I micronuclei derivano principalmente da frammenti di cromosomi acentrici o cromosomi interi in ritardo che non sono inclusi nei nuclei figli prodotti dalla mitosi perché non riescono ad attaccarsi correttamente al fuso durante la segregazione dei cromosomi in anafase. Questi cromosomi interi o frammenti di cromatidi sono infine racchiusi da una membrana nucleare e sono strutturalmente simili ai nuclei convenzionali, anche se di dimensioni inferiori. Questo piccolo nucleo viene chiamato micronucleo. La formazione di micronuclei può essere osservata solo in cellule sottoposte a divisione nucleare e può essere vista chiaramente usando la citochalasina B per bloccare la citochinesi e produrre cellule binucleate.
I frammenti cromosomici eccentrici possono sorgere in una varietà di modi. Un modo è che la riparazione delle rotture del doppio filamento di DNA può portare a scambi di cromatidi e cromosomi simmetrici o asimmetrici, così come a frammenti di cromatidi e cromosomi. Se il danno al DNA supera la capacità di riparazione della cellula, le rotture non riparate del DNA a doppio filamento possono anche portare a frammenti cromosomici acentrici. Un altro modo in cui i frammenti cromosomici eccentrici possono sorgere è quando i difetti nei geni relativi alla riparazione omologa ricombinativa (es: ATM, BRCA1, BRCA2, e RAD51) provocano una disfunzione della via di riparazione omologa ricombinativa del DNA senza errori e induce la cellula a ricorrere alla via di riparazione NHEJ (non-homologous end-joining) soggetta a errori, aumentando la probabilità di riparazione errata delle rotture del DNA, la formazione di cromosomi dicentrici e frammenti cromosomici acentrici. Se anche gli enzimi della via di riparazione NHEJ sono difettosi, le rotture del DNA potrebbero non essere riparate affatto. Inoltre, la riparazione simultanea per escissione di basi danneggiate o inappropriate incorporate nel DNA che si trovano in prossimità e su filamenti di DNA complementari opposti può portare a rotture del DNA a doppio filamento e alla formazione di micronuclei, specialmente se la fase di riempimento dei vuoti della via di riparazione non viene completata.
I micronuclei possono anche formarsi da cromosomi frammentati quando i ponti nucleoplasmatici (NPB) si formano, si allungano e si rompono durante la telofase.
La formazione di micronuclei può anche derivare dalla malsegregazione dei cromosomi durante l’anafase. L’ipometilazione della citosina nelle aree centromeriche e pericentromeriche e le ripetizioni di ordine superiore del DNA satellite nel DNA centromerico possono risultare in tali eventi di perdita cromosomica. Il DNA satellite classico è normalmente fortemente metilato nei residui di citosina, ma può diventare quasi completamente non metilato a causa della sindrome ICF (sindrome da immunodeficienza, instabilità del centromero e anomalie facciali) o dopo il trattamento con inibitori della DNA metil transferasi. Poiché l’assemblaggio delle proteine del cinetocoro ai centromeri è influenzato dalla metilazione della citosina e delle proteine istone, una riduzione dell’integrità dell’eterocromatina come risultato dell’ipometilazione può interferire con l’attacco dei microtubuli ai cromosomi e con il rilevamento della tensione dalle corrette connessioni microtubulo-cinetocoro. Altre possibili cause di perdita cromosomica che potrebbero portare alla formazione di micronuclei sono difetti nelle interazioni tra cinetocoro e microtubulo, difetti nell’assemblaggio del fuso mitotico, difetti del check point della mitosi, amplificazione anormale del centrosoma e fusioni delle estremità telomeriche che risultano in cromosomi dicentrici che si staccano dal fuso durante l’anafase. I micronuclei originati da eventi di perdita cromosomica e frammenti di cromosomi acentrici possono essere distinti utilizzando sonde di DNA pancentromerico.