Biologia dello sviluppo

Biologia dello sviluppo

Disciplina biologica che studia i processi che riguardano lo sviluppo.

Scienza che cerca di spiegare in che modo la struttura degli organismi si modifica nel tempo, dalla formazione del nuovo individuo al suo sviluppo e accrescimento.

Arco temporale compreso dalla formazione del nuovo individuo, al suo sviluppo e accrescimento.

Molti dei processi di sviluppo sono fondamentali affinché esso possa avvenire correttamente, altrimenti possono verificarsi delle patologie.

Origini della biologia dello sviluppo

Nasce con Aristotele nel VI secolo a.C., fu il primo a occuparsi di come si formi un nuovo organismo.

• Teoria dell’epigenesi: forze chimiche e fisiche formano il nuovo individuo.
• Teoria pre-formista: Malpighi, l’individuo è pre-formato e nasce come tale.

Cade con l’avvento del microscopio.

Teoria della segmentazione

Weismann, XIX d. C.

Le cellule si originano per divisione cellulare dallo zigote e si differenziano per divisione ineguale dei determinanti morfogenetici che stanno nel nucleo. Nel corpo ci sono due tipi di cellule: quelle somatiche e quelle della linea germinale (gameti).

Come i gameti fanno i gameti a dare origine a un nuovo individuo?

Le cellule germinali si dividono e separano i determinanti morfogenetici (determinanti genetici) che, espressi in maniera differenziale, danno origine a tipi cellulari diversi.

Ipotizza che questi determinanti si trovino nel nucleo: morfologia cellulare differente a seconda della porzione del nucleo nel quale si trovano, teoria dei determinanti nucleari.

Roux nel 1880-1890 conferma la teoria di Wiesmann.

Embrione di Xenopus

Uovo fecondato allo stadio di due cellule: una cellula bruciata con un ago rovente, una intatta.

La cellula non bruciata dà origine a un embrione normale, quella bruciata non dà origine a nulla.

Driesch e Morgan

Confutano la teoria dei determinanti nucleari di Wiesmann e Roux: teoria dei determinanti citoplasmatici.

La localizzazione dei determinanti non è nucleare ma citoplasmatica.

Larva di riccio di mare

Invece di bruciare una delle due cellule, vengono separate meccanicamente.

Separazione dei due blastomeri.

Una cellula muore, mentre l’altra ha uno sviluppo normale ma più ridotto.

Sono i prodotti genici a dare i tipi cellulari diversi.

Speeman e Mangold

Esperimento di trapianto del labbro dorsale del blastoporo organizzatore: dimostrazione del fenomeno dell’induzione.

Induzione è il meccanismo attraverso cui le cellule vengono indotte a produrre determinanti specifici.

Embrioni pigmentati in modo diverso, prelievo di una regione da un embrione: labbro dorsale del blastoporo, che in Xenopus si trova vicino a una conca.

Questa regione, il labbro dorsale, viene trapiantata in un altro embrione.

La regione nuova genera un embrione accessorio più piccolo.

Le cellule hanno ricevuto segnali dall’embrione dal quale hanno avuto origine, hanno ricevuto induzione: segnali tra cellule vicine che inducono le cellule adiacenti.

Divisioni cellulari della singola cellula uovo provocano la formazione di tante cellule diverse mediante il processo di segmentazione, che avviene per distribuire i determinanti citoplasmatici.

Ricevono segnali e vengono indotte.

Modello a mosaico: il destino di una cellula nello zigote è pre-determinato da quei fattori presenti nel citoplasma della cellula uovo che vengono distribuiti in maniera non uniforme durante la segmentazione.

Interazione cellulare: le cellule interagiscono le une con le altre attraverso il fenomeno dell’induzione, fenomeno per cui una cellula o tessuto dirige quello del tessuto o della cellula limitrofi.

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

Sono i prodotti genici a dare origine alla diversità cellulare.

Principio dell’equivalenza genetica.

Esperimento di Gurdon

Tutte le cellule contengono la stessa informazione genetica dello zigote, quindi le differenze tra le varie cellule dipendono dall’espressione genica differenziale.

Una volta che le cellule hanno ricevuto i segnali dalle cellule vicine, possono essere determinate.

Determinazione: cambiamento stabile della cellula dovuto a variazione delle attività geniche che provocano il cambiamento delle proteine prodotte dalla cellula.

Una volta che la cellula è determinata, questo cambiamento stabile viene ereditato dalle cellule che ne derivano (lineage).

Tutte le cellule che originano dalla cellula determinata, a loro volta sono determinate.

A livello dell’embrione segmentato è possibile individuare due regioni che si differenziano in tessuti diversi.

Una cellula della regione B viene trapiantata nella regione A.

• Se non è stata determinata, si differenzia come le cellule del suo intorno.
• Se è stata determinata, ha già acceso i geni per diventare una cellula del tessuto B, quindi si differenzia come il tessuto B.

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

I geni che dovevano accendersi si sono già accesi, è già avvenuto un cambiamento nell’espressione genica.

Non serve la stimolazione da parte delle cellule circostanti.

Cellule muscolari

Quando sono proliferati, sono dei mioblasti: non sono ancora accesi i geni che le porteranno ad assumere una capacità contrattile, non vengono ancora espresse le miosine.

Quando vengono indotte al differenziamento, le cellule smettono di proliferare e accendono geni specifici.

Fusione dei mioblasti per produrre i miotubi e i nuclei iniziano a spostarsi a livello periferico.

Differenziamento finale, tutti i geni specifici sono espressi, espressione della miosina, differenziamento terminale con contrazione spontanea.

I segnali extracellulari di induzione vanno ad accendere l’espressione di geni.

Step separati che permettono la distinzione nella determinazione e nella separazione.

Riproduzione

Processo di formazione di un nuovo individuo.

Può essere:

• Asessuata: un singolo genitore dà origine a un nuovo individuo, scissione, gemmazione o frammentazione. Tutte le cellule sono prodotte per mitosi e sono identiche a quelle del genitore.
• Sessuata: genomi aploidi dei gameti si mescolano dando origine a individui non identici ai loro genitori. Unione di due nuclei di due diverse cellule aploidi che ripristina l’assetto diploide dell’organismo. Meccanismi di ricombinazione genica.

I gameti hanno un numero di cromosomi dimezzato, assetto aploide, n, rispetto al numero di cromosomi presenti nelle cellule somatiche, assetto diploide, 2n; con la fusione dei gameti si ha il ripristino nello zigote dell’assetto diploide.

Le cellule gametiche dimezzano il contenuto di DNA attraverso la meiosi.

I gameti sono cellule aploidi che fanno parte delle cellule della linea germinale.

Spermatozoo: la testa contiene il nucleo, unica parte che entra nella cellula uovo; i mitocondri si trovano alla base del flagello che ne permette il suo movimento.

Nella parte anteriore della testa si trova una porzione detta acrosoma che contiene enzimi litici che lisano la membrana che ricopre la cellula uovo.

Cellula uovo: avvolta da una serie di membrane che la proteggono e impediscono polispermia.

Contiene sostanze che servono per l’immediato sviluppo dello zigote, RNA e proteine.

Durante la cellula uovo vengono sintetizzati attivamente e conservati nel citoplasma molecole di RNA con una lunga emivita.

Questi RNA sono chiamati geni a eredità materna, lo zigote non ha tempo per fare la trascrizione, ma deve continuare a dividersi, per questo gli RNA vengono forniti dalla cellula uovo.

Gli RNA servono per tradurre le proteine utili ai primi stadi di sviluppo: actina, istoni, tubulina.

Imprinting genomico

Alcuni geni vengono silenziati nell’oocita o nello spermatozoo e restano spenti durante le prime fasi di sviluppo dello zigote.

Per questo motivo i genomi paterno e materno contribuiscono in maniera diversa allo sviluppo embrionale.

Fenomeno transiente, normalmente deve esserci un equilibrio tra i geni materni espressi/silenziati e i geni paterni.

Imprinting ginogenico: annessi embrionali di ridotte dimensioni.

Imprinting adrogenico: crescita embrionale ritardata, annessi embrionali molto sviluppati.

Fecondazione

La fecondazione è un processo nel quale i gameti si fondono e danno origine a un individuo con i potenziali genetici derivati da entrambi i genitori.

Tipi di fecondazione:

• Interna, pesci cartilaginei, rettili, uccelli, mammiferi, più facile fecondazione.
• Esterna, anfibi, pesci ossei, molluschi, spugne, produzione di un elevato numero di uova perché la probabilità di fecondazione da parte dello spermatozoo è ridotta; le uova che vengono generate vanno incontro a un diverso modello di sviluppo perché devono svilupparsi più velocemente, rischio dei predatori.

Fecondazione interna

Quando gli spermatozoi vengono depositati nel tratto riproduttivo femminile sono soggetti a capacitazione.

La prima barriera della cellula uovo dei mammiferi sono le cellule del cumulo ooforo, che vengono digerite dalla ialuronidasi presente sulla testa dello spermatozoo.

La seconda barriera della cellula uovo è la zona pellucida, uno strato fibroso di glicoproteine che viene superato dallo spermatozoo grazie alla reazione acrosomiale con rilascio di enzimi litici.

Proteine della zona pellucida come ZP2 permettono il legame dello spermatozoo e la sua penetrazione nella cellula uovo.

Avviene la fusione delle membrane plasmatiche, entrata del nucleo dello spermatozoo nel citoplasma della cellula uovo.

Nel riccio di mare la prevenzione della polispermia si attua tramite una depolarizzazione della membrana plasmatica dell’oocita seguita da un blocco lento della polispermia che consiste nella formazione di una membrana di fecondazione impermeabile alla penetrazione.

Nei mammiferi la prevenzione della polispermia si attiva con un meccanismo più lento nei 30-60 minuti successivi alla fecondazione attraverso un rimodellamento della zona pellucida attraverso il rilascio per esocitosi dei granuli corticali al di fuori della membrana plasmatica.

Il materiale dei granuli corticali e la membrana formano la membrana di fecondazione che è totalmente impermeabile.

I granuli corticali rimanenti formano lo strato ialino.

Al momento della fecondazione, l’oocita viene attivato e si innescano una serie di eventi che determinano l’inizio del processo di sviluppo dovuto a un rilascio massiccio di ioni calcio dalle riserve dell’oocita.

Il punto di penetrazione dello spermatozoo determina il punto di attivazione dell’ondata di calcio.

Segmentazione e sviluppo embrionale

Lo zigote inizia il suo sviluppo. Lo stadio filotipico è molto simile tra embrioni di specie diverse.

Lo zigote deve andare incontro a un processo di segmentazione.

Serie di divisioni mitotiche dello zigote in cui l’enorme volume del citoplasma dell’uovo viene a suddividersi in numerose cellule nucleate più piccole, blastomeri.

La segmentazione dà inizio alla formazione di un individuo pluricellulare.

La segmentazione dipende dal tipo di uovo.

Il tuorlo serve a fornire i nutrimenti necessari all’embrione.

In una cellula uovo con poco tuorlo, oligolecitica, la segmentazione avviene in tutto lo zigote.

Uova mesolecitiche hanno una media quantità di tuorlo, il quale si trova maggiormente concentrato nella porzione vegetativa; il tuorlo non viene segmentato perché serve solo come fonte di nutrimento.

Uova telolecitiche hanno un’elevata quantità di tuorlo, la segmentazione avviene solo al polo animale, parte che formerà embrione, mentre il polo vegetativo, tuorlo, materiale di nutrimento, rimane indiviso.

L’obiettivo della segmentazione è quello di portare l’uovo a uno stadio pluricellulare.

Morula è lo stadio in cui lo zigote si è diviso in 16/32 cellule.

Al termine della segmentazione, l’embrione risulta formato da uno o più strati di cellule al cui interno si trova un’ampia cavità, blastocele; la sferula cava prende il nome di blastula.

La segmentazione segue uno schema preciso. Il primo e il secondo taglio sono verticali, il terzo equatoriale.

La segmentazione ha il compito di dividere i determinanti citoplasmatici nelle diverse popolazioni cellulari che formeranno l’embrione per dare origine alla diversità cellulare.

Allo stadio di blastula, si deve formare un buco, è una sfera cava; il passaggio successivo è la gastrulazione, le cellule si devono spostare.

Fattori materni e morfogeni

I primi stadi di sviluppo dell’embrione sono determinati da fattori materni, mRNA e proteine sintetizzate e deposte nell’uovo dalla madre.

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.

Asse antero/posteriore e asse dorso/ventrale.

Vengono determinati a seconda di dove vengono posti gli RNA materni.

In Drosophila, a seconda di dove sono posizionati i geni e come vengono accesi, determinano le varie parti dell’individuo.

Un morfogeno è una sostanza la cui concentrazione varia in modo continuo ed è coinvolta nella formazione di un pattern.

A seconda della sua concentrazione induce le cellule vicine ad accendere i geni; la porzione più vicina riceve una concentrazione maggiore di morfogeno.

Segnali chimici in grado di definire la struttura di un organismo già nella fase embrionale.

In particolare, sono mRNA che vengono rilasciati dalle cellule uovo dopo che vengono fecondate.

Essi riescono a diffondere per gradiente di concentrazione, spostandosi quindi da zone in cui si trovano in elevata concentrazione a zone con minore concentrazione, ma non attraversano tutto l’embrione.

La posizione di ciascuna cellula è definita dalla concentrazione di morfogeno.

Il valore di posizione è interpretato.

Proteine che mediante modificazioni della loro concentrazione locale o della loro attività, fanno sì che il tessuto circostante assuma una particolare forma o struttura.

RNA materno di bicoid è localizzato nella parte anteriore dell’embrione di Drosophila.

Dopo la fecondazione viene tradotto in proteina che si diffonde secondo gradiente con concentrazione maggiore nel polo anteriore.

È un esempio di morfogeno perché attiva geni diversi in base alla sua concentrazione lungo l’asse.