i cromosomi interagiscono con i microtubuli del fuso mitotico o meiotico e vengono distribuiti correttamente alle cellule risultanti.
Dopo la replicazione del DNA, ogni cromosoma duplicato è formato da due cromatidi fratelli.
Su ciascun cromatidio si organizza un cinetocore nella regione centromerica. Durante la divisione, questi complessi permettono al sistema del fuso di orientare, controllare e infine separare correttamente il materiale genetico.
Il cinetocore non è quindi soltanto un semplice punto di ancoraggio: è una vera macchina molecolare capace di interagire con i microtubuli, percepire la correttezza degli attacchi e partecipare ai sistemi di controllo che regolano la segregazione dei cromosomi.
Per comprendere pienamente questa funzione è utile conoscere la differenza tra cromosoma e cromatidi e le principali fasi di mitosi e meiosi.
Che cos’è il cinetocore?
Il cinetocore è un complesso macromolecolare costituito da numerose proteine che si organizza sulla cromatina centromerica.
La sua funzione principale è creare un’interfaccia tra il cromosoma e i microtubuli del fuso. Attraverso questa interazione, il cromosoma può essere orientato e spostato durante la divisione cellulare.
In un cromosoma duplicato sono presenti due cromatidi fratelli e ciascun cromatidio possiede il proprio cinetocore.
Durante la mitosi, i cinetocori dei due cromatidi fratelli vengono normalmente orientati verso poli opposti del fuso. Questo permette, al momento opportuno, di separare i cromatidi e distribuirli nelle due cellule figlie.
Dove si trova il cinetocore?
Il cinetocore si forma normalmente nella regione del centromero, una parte specializzata del cromosoma essenziale per la corretta segregazione del materiale genetico.
Nei cromosomi umani il centromero è visibile nei cromosomi condensati come una costrizione primaria.
In questa regione si trova una particolare cromatina caratterizzata dalla presenza della proteina CENP-A, una variante dell’istone H3 fondamentale per specificare l’identità centromerica e favorire l’assemblaggio del cinetocore.
Il cinetocore si sviluppa quindi sulla cromatina centromerica, ma centromero e cinetocore non sono sinonimi.
Qual è la differenza tra centromero e cinetocore?
La distinzione tra centromero e cinetocore è uno dei concetti più importanti per comprendere la segregazione cromosomica. Il centromero è una regione specializzata del cromosoma e della relativa cromatina.
Il cinetocore è invece il complesso proteico che si organizza su quella regione e permette l’interazione con i microtubuli del fuso.
| Centromero | Cinetocore |
|---|---|
| Regione specializzata del cromosoma | Complesso macromolecolare proteico |
| Comprende cromatina centromerica | Si assembla sulla cromatina centromerica |
| Contribuisce all’identità e organizzazione cromosomica | Media il collegamento con i microtubuli del fuso |
| È presente come regione cromosomica durante il ciclo cellulare | La sua composizione cambia durante il ciclo cellulare |
Possiamo quindi considerare il centromero come la regione cromosomica sulla quale viene organizzato il sistema del cinetocore.
Come è fatto il cinetocore?
Il cinetocore umano è formato da numerose proteine organizzate in complessi funzionali.
Le descrizioni classiche al microscopio elettronico distinguevano più strati o placche, ma oggi la struttura viene descritta soprattutto distinguendo un cinetocore interno e un cinetocore esterno.
Il cinetocore interno
Il cinetocore interno è strettamente associato alla cromatina del centromero. Uno degli elementi fondamentali è CENP-A, una variante dell’istone H3 presente nei nucleosomi centromerici.
La cromatina contenente CENP-A favorisce il reclutamento di numerose proteine che costituiscono la Constitutive Centromere-Associated Network, indicata con la sigla CCAN. Fanno parte di questa rete diverse proteine CENP, tra cui CENP-C, CENP-N e CENP-T.
Il cinetocore interno costituisce quindi l’interfaccia tra la cromatina centromerica e le componenti più esterne che interagiranno con il fuso.
Il cinetocore esterno
Il cinetocore esterno si organizza soprattutto quando la cellula entra in divisione ed è responsabile dell’interazione diretta con i microtubuli. Uno dei sistemi fondamentali è il network KMN, costituito da complessi che comprendono KNL1, MIS12 e NDC80.
In particolare, il complesso NDC80 partecipa direttamente al collegamento tra cinetocore e microtubulo. Il cinetocore esterno ospita inoltre numerosi regolatori coinvolti nel controllo della correttezza degli attacchi e nella segnalazione del checkpoint del fuso.
Che cosa sono i microtubuli del fuso?
I microtubuli sono componenti del citoscheletro costituiti principalmente da tubulina α e β. Durante la divisione cellulare partecipano alla formazione del fuso, una struttura dinamica che permette di organizzare e distribuire i cromosomi.
I microtubuli che interagiscono direttamente con i cinetocori vengono chiamati microtubuli del cinetocore. La loro dinamica di polimerizzazione e depolimerizzazione, insieme all’attività delle proteine associate, contribuisce al movimento dei cromosomi.
Quando si collegano i microtubuli al cinetocore?
L’interazione tra microtubuli e cinetocori inizia generalmente durante la prometafase della mitosi, dopo che la disgregazione dell’involucro nucleare rende i cromosomi accessibili ai microtubuli del fuso.
Gli attacchi iniziali non sono necessariamente corretti. La cellula possiede meccanismi in grado di destabilizzare le configurazioni inappropriate e favorire progressivamente la formazione dell’orientamento corretto.
Durante la metafase, i cromosomi correttamente biorientati risultano allineati sulla piastra metafasica. Per questo motivo non è preciso affermare che i microtubuli si attacchino ai cromosomi soltanto durante la metafase: il processo di cattura e correzione inizia prima e prosegue fino al raggiungimento di una configurazione stabile.
Che cos’è la biorientazione dei cromosomi?
Nella mitosi, la corretta segregazione richiede normalmente che i cinetocori dei due cromatidi fratelli siano collegati a microtubuli provenienti da poli opposti.
Questa configurazione prende il nome di biorientazione.
Quando gli attacchi sono corretti, le forze provenienti dai due poli generano tensione attraverso la regione centromerica. Questa situazione contribuisce a segnalare alla cellula che il cromosoma è correttamente orientato.
Soltanto quando tutti i cromosomi hanno raggiunto configurazioni compatibili con una corretta segregazione, la cellula può procedere normalmente verso l’anafase.
Qual è il ruolo del cinetocore nella metafase?
Durante la metafase, i cinetocori partecipano al mantenimento dell’allineamento dei cromosomi sulla piastra metafasica. I microtubuli provenienti dai poli opposti interagiscono con i cinetocori e generano forze che contribuiscono a mantenere i cromosomi nella corretta posizione.
Il cinetocore non svolge però una funzione puramente meccanica: ospita anche proteine coinvolte nel controllo della qualità degli attacchi.
Che cos’è lo spindle assembly checkpoint?
Lo spindle assembly checkpoint, o checkpoint del fuso, è un sistema di controllo che impedisce alla cellula di iniziare prematuramente la separazione dei cromatidi.
Se un cinetocore non è correttamente collegato al fuso, viene generato un segnale che contribuisce a ritardare l’ingresso in anafase. In questo modo la cellula dispone di più tempo per correggere gli attacchi errati.
Quando tutti i cromosomi risultano adeguatamente collegati, il segnale inibitorio viene progressivamente rimosso e la cellula può procedere verso la separazione dei cromatidi fratelli.
Il cinetocore svolge quindi contemporaneamente una funzione meccanica e una funzione regolatoria.
Che cosa succede al cinetocore durante l’anafase?
Durante l’anafase mitotica viene rimossa la coesione che mantiene associati i cromatidi fratelli. I cromatidi si separano e ciascuno diventa un cromosoma indipendente.
I microtubuli collegati ai cinetocori, insieme ad altri componenti del fuso, contribuiscono al movimento dei cromosomi verso poli opposti.
Non è quindi corretto immaginare semplicemente che il centromero “si spezzi”. La separazione dipende dalla regolazione delle proteine di coesione e dal sistema molecolare che controlla l’ingresso in anafase.
Qual è il ruolo del cinetocore nella meiosi?
Il cinetocore svolge un ruolo essenziale anche nella meiosi, ma l’orientamento dei cromosomi cambia tra meiosi I e meiosi II.
Il cinetocore nella meiosi I
Nella meiosi I devono essere separati i cromosomi omologhi, mentre i cromatidi fratelli devono rimanere associati. Per ottenere questo risultato, i cinetocori dei cromatidi fratelli appartenenti allo stesso cromosoma vengono funzionalmente co-orientati verso lo stesso polo del fuso.
I cromosomi omologhi, invece, sono orientati verso poli opposti. Durante l’anafase I vengono quindi separati i cromosomi omologhi, mentre la coesione nella regione centromerica mantiene ancora associati i cromatidi fratelli.
Il crossing-over che contribuisce a mantenere collegati i cromosomi omologhi avviene precedentemente, durante la profase I, e non durante la metafase I. Per approfondire questa distinzione puoi leggere l’articolo sui cromosomi omologhi e il loro comportamento durante la meiosi.
Il cinetocore nella meiosi II
Durante la meiosi II il comportamento dei cinetocori diventa più simile a quello osservato nella mitosi. I cinetocori dei cromatidi fratelli vengono orientati verso poli opposti e, durante l’anafase II, i cromatidi vengono separati.
La differenza tra meiosi I e meiosi II è quindi essenziale: nella prima divisione si separano i cromosomi omologhi, nella seconda i cromatidi fratelli.
Che rapporto esiste tra CENP-A e cinetocore?
CENP-A è una delle proteine più importanti per l’identità del centromero e per l’assemblaggio del cinetocore. È una variante specializzata dell’istone H3 che viene incorporata nei nucleosomi della cromatina centromerica.
La presenza di CENP-A favorisce il reclutamento delle proteine del cinetocore interno e permette quindi di definire il sito sul quale verrà assemblato il complesso funzionale. È però importante non estendere questa caratteristica a tutte le proteine del cinetocore: la maggior parte dei componenti del cinetocore non è costituita da varianti istoniche.
Il cinetocore è uguale in tutti gli organismi?
La funzione fondamentale del cinetocore è ampiamente conservata negli eucarioti, ma l’organizzazione dei centromeri e dei cinetocori può variare significativamente tra le specie.
Nel lievito Saccharomyces cerevisiae, per esempio, il centromero è molto piccolo e definito da una sequenza relativamente breve di DNA. In altri eucarioti, compreso l’essere umano, i centromeri sono molto più estesi e la loro identità dipende in larga parte dall’organizzazione epigenetica della cromatina.
Esistono inoltre organismi con cromosomi olocentrici, nei quali l’attività cinetocorica non è concentrata in una singola regione puntiforme ma è distribuita lungo una porzione molto più ampia del cromosoma.
Un esempio importante è il nematode Caenorhabditis elegans, un organismo modello a vita libera ampiamente utilizzato nella ricerca biologica.
Che cosa sono i neocentromeri?
I neocentromeri sono regioni cromosomiche che acquisiscono la capacità di comportarsi come centromeri funzionali pur trovandosi in posizioni nelle quali normalmente non è presente un centromero convenzionale.
Possono reclutare CENP-A e permettere l’assemblaggio di un cinetocore funzionale anche senza possedere necessariamente le tipiche sequenze ripetitive caratteristiche di molti centromeri umani.
La loro esistenza rappresenta una delle dimostrazioni più importanti del ruolo dell’organizzazione epigenetica nella determinazione dell’identità centromerica.
I neocentromeri possono comparire in associazione a riarrangiamenti cromosomici oppure, più raramente, in altri contesti. Le conseguenze dipendono dalla configurazione cromosomica complessiva e non è corretto associare automaticamente la loro presenza a malformazioni o infertilità.
Che cosa succede se il cinetocore non funziona correttamente?
Un funzionamento alterato del cinetocore può compromettere la corretta segregazione dei cromosomi.
Se un cromosoma viene collegato in modo scorretto al fuso o se i sistemi di controllo non riescono a correggere l’errore, le cellule figlie possono ricevere un numero anomalo di cromosomi.
Queste condizioni possono contribuire alla formazione di aneuploidie.
Gli errori di segregazione cromosomica sono particolarmente importanti durante la meiosi, perché possono determinare gameti con un numero alterato di cromosomi, ma possono verificarsi anche durante le divisioni mitotiche.
Per comprendere come cromosomi e cromatidi vengono distribuiti durante la divisione puoi approfondire l’argomento nell’articolo su mitosi e meiosi.
Domande frequenti sul cinetocore
Che cos’è il cinetocore?
Il cinetocore è un complesso macromolecolare che si assembla sulla regione centromerica dei cromosomi e permette il collegamento con i microtubuli del fuso durante la divisione cellulare.
Dove si trova il cinetocore?
Si organizza normalmente nella regione del centromero. Nei cromosomi duplicati è presente un cinetocore per ciascun cromatidio fratello.
Qual è la differenza tra centromero e cinetocore?
Il centromero è una regione specializzata della cromatina cromosomica. Il cinetocore è invece il complesso proteico che si assembla sul centromero e interagisce con i microtubuli del fuso.
Qual è la funzione del cinetocore?
Permette l’aggancio dei cromosomi ai microtubuli, contribuisce al loro movimento e partecipa ai sistemi di controllo che verificano la correttezza della segregazione cromosomica.
Quando i microtubuli si legano al cinetocore?
Nella mitosi l’interazione inizia generalmente durante la prometafase e viene progressivamente stabilizzata e corretta fino alla metafase.
Che cos’è CENP-A?
CENP-A è una variante dell’istone H3 presente nella cromatina centromerica e fondamentale per l’identità del centromero e per il reclutamento delle proteine che formano il cinetocore.
Il cinetocore funziona allo stesso modo nella mitosi e nella meiosi?
La funzione generale di collegamento al fuso è conservata, ma cambia l’orientamento. In mitosi e meiosi II i cromatidi fratelli vengono orientati verso poli opposti; nella meiosi I i cinetocori fratelli dello stesso cromosoma vengono invece co-orientati per consentire la separazione dei cromosomi omologhi.
Cinetocore: cosa ricordare
Il cinetocore è una complessa macchina molecolare che collega i cromosomi ai microtubuli del fuso e contribuisce alla corretta distribuzione del materiale genetico durante la divisione cellulare.
Si organizza sulla cromatina del centromero e comprende una regione interna, collegata alla cromatina centromerica, e componenti esterne che interagiscono direttamente con i microtubuli.
La sua funzione non è soltanto meccanica: il cinetocore partecipa anche al controllo degli attacchi attraverso il checkpoint del fuso, contribuendo a impedire una separazione prematura o errata dei cromosomi.
Per ricordare il concetto è utile distinguere sempre tre elementi: il centromero è la regione cromosomica, il cinetocore è il complesso che si assembla su di essa e i microtubuli sono le strutture del fuso che interagiscono con il cinetocore per guidare la segregazione dei cromosomi.
