Biologia dello sviluppo

Biologia dello sviluppo

Terminologia

La biologia dello sviluppo si occupa dello sviluppo embrionale, ovvero i meccanismi che vanno dall’uovo fecondato all’organismo pluricellulare. Partendo da una cellula, se ne formano tante che poi si assemblano a formare strutture diverse con funzioni differenti. Mentre l'embrione si costruisce da una cellula, poi deve iniziare a funzionare fin da subito. Organismo in sviluppo da uovo fecondato fino alla nascita → embrione. Lo sviluppo embrionale non è uguale in tutte le specie, c'è variabilità in durata dello sviluppo, numero di uova prodotte, uova fecondate e uova che si sviluppano. Lo sviluppo post-embrionale è il periodo che va fino alla maturità sessuale dell’organismo. Lo sviluppo embrionale è un processo lento e si occupa della crescita.

Funzioni dello sviluppo

1. Formare un nuovo organismo pluricellulare da uovo fecondato.

• Diversità durante il differenziamento cellulare in cui le cellule si differenziano.
• Morfogenesi, si forma la forma corporea nel tempo assieme a caratteristiche anatomiche originarie.
• Accrescimento, fase di crescita.

2. Assicurare la continuità della vita da una generazione a una successiva: l'organismo a maturità sessuale produce cellule gameti da cui riparte il ciclo.

Processi essenziali nello sviluppo delle cellule

• Aumento del numero di cellule grazie alla divisione cellulare.
• Differenziamento delle cellule che si specializzano.
• Interazione tra le cellule: possono cambiare colore o forma, comunicano tramite segnali che una cellula emette e un'altra risponde o con meccanismi per differenziarsi e la cellula si muove o si divide. Comunicano quindi per attività cellulari.
• Movimento cellulare.

Sviluppo diretto e indiretto

Sviluppo diretto nell’uomo si intende quando dallo sviluppo embrionale deriva un organismo con strutture e sembianze di un adulto in miniatura. Si vede in vertebrati, rettili e uccelli.

Sviluppo indiretto deriva organismo che non somiglia all'adulto ma che deve essere autosufficiente. A volte non raggiunge neanche la maturità sessuale. Viene definito larva. La larva è la prima edizione dell'animale e dovrà subire degli sviluppi tramite la metamorfosi. Le larve possono contenere riserve nutritive dette tuorlo che servono per il mantenimento. Più l'uovo è piccolo, più lo sviluppo è indiretto. Durante la metamorfosi da larva ad adulto cambiano i sistemi respiratorio, locomotore e nutrizionale.

Sviluppo embrionale nel ciclo vitale

Nei testicoli o ovari avviene la gametogenesi, dove spermatozoi e ovuli si incontrano e avviene la fecondazione con formazione di gameti.

Tipi di animali secondo lo sviluppo

• Animali ovipari: invertebrati, pesci, anfibi, rettili, uccelli, sono quelli che depongono uova nell’ambiente esterno. Si possono sviluppare in modo diretto o indiretto.
• Animali vivipari: mammiferi placentati, non depongono uova. Le uova sono prive di tuorlo nutritizio e lo sviluppo avviene all’interno del corpo della madre che protegge, nutre e lo fa respirare.
• Animali ovovivipari: via di mezzo tra i due: uova di grosse dimensioni con materiale trofico nutritizio, ma lo sviluppo avviene nel corpo interno della madre che protegge e fa scambi respiratori. Accrescimento e nutrimento dipendono dal tuorlo che è all’interno dell’uovo.

Approcci sperimentali per studiare la biologia

• Embriologia sperimentale: esperimenti di microchirurgia su modelli di facile reperibilità come rane e salamandre. Sono induzioni sperimentali, ovvero segnali chimici controllano le vie dello sviluppo.
• Genetica dello sviluppo: identificazione dei geni che controllano lo sviluppo, ovvero i geni omeotici presenti nella drosophila.
• Biologia molecolare e cellulare: tecniche che studiano come le cellule comunicano attraverso segnali chimici. Questi segnali continuano in tempi successivi e sono presenti anche nell’adulto.

La biologia dello sviluppo ha una posizione fondamentale nell’era moderna e ha rilevanza in campo medico e tecnologico. Ad esempio, tecniche di fecondazione in vitro e sviluppo delle tecnologie delle cellule staminali permettono di capire malattie legate allo sviluppo, quali siano basi cromosomiche di malformazioni che risultano alla nascita, quali geni poi regolano e modificano lo sviluppo. Si capisce la sensibilità a teratogeni che sono fattori ambientali che causano malformazioni già dalla nascita come farmaci, prodotti chimici, radiazioni, infezioni virali. Si capisce il funzionamento delle cellule nell’embrione e nei tessuti dell’adulto.

Componenti molecolari e cellulari dello sviluppo

• Geni.
• Molecole segnale: molecole chimiche che le cellule producono e che fanno sì che le cellule diventino diverse e questi segnali guidano i vari momenti dello sviluppo.
• Segnale induttivo: segnale che una cellula induce e una vicina risponde attraverso un comportamento. Si crea diversità cellulare. Segnale si diffonde nel campo di cellule vicine che però devono avere meccanismo per rispondere al segnale.

Le cellule vicine diventano di colore diverso, le cellule cambiano colore e diventano blu. Quanti tipi di segnali si devono scambiare? Più segnali. Ormoni fanno da segnale ma prima deve essere prodotto da tessuti specializzati, e a distanza messi in circolo nel sangue vanno a interagire su cellule bersaglio. Sono segnali che funzionano a raggio breve.

Tipi di segnalazione

• Segnali paracrini: la cellula esocita segnali, la cellula vicina risponde diventando azzurra. Sono segnali che reagiscono con la cellula vicina, cellula che risponde a fattori deve essere competente ovvero avere recettore per segnale.
• Segnale iuxtacrino: segnale trasmesso tramite contatto cellula-cellula, segnale non diffonde nell’ambiente extracellulare. Segnale diffonde sulla membrana e segnale è proteina trans-membrana.
• Segnalazione autocrina: la cellula produce segnale e ha recettore sulla membrana per rispondere al segnale stesso.

Tutte queste erano segnalazioni a corto raggio. Segnalazioni a lungo raggio detti morfogeni. Caratteristiche: molecole solubili e diffusibili e formano gradienti di concentrazione mentre diffondono, gradiente supera campo di cellule che si trova in questo gradiente. All’inizio cellule si influenzano le une con le altre e sono attraversate da gradiente di concentrazione che va da sinistra verso destra. Un morfogeno può specificare più di un tipo cellulare e hanno destini diversi in base alla conformazione, le cellule acquistano un’informazione in rapporto alla posizione nella concentrazione di morfogeno. Assi spaziali morfogeno è meccanismo proposto per iniziare meccanismo nella formazione del pattern, è un’organizzazione spazio temporale ordinata che cambia nel tempo per fare sì che si crei una struttura ben definita. Cellule devono ricevere due tipi di informazione detta informazione di posizione dovuta da destino spaziale e destino istologico.

Meccanismi di sviluppo

I meccanismi di sviluppo possono essere più o meno complessi. Morfogenesi → genesi della forma, con lo sviluppo man mano si definisce la forma. Cellule migranti raggiungono le destinazioni, si formano tessuti da cellule, tessuti costituiscono organi, organi si formano in sedi particolari, organi si accrescono, organi acquisiscono la polarità. Esistono diverse strategie di sviluppo a seconda della complessità. Tutte le strutture dell’organismo che si sta formando non avvengono alla stessa velocità, questo è detto aspetto morfogenetico. Nell’uomo dall’8 settimana il corpo è formato e l’embrione cresce nelle dimensioni, le proporzioni tra le varie parti cambiano, ad esempio prima della nascita la testa è più grande del corpo per poi arrivare alla nascita con le proporzioni corrette. Accrescimento che avviene assieme al ri-modellamento del nascituro. Morte cellulare programmata, apoptosi avviene durante sviluppo di organi → rimozione tessuti tra dita per separarle.

Destino cellulare

Il destino cellulare è determinato in tempi diversi. Il differenziamento visibile permette di vedere che un tipo cellulare è diverso da un altro tipo, es. epiteliale e cellula muscolare. Prima c’è programmazione del destino cellulare che precede il differenziamento cellulare. Questa assegnazione precoce dei compiti avviene con due modalità:

• 1. Programmazione del destino nelle fasi di sviluppo iniziale → mediante distribuzione asimmetrica nelle cellule di molecole di pianificazione che programmano destino di quelle cellule.
• 2. Interazione tra cellule mediante segnali extracellulari induttori che rendono le cellule differenti e guidano lo sviluppo, inducendo la cellula a diventare un determinato tipo cellulare.

C’è un’ulteriore divisione di questi due: sviluppo autonomo o a mosaico. Dipende dai determinanti citoplasmatici presenti fin da subito nell’uovo, detti determinanti materni che vengono formati prodotti nel citoplasma dell'uovo già nell'ovogenesi, quindi nel corpo della madre che produce gamete. Blastomero = cellule che si dividono nelle prime fasi già dopo la fecondazione. Uova non regolative → viene a mancare blastomero e cellule che restano non regolano altri blastomeri e sviluppo si arresta. Determinanti citoplasmatici → proteine e mRNA di origine materna distribuiti in modo asimmetrico nel citoplasma della cellula durante la divisione. Sviluppo embrionale regolativo o dipendente da segnali: il destino cellulare dipende da interazione con cellule vicine, dipende quindi da segnali chimici. Regolativo, l'embrione ha capacità di svilupparsi anche quando la cellula è danneggiata. Cellule diventano di colore diverso solo quando reagiscono con segnali di cellule vicine. Produzione materna → derivazione da genoma della madre e non dell’embrione.

Organismi modello in biologia dello sviluppo

Essi servono per studiare meglio sviluppo umano che è complesso, non viviparo o ovoviviparo. Problemi in studi sullo sviluppo umano: è interno, quindi è difficile.

• Caratteristiche ideali per modello:
  • Semplice
  • Sviluppo embrionale esterno
  • Facile approccio sperimentale, robusto e facile manipolazione
• Quindi si trovano diverse specie modello, ciascuna capace di studiare un organismo.
• Caenorhabditis elegans: poche cellule, facile da studiare, organismo ideale per meccanismi di basi cellulari/molecolari che regolano sviluppo e differenziamento cellule.
• Studi genetici: ci sono mutanti per controllare le funzioni dei geni.
• Identificazione mutazioni responsabili di anomalie morfologiche/anatomiche dello sviluppo portando ad isolare e caratterizzare geni critici dell’evoluzione.
• Drosophila melanogaster:
  • Ciclo vitale breve
  • Progenie numerosa
  • Costi contenuti
  • Semplicità di mantenimento
  • Accessibile per manipolazione sperimentale, è più utile per genetica e non embriologia come trapianto di cellule, analisi ecc.
• Riccio di mare:
  • Studiato per prime fasi di sviluppo e fecondazione
  • Perché specie hanno uova piccole e trasparenti e quindi trasparenza fa sì che se li metto a microscopio vedo cosa succede dentro, posso seguire stadi iniziali dello sviluppo facilmente al microscopio.
  • È facile avere fecondazione in vitro. Modello semplice e ideale, già alla fine dell’800.
• Danio rerio (pesce zebra):
  • Vertebrato
  • Acqua dolce
  • Facile laboratorio da allevare
  • Tutto l'anno si produce in laboratori gran numero embrioni
  • Sviluppo rapido
  • Stato maturo adulto riproduttivo velocemente
  • Uova trasparenti quindi vedo stadi al microscopio
  • Manipolazioni sperimentali dato che uovo è grosso
  • Noto inventario geni quindi può essere usato per studi di genetica dello sviluppo.
• Xenopus laevis:
  • Anfibio vertebrato
  • Rana sudafricana unghiata nelle parti posteriori. Unghie scure
  • Organismo che ha messo basi di quello che si sa da anfibi in su. Vantaggi:
  • Facile da allevare e riprodurre in laboratorio
  • Produce gameti tutto l’anno come si vuole e possono essere fecondate e sviluppo avviene fuori dal corpo della femmina → stadi embrionali accessibili sperimentalmente alla manipolazione
  • Uova si vedono a occhio nudo 1-2 mm → posso fare esperimenti di micro-chirurgia
  • Negli embrioni si possono vedere mappe del destino → conoscenze su differenziamento invisibile che precede quello vero e proprio → sono stati iniettati coloranti vitali non tossici per le cellule che hanno consentito di definire forma e movimento delle cellule
  • Svantaggio: è tetraploide e quindi non ideale per analisi di sviluppo. Ci mette molto per raggiungere maturità sessuale ovvero 1-2 anni.
  • Hanno posizione chiave nello sviluppo tra tetrapodi che stanno tra pesci e uccelli.
• Pollo:
  • Uovo ha grosse dimensioni
  • Sviluppo esterno
  • Facilmente reperibile
  • Incubate in laboratorio e posso vedere fini alla schiusa le fasi dello sviluppo
  • Embrioni possono essere facilmente manipolati chirurgicamente fino a stadi di sviluppo tardivi dell’embrione.
  • Non ideale in genetica dello sviluppo. Ma è ideale per sviluppo di amnioti.
• Topo:
  • Migliore modello sperimentale per mammiferi, vicino allo sviluppo umano
  • Facile da allevare
  • Ciclo riproduttivo velocemente
  • Embrioni possono essere osservati in vitro all'inizio ma poi devono essere impiantati altrimenti non procede lo sviluppo
  • Conoscenza genoma → manipolazione genica
  • Svantaggio: mammifero difficile da studiare perché uovo è piccolo
  • Sviluppo viviparo → difficile manipolazione
  • Basso numero di embrioni

Assi principali del corpo

• Asse antero-posteriore:
  • Animale a stazione orizzontale
  • Asse → definisce due estremità diverse, dalla:
  • Estremo cefalico anteriore
  • Estremo caudale posteriore
  • Animale a stazione eretta
  • Estremo cefalico superiore
  • Estremo caudale inferiore
• Asse dorso-ventrale (definisce dorsale e ventrale ma va da dorsale a ventrale).
• Asse destro-sinistro: ha le estremità strutture uguali. Simmetria bilaterale → ho piano che divide corpo in due parti speculari. Piano di simmetria può essere sagittale o mediamo.

Sviluppo indiretto

Gli animali si riproducono con fusione di gameti. M e F si uniscono a formare uovo fecondato zigote. Le tappe sono le stesse in tutti gli organismi che avvengono in modo diverso. Segmentazione in cui uovo fecondato subisce divisioni cellulari per diventare pluricellulare. Cellule figlie diventano via via più piccole. Segmentazione è fase di rapide divisioni cellulari. Si forma prima cavità interna detta blastocele e qui l'embrione è detto blastula e cellule che si dividono sono i blastomeri. L'embrione deve diventare pluricellulare per dividersi e dare molte cellule.

2. Gastrulazione: fase in tutti sviluppi embrionali e si formano primi tre territori di cellule diverse dette foglietti embrionali detti ectoderma, mesoderma, endoderma. Da ciascuno dei tre si può originare una sola struttura (intestino, rivestimento, muscoli ecc). Qui si forma intestino primitivo detto archenteron → perché all’inizio organi sono abbozzi rudimentali che poi via via diventano definitivi e funzionali. All’inizio intestino comunica con esterno attraverso apertura detta blastoporo, deve avere due aperture boccale e anale. All’inizio intestino primitivo ha una sola apertura con esterno detta blastoporo.

3. Organogenesi: da ogni foglietto si differenziano organi che poi vanno a formare la specie. Sviluppo è indiretto, stadi larvali e metamorfosi.

Celoma

Celoma → cavità corporea in cui sono presenti organi interni. Animali celomati tranne platelminti, ovvero hanno corpo pieno senza cavità, tutti gli altri animali sono celomati ovvero hanno cavità corporea in cui sono sospesi organi interni. Celoma si forma nello sviluppo embrionale, detta cavità secondaria dell’embrione. La seconda cavità che si forma nel tempo nel corso dello sviluppo. Prima è blastocele che poi sparirà. Seconda è detta celoma.

Determinazione del destino embrionale

Nematodi e ritiferi hanno pseudo celomati, cavità che si forma nello sviluppo embrionale scavata nel foglietto mesodermico e tappezzata di peritoneo, ovvero tessuto di origine mesodermica → celoma. Protostomi → prima bocca → da prime strutture che si formano si ha bocca. Deuterostomi → animali da cui prima apertura si forma apertura anale e poi bocca → inversione piano strutturale del corpo degli animali.

Protostomi e deuterostomi

• Protostomi: segmentazione con andamento a spirale. Celoma avviene per schizzocelia ovvero celoma si forma per compattazione di ammasso di cellule mesodermiche.
• Deuterostomi: hanno diversi tipi di segmentazione. Schizzocelia → celoma si forma da tasche all’inizio nella parete intestinale poi va a formare cavità con celoma embrionale.

Destino delle cellule e annessi embrionali

Il destino delle cellule che derivano da segmentazione dello zigote: solo una parte di blastomeri formano embrione (rettili, uccelli, mammiferi). Annessi extra-embionali → stanno fuori dell'embrione. Uova dal punto di vista evolutivo diventa più piccolo per allungare sviluppo e avere un organismo più evoluto e sviluppato. Annessi embrionali uovo:

• Cronion: sacco involucro più esterno.
• Amnios: liquido per evitare disidratazione e proteggere.
• Allantoide: raccoglie elementi di scarto.
• Sacco vitellino: sacco del tuorlo collegato a peduncolo esterno.

Placenta