Biologia Applicata - Biologia Dello Sviluppo

BIOLOGIA DELLO SVILUPPO

RIPRODUZIONE SESSUATA La fecondazione è l’unione delle cellule germinali maschile e femminile.

Cellula uovo: di grandi

dimensioni e immobile, ricca di materiali nutritivi destinati allo sviluppo dell’embrione.

Spermatozoo: piccolo e

mobile per la presenza di una lunga struttura assile dotata di movimento (flagello)

RIPRODUZIONE SESSUATA •

La fecondazione porta alla ricostituzione del numero diploide di cromosomi

•

Nei mammiferi stimola l’oocita secondario a completare la meiosi

•

Comporta la determinazione del sesso

•

Dà il via alla segmentazione

RIPRODUZIONE SESSUATA Fecondazione esterna: i gameti si incontrano all’esterno del corpo. I due partner emettono simultaneamente uova e spermatozoi direttamente nell’ambiente acquatico. I gameti sopravvivono per poco tempo: cibo per piccoli organismi. Ma il numero dei gameti è così elevato che un numero sufficiente di essi si incontrano e si uniscono: sopravvivenza specie.

RIPRODUZIONE SESSUATA Fecondazione interna:

il maschio rilascia gli spermatozoi direttamente nelle vie genitali della femmina e l’ambiente interno fornisce il medium acquatico necessario al movimento degli spermatozoi fino all’incontro con le cellule uovo.

RIPRODUZIONE SESSUATA

La fecondazione avviene nella parte superiore delle tube di Falloppio, mentre l’embrione (una pallina di 32 cellule) viene sospinto nell’utero dalle ciglia che rivestono l’ovidotto

STRUTTURA DELLO SPERMATOZOO TESTA: costituita da nucleo e acrosoma (derivante dal Golgi), che contiene gli enzimi litici necessari per penetrare la cellula uovo

TRATTO INTERMEDIO:

contiene i mitocondri, che forniscono l’energia necessaria al movimento del flagello

CODA (FLAGELLO)

STRUTTURA DELLO SPERMATOZOO

STRUTTURA DELLO SPERMATOZOO

STRUTTURA DELLO SPERMATOZOO

4

2

3 5 6 1

OOGENESI

L’ovogenesi è lo sviluppo della cellula-uovo nell'apparato genitale femminile, che é costituito dalle ovaie (nelle quali vengono prodotti gli ovociti) e dall'utero rivestito internamente dall'endometrio nel quale s'impianta l'uovo fecondato. L’ovulo durante lo sviluppo è detto ovocita. Esso si trasforma in cellula-uovo, appunto, nel processo di ovogenesi che comprende delle mitosi e due meiosi.

OOGENESI Fase Prenatale Fase moltiplicativa degli oogoni: dalla 15a alla 24a settimana di vita fetale quando diventano circa 7 milioni

Fase Postnatale Prima divisione meiotica: gli oogoni entrano nella profase meiotica diventando oociti primari. Questo processo continua fino a 6 mesi dopo la nascita: gli oociti primari (circa 1 milione) restano in uno stadio di quiescenza che si prolunga attraverso l’infanzia fino alla pubertà (400). Tale stadio può durare da 12 a 50 anni (menopausa). Completamento della prima divisione meiotica: ogni mese uno (o pochi) oocita primario matura in oocita secondario che inizia la seconda divisione meiotica che si blocca in metafase II.

OOGENESI

La II divisione meiotica si completa poche ore prima dell’ovulazione (liberazione dell’oocita dalle ovaie): ovocita secondario e globulo polare.

Con la II divisione meiotica si forma anche il II globulo polare. Questa divisione ineguale ha il vantaggio di far passare quasi tutto il materiale nutritizio accumulato nell'ovocita alla cellula uovo matura. Una cellula somatica (10-20 µm) impiega 24 ore per crescere e prepararsi alla divisione cellulare. In proporzione una cellula uovo del diametro di 1000 µm e più dovrebbe impiegare un tempo molto maggiore di quello effettivamente impiegato. Se ciò non avviene é perché altre cellule cooperano alla crescita e sono le cellule nutrici e le cellule follicolari.

SVILUPPO DEI FOLLICOLI OVARICI Un’oocita primario e le cellule della granulosa che lo circondano costituiscono un follicolo. Durante la maturazione del follicolo, le cellule della granulosa proliferano formando numerosi strati (cumulo ooforo). I follicoli iniziano a maturare in pubertà, uno al mese, in risposta all’ormone FSH secreto dall’ipofisi anteriore. Intorno all’oocita in via di maturazione le cellule follicolari producono un liquido che progressivamente si raccoglie nella cavità interna al follicolo (antro).

Dopo che l'ovocita secondario é stato liberato dal follicolo (ovulazione), le restanti cellule del follicolo formano il corpo luteo che secerne progesterone (prepara l’endometrio alla gravidanza) ed altri ormoni. Se la cellula-uovo matura non é fecondata il corpo luteo viene riassorbito in circa 2 settimane. Se invece la cellula-uovo viene fecondata il corpo luteo rimane attivo (continua cioé a produrre progesterone ed altri ormoni) per circa 3 mesi. Abbandonato il follicolo l'ovocita inizia il suo viaggio nell'ovidotto e ciò avviene una volta al mese. Nell'ovidotto l'ovocita rimane circa 3 giorni e la sua capacità di essere fecondato é di circa 36 ore. Se viene fecondato esso s'impianta nell'endometrio 3-4 giorni dopo aver raggiunto l'utero.

Se la cellula uovo non viene fecondata muore e viene espulsa insieme con il rivestimento dell'endometrio.

STRUTTURA DELL’OOCITA Il citoplasma contiene il vitello o tuorlo, ricco di sostanze nutritive, soprattutto lipidi e proteine, contenute nei granuli vitellini. La cellula uovo è rivestita esternamente dalla zona pellucida (o involucro vitellino) di natura glicoproteica e da uno strato gelatinoso (jelly layer). Questi strati proteggono l'uovo dai danni meccanici. Alcune cellule uovo contengono i granuli corticali che liberano il loro contenuto nella fecondazione.

EVENTI DELLA FECONDAZIONE 1. Capacitazione dello spermatozoo 2. Penetrazione attraverso le cellule del cumulo ooforo 3. Reazione acrosomiale 4. Liberazione enzimi e penetrazione nello strato gelatinoso 5. Legame dello spermatozoo alla zona pellucida e digestione della medesima 6. Attivazione dell’ovocita e reazione corticale 7. Eventi successivi alla fecondazione

EVENTI DELLA FECONDAZIONE 1. Capacitazione dello spermatozoo Processo maturativo che, di regola, si realizza nelle vie genitali femminili dei mammiferi. Durante la capacitazione, che nella specie umana dura ore, la motilità degli spermatozoi viene incrementata e altrettanto la possibilità di svolgere la reazione acrosomiale. 2. Penetrazione attraverso le cellule del cumulo ooforo Gli spermatozoi si devono far strada tra le cellule della corona radiata (cumulo ooforo), che sono relativamente poco compattate. Alcuni spermatozoi hanno una reazione acrosomiale anticipata, con liberazione di ialuronidasi, che favorisce la disaggregazione delle cellule del cumulo. Tali spermatozoi non riusciranno però a penetrare nella zona pellucida.

EVENTI DELLA FECONDAZIONE 3. Reazione acrosomiale

La reazione acrosomiale inizia nel momento in cui la testa dello spermatozoo viene a contatto con il rivestimento esterno della cellua uovo (lo strato gelatinoso). Si liberano enzimi idrolitici e altre proteine, per rottura della vescicola acrosomiale, con intensa polimerizzazione di actina. Gli enzimi acrosomiali degradano sia lo strato gelatinoso che la zona pellucida liberando il passaggio per lo spermatozoo.

EVENTI DELLA FECONDAZIONE 4. Legame dello spermatozoo alla zona pellucida Superato lo strato gelatinoso, il legame degli spermatozoi con la zona pellucida è mediato da una proteina di tipo lectinico (bindina) e comporta un riconoscimento specie specifico. La glicoproteina ZP3 funziona come (glico)proteina di riconoscimento della bindina sulla membrana della zona pellucida.

EVENTI DELLA FECONDAZIONE

Quando avviene il contatto tra membrana vitellina ed acrosoma, gli enzimi litici disgregano la piccola porzione di membrana ovulare a cui aderisce la testa dello spermatozoo: il nucleo entra nella cellula uovo.

LA FUSIONE DEI PRONUCLEI Dopo che il nucleo spermatico è entrato nell’uovo, si rigonfia (pronucleo maschile) e viene guidato da un sistema di microtubuli verso il nucleo della cellula uovo (pronucleo femminile). I due pronuclei aploidi si fondono formando il nucleo diploide dello zigote. Contemporaneamente si duplica il DNA in previsione della prima mitosi.

ATTIVAZIONE DELL’OOCITA Il legame dello spermatozoo ai recettori dell’involucro vitellino attiva una o più vie di trasduzione del segnale all’interno della cellula uovo: •

Depolarizzazione di membrana (blocco rapido alla polispermia) ad opera dell’ingresso di sodio e calcio

•

Rilascio di calcio dai depositi intracellulari del reticolo endoplasmatico liscio

L’onda di calcio che attraversa l’oocita: •

Induce la reazione corticale (blocco lento alla polispermia)

•

Attiva il programma di sviluppo embrionale

ATTIVAZIONE DELL’OOCITA BLOCCO RAPIDO DELLA POLISPERMIA

DEPOLARIZZAZIONE DI MEMBRANA

ATTIVAZIONE DELL’OOCITA

1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0

ATTIVAZIONE DELL’OOCITA

1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 -0.2

0

5

10

15

20

25

30

35

ATTIVAZIONE DELL’OOCITA

L’ONDA DI CALCIO ATTIVA UNA SEQUENZA TEMPORALMENTE DEFINITA DI EVENTI, MEDIATA DA PROTEINE ED ENZIMI CALCIODIPENDENTI, CHE SONO RESPONSABILI DELLO SVILUPPO EMBRIONALE DELLO ZIGOTE

LA SEGMENTAZIONE SEGMENTAZIONE: serie di rapide mitosi fra le quali non sono previsti periodi di crescita cellulare  le divisioni si susseguono rapidamente e fanno aumentare il numero complessivo di cellule o blastomeri. Nelle prime fasi di sviluppo, l’embrione non mostra accrescimento dimensionale.

LA SEGMENTAZIONE Morula: embrione allo stadio di 32 cellule.

Le cellule, da 64 ad alcune centinaia, che continuano a formarsi danno origine alla blastula, costituita da un sottile strato di blastomeri disposti intorno ad una cavità piena di materiale fluido (blastocele).

LA SEGMENTAZIONE La SEGMENTAZIONE dello zigote avviene secondo meccanismi, determinati geneticamente, che dipendono dal contenuto e dalla distribuzione del vitello (proteine, fosfolipidi e grassi). Uova isolecitiche: isolecitiche poco vitello distribuito uniformemente nel citoplasma (ricci di mare e mammiferi) Uova telolecitiche: telolecitiche grandi quantità di vitello concentrato ad uno dei due poli della cellula (polo vegetativo; pesci, rettili, uccelli). L’altro polo, metabolicamente più attivo, è detto animale. Uova mesolecitiche: mesolecitiche moderatamente telolecitiche (anfibi)

SEGMENTAZIONE OLOBLASTICA La SEGMENTAZIONE OLOBLASTICA è la segmentazione completa tipa delle uova isolecitiche. Segmentazione di tipo radiale La prima divisione è verticale e divide lo zigote in 2 parti uguali. Anche la seconda è verticale, ma ad angolo retto rispetto alla prima e porta alla formazione d 4 cellule uguali. La terza divisione avviene in senso orizzontale, ad angolo retto rispetto alle precedenti e origina 8 cellule: 4 sopra e 4 sotto la linea di segmentazione.

SEGMENTAZIONE OLOBLASTICA

Segmentazione di tipo spirale Dopo le prime due divisioni, il piano della citodieresi risulta diagonale all’asse polare. Ciò determina una disposizione a spirale delle cellule, in cui ogni cellula è situata sopra e fra le due cellule adiacenti.

SEGMENTAZIONE OLOBLASTICA Segmentazione nell’uovo di rana Radiale ed oloblastica. Tuttavia, l’uovo di rana è mesolecitico, con il vitello concentrato nel polo animale. La massa inerte di vitello rallenta le divisioni in prossimità del polo vegetativo. Come risultato, la blastula appare formata da numerose piccole cellule all’emisfero animale e da poche grandi cellule all’emisfero vegetativo.

SEGMENTAZIONE MEROBLASTICA Tipica delle uova telolecitiche di uova e rettili che contengono solo una piccola porzione di citoplasma presso il polo animale. L’abbondante vitello di queste uova non subisce divisioni e le mitosi sono limitate al blastodisco, blastodisco che rappresenta una piccola area di citoplasma intorno al polo animale.

MAPPA DEI TERRITORI PRESUNTIVI I blastomeri, pur essendo indifferenziati in senso citologico, non sono equivalenti in quanto alle loro potenzialità (cellule staminali multipotenti) e, alla fine della segmentazione, è possibile tracciare con coloranti vitali le

mappe dei territori presuntivi destinati a dare in seguito origine ai diversi foglietti embrionali e, quindi, agli organi. In ognuno dei blastomeri, quindi, si avvia un programma di sviluppo che darà via ad una linea cellulare specifica.

LA GASTRULAZIONE GASTRULAZIONE:

processo dinamico che, attraverso una serie di movimenti morfogenetici, determina lo spostamento delle cellule che costituivano le diverse aree dei territori presuntivi nella sede definitiva, dove daranno origine ai foglietti embrionali.

LA GASTRULAZIONE Un gruppo di cellule migra verso l’interno per formare un’invaginazione che va a costituire il futuro intestino dell’embrione, archenteron, che comunica con l’esterno mediante un apertura, blastoporo, che corrisponde al futuro ano.

LA GASTRULAZIONE La GASTRULAZIONE cambia la simmedia radiale della blastula con la produzione di uno stadio embrionale – gastrula – formato da 3 foglietti germinativi:

Ectoderma Mesoderma Endoderma Il mesoderma si origina dopo la gastrulazione da uno dei due foglietti primari

LA GASTRULAZIONE Ciascun foglietto germinativo si svilupperà in una specifica parte dell’embrione: Ectoderma: sistema nervoso, organi di senso ed epidermide Mesoderma: notocorda (spina dorsale), scheletro, muscoli, apparato circolatorio e derma (strato interno della pelle) Endoderma: rivestimento interno del tubo digerente

INDUZIONE Le cellule della morula sono tutte geneticamente identiche (cellule staminali totipotenti) e sono in grado di trasformarsi in un qualsiasi tipo cellulare dell’organismo adulto. Dopo un certo lasso di tempo, nelle diverse parti della morula le cellule iniziano a specializzarsi, cioè ad avviare il processo di differenziamento. Nella blastula (territori presuntivi) e nella gastrula (foglietti embrionali) alcuni gruppi di cellule sono predeterminate a formare specifiche parti del corpo: SPECIFICAZIONE REGIONALE. REGIONALE

INDUZIONE L‘INDUZIONE è un fenomeno dello sviluppo embrionale, per cui un gruppo di cellule controlla lo sviluppo di un altro gruppo, mediante l'emissione di un segnale chimico (fattore di induzione). Nelle cellule bersaglio esposte all'azione di uno specifico fattore di induzione, presente a una concentrazione superiore a una determinata soglia critica, si attiva una serie di geni omeotici, omeotici diversa da quella attivata nelle cellule esposte a una concentrazione minore dello stesso fattore o a un fattore diverso. Così, a causa dell'attivazione genica differenziata, le cellule bersaglio esposte alla concentrazione maggiore si sviluppano in un tipo cellulare diverso da tutti gli altri.

Nell'embrione di rana la prima interazione induttiva importante avviene allo stadio di blastula. Le cellule dell'emisfero inferiore emettono fattori di induzione che, con l'attivazione di geni specifici, inducono la formazione del mesoderma dalla fascia di cellule intorno all'equatore della blastula. Ectoderma ed endoderma si formano nelle zone, rispettivamente esterna e interna, non raggiunte dai fattori di induzione del mesoderma.

Durante e dopo la gastrulazione, avvengono ulteriori fenomeni di induzione, nel corso dei quali ha inizio il differenziamento della notocorda (successivamente sostituita dalla colonna vertebrale) dal mesoderma e della placca neurale dall'ectoderma. Gli stadi di sviluppo successivi prendono il nome di organogenesi e comprendono i fenomeni per cui numerose interazioni induttive locali determinano la formazione e la maturazione di singoli organi.

Encefalo, notocorda e midollo spinale sono fra i primi organi che si sviluppano nell’embrione dei vertebrati

Notocorda: struttura assile flessibile, presente per tutta la lunghezza dell’embrione come un cordone di cellule. In fasi più avanzate dello sviluppo, sarà sostituita dalla colonna vertebrale.

NEURULAZIONE Alla gastrulazione segue la neurulazione, neurulazione durante la quale si forma il tubo neurale, neurale il primordio embrionale di tutto il SNC ispessimento ectoderma dorsale

1. ECTODERMA EPIDERMICO

epidermide

2. ECTODERMA NEURALE

SNC

3. CRESTA NEURALE

SNP e cellule non neurali

NEURULAZIONE 1) Ispessimento dell’ectoderma soprastante la notocorda: placca (o piastra) neurale 2) Le cellule al centro della piastra si spostano verso il basso e formano una depressione: doccia neurale 3) Le cellule situate ai lati formano le cosiddette pieghe neurali 4) Le due pieghe convergono fino a fondersi: tubo neurale, che si trova al di sotto dell’ectoderma. 5) L’ectoderma formerà lo strato epidermico 6) Il tubo neurale, nella porzione anteriore, originerà l’encefalo

NEURULAZIONE 7) Dalle restanti parti prende origine il midollo spinale 8) I nervi motori si dipanano dall’encefalo e dal midollo spinale in via di sviluppo 9) Quando le pieghe neurali si fondono a formare il tubo neurale, su ciascun lato di quest’ultimo si sviluppano piccole porizioni di tessuto nervoso (creste neurali). Da tale posizione originaria, le cellule di ciascuna cresta neurale migrano a formare i nervi sensoriali.

Parallelamente alla formazione del SN, porzioni di mesoderma (somiti) si formano sui due lati del tubo neurale. Dai somiti originano vertebre, muscoli ed altre componenti delle strutture assili del corpo.

EVOLUZIONE DEI FOGLIETTI DOPO LA NEURULAZIONE