Biologia dello sviluppo

Biologia dello sviluppo

Lezione 1 Prof. Pistocchi

La biologia dello sviluppo è la disciplina che studia tutti i processi che riguardano lo sviluppo. È una branca della biologia applicata agli organismi modello. Si occupa dei processi che vanno dalla formazione del nuovo individuo al suo sviluppo e accrescimento.

Questi processi sono altamente conservati tra gli organismi modello, ricci di mare, larva di anfibio, vertebrato, ma portano allo sviluppo di organismi altamente differenti.

• Si parte sempre da una cellula uovo che viene fecondata →
• La cellula uovo deve raggiungere la pluricellularità divisioni cellulari = segmentazione; =
• Poi si ha il posizionamento delle cellule, dei foglietti embrionali gastrulazione.

La biologia dello sviluppo aiuta a comprendere come gli embrioni si sviluppano e quindi è di grande utilità per l’uomo per casi di infertilità, di malformazioni in utero, in biologia vegetale, negli allevamenti animali… causa di patologie…

I geni che si studiano negli embrioni spesso sono quelli che ci si porta dietro da adulti magari mutati.

Il controllo dello sviluppo è dovuto a differenze dell’attività genica.

NB.: In tutte le cellule noi, specie umana, abbiamo lo stesso corredo cromosomico, gli stessi geni sono presenti in tutte → accensione/spegnimento dei geni in maniera differenziale permette la differenziale espressione genica.

Esperimento di Gurdon

Il principio dell’equivalenza genetica: tutte le cellule contengono la stessa informazione genetica dello zigote.

Quindi le differenze tra le varie cellule dipendono dall’espressione genica differenziale.

Es.: prendendo in considerazione solo 3 geni arbitrari X, Y, Z si possono ottenere molti tipi cellulari differenti in base alle diverse combinazioni di geni espressi.

NB.: Lo sviluppo è progressivo e può non essere più reversibile.

Determinazione: è un cambiamento stabile della cellula dovuto a variazione delle attività geniche (accensione/spegnimento di determinati geni e pathway) che provocano il cambiamento delle proteine prodotte dalla cellula.

L’ambiente in cui la cellula viene trapiantata presenta fattori di crescita, proteine… che cambiano la sua differenziazione.

Una volta che la cellula è determinata questo cambiamento stabile viene ereditato dalle cellule che ne derivano (lineage) (“aveva già assorbito dall’ambiente che la circondava fattori di crescita, proteine… che determinano il fenotipo creato”).

Specificazione: un gruppo di cellule si dice specificato quando, se isolato dal resto e coltivato in ambiente neutro, senza interazione delle cellule circostanti, si sviluppa secondo il destino che avrebbe seguito nell’embrione.

Questo perché nell’ambiente circostante ad una cellula ci sono dei fattori che possono essere fattori di crescita, proteine, morfogeni… che influenzano la sua differenziazione, in un terreno neutro questi non sono presenti.

Dimostrata tramite esperimenti di trapianto di cellule (“immagine sopra”):

Embrione fecondato → fusi i due patrimoni genetici → zigote:

• Destino normale, le cellule si differenziano come previsto.
• Si prende una cellula dalla regione B non ancora determinata, non ha ancora acceso i geni che la rendono irreversibile, e la si trapianta nella regione A. Si osserva che si differenzia secondo il destino delle cellule della regione A.
• Si prende una cellula dalla regione B già determinata, ha già acceso i geni che definiscono in modo irreversibile il suo lineage, e la si trapianta nella regione A. Si osserva che si differenzia secondo il destino della sua regione di origine, B.
• Si prende una cellula dalla regione B, la si isola e la si pone in un terreno neutro, senza particolari fattori di crescita ecc. La cellula dà origine a cellule della regione d’origine B.

1. 2. 3. 4.

Es.: Differenziamento muscolare: mioblasti proliferanti, moltiplicazione cellulare → allineamento cellulare, blocco della proliferazione → fusione cellulare produce miotubi, espressione di proteine muscolo-specifiche → fibra muscolare, inizio della contrazione spontanea.

• Espressione genica differenziale.
• Segnalazione dall’esterno.
• Determinazione.
• Specificazione.

Sviluppo dello zigote in diversi organismi

Sviluppo dello zigote in diversi organismi: Xenopus, zebrafish, pollo, topo, uomo:

• Uovo, diverso tra gli organismi.
• Divisione cellulare.
• Fase di gastrulazione, diversa l’embrione.
• Stadio filotipico ben visibile, con assi corporei distinguibili: asse cefalo-caudale (= antero-posteriore), asse destro-sinistro, asse dorso-ventrale.

Stadio filotipico = stadio dove comparando diversi embrioni di diversi tipi di animali, organismi modello, si riesce molto facilmente ad individuare un programma di sviluppo comune, si riconosce la testa, la coda, una vescicola ottica, i futuri muscoli.

In termini di geni, significa che i programmi genetici, i geni accesi/spenti saranno verosimilmente comuni.

Fecondazione e segmentazione

Fecondazione: si forma lo zigote dopo la fecondazione e, in questa fase, si deve dividere, moltiplicare le cellule per generare popolazioni differenti per poi organizzarsi nei diversi organi, tessuti ecc.

Segmentazione: si creano dei compartimenti → lo zigote si segmenta tramite divisioni mitotiche e crea nuove cellule.

• Serie di divisioni mitotiche in cui l’enorme volume del citoplasma dell’uovo viene a suddividersi in numerose cellule nucleate più piccole, i blastomeri.
• La segmentazione dà inizio alla formazione di un individuo pluricellulare.

Uovo di anfibio: si divide in due regioni: in una parte si trova il nutrimento (= “tuorlo”, polo vegetativo, materiale che verrà consumato e posto tutto in un punto), nel polo animale avvengono le divisioni mitotiche.

La segmentazione varia a seconda del tipo di uovo.

Le uova si classificano in base al tuorlo che possiedono:

• Oligolecitica → poco tuorlo. In questo tipo di cellule la segmentazione avviene in tutto lo zigote.

Riccio di mare: al termine della segmentazione, l’embrione risulta formato da uno o più strati di cellule al cui interno trova un’ampia cavità (= blastocele) → questa sferula cava prende il nome di blastula.

Tutte le blastule si devono cavitare, si deve creare uno spazio all’interno per permettere, nella gastrulazione, lo spostamento di strati di cellule che si devono muovere.

NB.: Blastocele → intestino primitivo (= archenteron) che diventerà il tubo digerente con due estremità che saranno bocca e ano.

• Telolecitiche → tanto tuorlo. La segmentazione avviene solo a un polo, il polo animale, mentre il resto rimane indiviso, polo vegetativo, e conterrà il materiale di nutrimento.

Xenopus: segmentazione. Il primo e il secondo solco di divisione sono verticali, il terzo equatoriale.

NB.: Dato che tutte le cellule hanno lo stesso patrimonio genetico, quello che le differenzia è l’accensione/spegnimento di determinati geni che espressi permettono la produzione di determinati prodotti: proteine presenti nel citoplasma → determinanti citoplasmatici, qualcosa contenuto nella cellula che lo ha prodotto e che la caratterizza.

La segmentazione permette, ha il compito di dividere i determinanti citoplasmatici nelle diverse popolazioni cellulari che formeranno l’embrione.

Geni ad eredità materna

Geni ad eredità materna:

NB.: L’embrione velocizza le fasi del ciclo cellulare per raggiungere la pluricellularità, fa solo fase S e M → non può sintetizzare tutto quelle proteine o trascrivere gli mRNA per le divisioni mitotiche, replicazione, DNA polimerasi, istoni…

I primi stadi di sviluppo dell’embrione sono determinanti da fattori materni (= geni ad eredità materna. Sono RNA già sintetizzate e deposte nell’uovo dalla madre, mRNA e proteine trascritti non tradotti dalla madre posti poi nella cellula uovo).

Quando inizia lo sviluppo gli mRNA materni vengono tradotti e le proteine sintetizzate svolgono il loro compito di attivare altri geni a cascata con una precisa regolazione spazio-temporale lungo gli assi corporei:

• L’asse antero/posteriore, testa-coda.
• L’asse dorso/ventrale.
• Asse destra-sinistra.

Gastrulazione

Gastrulazione: riorganizzazione delle cellule embrionali. Processo caratterizzato da movimenti di cellule e tessuti durante il quale le cellule della blastula vengono completamente riorganizzate.

Si distinguono per la prima volta i foglietti embrionali:

• Ectoderma, più esterno.
• Endoderma, più interno.
• Mesoderma.

Questo è possibile perché sono possibili i movimenti delle cellule a loro volta possibili per la cavità formatasi in precedenza nella blastula.

Formando correttamente tutti i foglietti embrionali si possono formare correttamente anche tutti gli organi e tessuti.

Il mesoderma è il foglietto più complesso da cui si formano le:

Cellule della notocorda = struttura prettamente embrionale che durante lo sviluppo regredisce, è la struttura di sostegno dei cordati (= animali con la notocorda). È un tubo di cellule globose che sostiene l’organismo e durante lo sviluppo regredisce rimanendo solo nei dischi intervertebrali, es.: ernia del disco è la fuoriuscita di un disco intervertebrale composto dalle cellule della notocorda rimasta.

La gastrulazione avviene in modo diverso a seconda dell’uovo di partenza, oligo o telolecitico.

Embrione di anfibio

Embrione di anfibio. Es.: Xenopus Laevis, ciclo vitale molto rapido.

• Il primo passo della gastrulazione è una piccola invaginazione chiamata blastoporo sul lato dorsale della blastula, labbro dorsale del blastoporo. Le cellule che daranno origine al mesoderma e all’endoderma migrano a livello del blastoporo attraverso un processo chiamato involuzione. (*)
• I tessuti convergono lungo la linea mediana e si estendono anteriormente e posteriormente attraverso un meccanismo di convergenza estensione. L’ectoderma si espande ed a ricoprire tutta la gastrula attraverso il meccanismo dell’epibolia.

Embrione di pollo

Embrione di pollo: più tuorlo.

• Blastoderma sul tuorlo, è uno strato di cellule che corrisponde al polo animale, l’unica regione che darà origine all’embrione.
• Inizio gastrulazione → il blastoderma forma la stria primitiva, un solco dal quale le cellule entrano.

Dall’estremità anteriore si forma il nodo di Hensen, corrisponde al labbro dorsale del blastoporo.

Il nodo inizia a spostarsi verso l’estremità posteriore, migra e intanto le cellule entrano.

Embrione umano

• Fecondazione.
• Segmentazione → formazione blastocisti in 5 gg.

Cellula uovo fecondata → divisa in 2 cellule → 4 → 8 → morula → blastocisti, 256 cellule divise in 2 popolazioni diverse: blastocisti + cellule del trofoblasto, daranno origine agli annessi embrionali.

• 5-10 gg impianto, a 14 gg fatto.
• Gastrulazione:

Embrione formato da uno strato bilaminare, due strati: epiblasto, più esterno e ipoblasto, più interno, di cellule → disco germinale.

I due strati sono in comunicazione con la cavità sovrastante amnios e il sacco vitellino, tuorlo = vitello = materiale di nutrimento, cavità sottostante.

A livello del disco germinale si forma la stria primitiva → le cellule entrano e vanno a formare il mesoderma.

Il nodo migra dall’estremità anteriore a quella posteriore.

• Tra il giorno 22 e 28 avvengono movimenti di ripiegamento.

La cavità amniotica si espande e il sacco vitellino sottostante si riduce a formare un sacchetto dal quale attraverso il tubo digerente si prende nutrimento.

Forma tridimensionale.

Lezione 2 ~ Gastrulazione

Formazione degli assi embrionali

Formazione dell’asse dorso-ventrale (*):

Uovo di Xenopus → la gastrula presenta il labbro dorsale del blastoporo, che determina il futuro lato dorsale, dal quale iniziano ad entrare le cellule per involuzione.

Il futuro lato dorsale si forma sul lato opposto al sito di penetrazione dello spermatozoo, sarà il polo ventrale, come risultato di ridistribuzione di fattori materni dorsalizzanti:

Spermatozoo feconda la cellula uovo → delle proteine si spostano scivolando e si dispongono di fronte al punto di penetrazione dello spermatozoo → secernono un segnale per dire che questa sarà la regione dorsale: fattore dorsalizzante → proteine del WNT pathway.

Da questa regione, si sviluppa nella parte più anteriore un’altra regione importante della gastrula: l’organizzatore di Spemann, posizionato sopra il labbro dorsale del blastoporo, nel futuro lato dorso/ventrale dell’embrione.

NB.: Questi passaggi appena descritti avvengono nello stadio di blastula, alla fine della segmentazione per preparare tutti gli eventi di gastrulazione durante il quel le cellule devono entrare dal labbro dorsale del blastoporo.

Esperimenti di Spemann

Esperimenti di Spemann: preso un embrione di Xenopus allo stadio di 4 cellule e diviso a metà, “facendo un nodo con un capello”:

• Una metà conteneva il punto di ingresso dello spermatozoo → polo ventrale.
• Una metà che darà origine al polo dorsale.

Questo consente la progressione dello sviluppo:

• Polo ventrale → embrione amorfo, senza ventre.
• Polo dorsale → embrione comparabile ad uno normale con prevalenza di territori di origine dorsale.

A seconda della porzione di blastula considerata, ci sono dei determinanti citoplasmatici, RNA messaggeri e proteine, che vengono segregati, compartimentalizzati nelle varie porzioni della blastula e danno diversi destini cellulari, destino ventrale e dorsale. Tutto è regolato da accensione/spegnimento di specifici pathway.

Pathway della famiglia WNT

Pathway della famiglia WNT nell’ambiente extracellulare.

• Le proteine della famiglia WNT sono glicoproteine secrete che attivano molti processi cellulari e di sviluppo.
• Le proteine WNT sono altamente conservate in tutti i Metazoi, nei Mammiferi la complessità di segnale è ottenuta con l’utilizzo di 19 ligandi WNT, devono incontrare un recettore per far partire la cascata.
• I ligandi di WNT so