Biologia dello sviluppo animale

Mercoledì 30 settembre 2020

Biologia dello sviluppo

Eventi chiave nello sviluppo animale-organismo modello - riccio di mare che permette di analizzare lo sviluppo di un animale in un ambiente non protetto vs mammiferi ambiente protetto (utero).

Fecondazione e sviluppo esterno (facile da studiare) vs predazione e promiscuità (presenza nello stesso ambiente di gameti di diverse specie).

Organismi che si sviluppano in ambiente esterno hanno delle strategie riproduttive per la sopravvivenza a differenza degli organismi a sviluppo protetto.

Fecondazione = fusione dei nuclei maschile e femminile a formare lo zigote. La cellula uovo ha molto citoplasma con tuorlo. La fecondazione attiva nella cellula uovo la respirazione cellulare, trascrizione e traduzione. L’arrivo dello spermatozoo attiva la cellula uovo.

Segmentazione = le cellule dell’embrione si dividono, lo scopo è creare la multicellularità, la grandezza dell’embrione non aumenta a causa di veloci divisioni mitotiche senza interfase. Quindi non aumenta troppo di volume ma c’è una distribuzione di citoplasma alle singole cellule. Termina con la blastula composta da blastomeri.

Le divisioni mitotiche della segmentazione hanno velocità diversa che dipende dalla specie e dall’abbondanza di citoplasma. Ciclo cellulare m, g1, s, g2 g1-2 (interfase) che sono fasi preparative della s e m, quindi producono proteine che servono durante le fasi successive.

Nello zigote quindi mancano le interfasi perché le proteine necessarie per s e m sono fornite dall’oovocita. (Trascrizione materna) perché questi devono essere veloci nello sviluppo che è esterno.

Nei mammiferi la segmentazione invece è lenta perché dopo la prima divisione avviene la trascrizione zigotica cioè lo zigote produce le proteine che servono per i cicli s e m successivi. (Trascrizione zigotica)

La presenza di un citoplasma (vitello) più o meno abbondante condiziona sia la velocità di segmentazione ma anche il piano di divisione.

La cellula prima fa cariocinesi e poi citodieresi, questi sono orientati da actina e microtubuli, quindi a seconda della disposizione del fuso mitotico cambia il piano di divisione. Quindi se il citoplasma è molto abbondante il fuso mitotico è scansato e la divisione avverrà solo ad un polo detto animale.

Estremità ricca di tuorlo = polo vegetativo

Estremità scarsa di tuorlo = polo animale

Segmentazione oloblastica (completa) = si divide tutto lo zigote

Segmentazione meroblastica (incompleta) = solo dove c’è poco tuorlo

Uova con poco tuorlo distribuito uniformemente = isolecitico

1 mercoledì 30 settembre 2020

Uova con poco tuorlo al polo vegetativo = mesolitiche

Uova con tanto tuorlo uniforme = telolecitiche

Uova con tanto tuorlo in regione centrale = centrolecitico

Quindi l’ingombro del citoplasma influenza l’orientamento del fuso mitotico e quindi l’asse di divisione.

Gastrulazione = le cellule migrano dall’esterno all’interno della blastula, il sito della prima migrazione è chiamato blastoporo. Questa porta la formazione dei tre foglietti embrionali. Avviene aumento di volume e divisione mitotica. Alla fine della segmentazione abbiamo la blastula che avrà uno spazio interno all’interno della quale si portano i blastomeri.

I blastomeri assumono nuove posizioni e relazioni spaziali e si stabilisce il piano dell’organismo.

Movimenti

• Invaginazione
• Embolia
• Ingresso
• Delaminazione
• Epibolia vedi lezione pdf.

Formazione degli assi principali del corpo, avremo dei piani di simmetria.

Durante lo sviluppo abbiamo il polo animale (testa animale) e polo vegetativo (parte posteriore)

Morfogenesi = si formano e differenzieranno i tessuti

Organogenesi = si formano gli organi e apparati. Questo tramite migrazione cellulare, vedi pdf

Come si studia lo sviluppo?

Attraverso organismi modello, che sono scelti diversamente in base a quello che si vuole studiare, in base all’omologia genetica tra il modello e la specie di cui mi interessa, la possibilità di modificarne il genoma creando quindi dei mutanti (knock-out) cicli vitali e il costo di mantenimento.

Fecondazione

Funzione - trasmettere geni da genitori ai figli e dare inizio nel citoplasma dell’uovo a quelle reazioni che consentono il procedere dello sviluppo. L’uovo attiva il metabolismo dello spermatozoo e lui attiva il metabolismo dell’uovo.

Quindi prima della fecondazione non sono attivi metabolicamente.

• Esterna
• Interna

2 mercoledì 30 settembre 2020

Tappe fondamentali comuni

• Contatto e riconoscimento tra spermatozoo e uovo (importante soprattutto per fecondazione esterna in cui abbiamo promiscuità)
• Regolazione dell’entrata dello spermatozoo nell’uovo (regolazione della polispermia)
• Fusione materiale genetico

Spermatozoo = aploide, matura pian piano e metabolicamente solo quando si fonde con l’uovo (cromatina compatta), testa con nucleo e una vescicola acrosomale che contiene enzimi che degradano i vari rivestimenti dell’uovo. Coda propulsiva che si muove quando in prossimità dell’uovo. Flagello (9+2) microtubuli con dineina.

Nei mammiferi abbiamo capacitazione cioè possibilità di legarsi all’uovo e liberare la vescicola acrosomale. Questa capacitazione avviene nelle vie genitali femminili.

Nei mammiferi l’uovo è fermo alla seconda fase meiotica che viene completata con la fecondazione. Nel riccio di mare invece la meiosi è completa già prima della fecondazione. L’uovo accumula nel citoplasma composti necessari all’embrione in via di sviluppo.

La fecondazione quindi è uno scambio importante tra i due gameti.

Uovo del riccio di mare = membrana plasmatica circondata da diversi strati in base alla specie. Abbiamo nel riccio una membrana vitellina (matrice extracellulare nei mammiferi), ricca di glicoproteine, protegge la cellula uova ed è essenziale al riconoscimento specie-specifico. Esternamente abbiamo strato gelatinoso (zona pellucida nei mammiferi) serve ad attirare e attrarre lo spermatozoo.

Nell’uovo di mammiferi abbiamo le cellule del cumulo ooforo che danno nutrimento alla cellula uovo.

La membrana plasmatica forma il cono di fecondazione e accoglie lo spermatozoo.

Strato gelatinoso strato profondo vs zona pellucida sottile perché al nutrimento badano le cellule del cumulo ooforo (cellule follicolari dell’ovario)

Granuli corticali al di sotto della membrana plasmatica (dotata di microvilli) questi contengono enzimi e proteine che impediscono la polispermia. Attivate dall’entrata del primo spermatozoo. Degradano la matrice extracellulare.

Riconoscimento tra spermatozoo e uovo

Tappe fecondazione comuni

• Chemioattrazione dello spermatozoo da parte dell’uovo tramite molecole solubili secrete dall’uovo
• Esocitosi della vescicola acrosomiale spermatica per rilasciare i suoi enzimi

3 mercoledì 30 settembre 2020

• Il legame dello spermatozoo alla matrice extracellulare dell’uovo
• Passaggio dello spermatozoo attraverso la membrana vitellina e zona pellucida
• Fusione della membrana cellulare dell’uovo e dello spermatozoo

Spermatozoo riccio di mare vs mammifero.

Diversi strati

• Riccio strato gelatinoso esterno vs cumulo ooforo nei mammiferi
• Membrana vitellina (matrice extracellulare) questa nei mammiferi è la zona pellucida.
• Membrana plasmatica.

Il processo acrosomale quando lo spermatozoo si avvicina alla cellula uovo l’acrosoma dello spermatozoo dei mammiferi si allunga già a livello del cumulo ooforo e la reazione acrosomale avviene solo al livello della zona pellucida. (Mammiferi).

Il processo acrosomale (allungamento testa dell’acrosoma con modificazione nella testa a forma di spada) e il rilascio degli enzimi proteolitici avviene già allo strato gelatinoso. (Riccio di mare)

Riccio di mare esempio di fecondazione esterna, processi simili tra gli invertebrati marini e vertebrati acquatici (rane). Le riccio abbiamo una fase di larva dalla quale poi si svilupperà l’adulto.

Strategia riproduttiva a fecondazione esterna

I gameti vengono liberati nel loro ambiente ridotto o ampio

Problema:

• Come possono gli spermatozoi e le uova incontrarsi in un ambiente diluito
• Come evitare la fecondazione tra specie diverse (promiscuità)
• Predazione (nei ricci risolta con segmentazione molto veloce che permette lo sviluppo più veloce)

Nei ricci di mare gli spermatozoi acquisiscono mobilità appena fuoriusciti nell’acqua di mare (strategia riproduttiva) vs spermatozoo mammiferi acquisisce mobilità solo nell’utero materno.

Prima strategia, gli spermatozoi appena vengono rilasciati in acqua devono subito essere mobili, questo grazie a variazioni del pH, il pH spermatico nei testicoli nei ricci è 7.2 per elevata concentrazione di co2. Quando viene rilasciato il pH all’esterno aumenta a 7.6 questo attiva l’attività atpasica della dineina del flagello. Questa capacità di muoversi non dà però indicazione su dove devono andare quindi l’attrazione tra spermatozoi e cellula uovo della loro specie è fondamentale (Chemiotassi) seguendo un gradiente crescente di una sostanza chimica secreta dall’uovo chiamata resact, piccolo peptide 14aa che è rilasciato dallo stato gelatinoso ed è specie-specifico. Il resact è una guanilin ciclasi che lega il suo recettore sulla membrana dello spermatozoo RGC che a livello del dominio

4 mercoledì 30 settembre 2020

citoplasmatico genera GMP ciclico (secondo messaggero) idrolizzando GTP in grado di attivare dei canali del calcio. L’afflusso di calcio attiva la motilità spermatica attivando la atpasi della dineina e guida lo spermatozoo verso l’uovo.

Resact e il suo recettore sono specie-specifici, questo permette di dare riconoscimento selettivo in un ambiente promiscuo. Una volta che lo spermatozoo sa dove andare deve superare le membrana che avvolgono l’uovo. Deve quindi fondere la vescicola acrosomale tramite fusione con la membrana dell’acrosoma rilasciando il suo contenuto. Quello che si forma è il processo acrosomale per cui la testa dello spermatozoo si modifica andando a formare una struttura a spada. Si ha la fusione della membrana acrosomale con la membrana plasmatica e vengono rilasciati gli enzimi, internamente all’acrosoma si forma una sorta di asta tramite polarizzazione di actina a formare una spada che allunga la testa dello spermatozoo e riuscire così a farsi largo a livello della membrana dei diversi strati sia degradando con enzimi sia attraverso questa struttura, che avrà al suo interno microfilamenti di actina che polimerizza ed esternamente bindina, una proteina che medierà il riconoscimento specie-specifico legandosi ad un recettore nella cellula uovo.

Questo processo è attivato dal contatto dello spermatozoo con la cellula uovo. Una volta che lo spermatozoo è entrato attraverso i vari strati infine abbiamo la fusione dell’acrosoma dello spermatozoo con la membrana plasmatica dell’uovo, questa fusione favorita dalla cellula uovo che accoglie la testa dello spermatozoo formando delle protusioni (grazie a polimerizzazione actina) dette cono di fecondazione. Lo spermatozoo quindi entra ma senza la coda.

Una delle fasi più importanti della fecondazione è il blocco della polispermia, ovvero evitare penetrazione di altri spermatozoi questo perché nella maggior parte degli animali si ha la monospermia cioè uno spermatozoo deve fondersi con una cellula uovo donando il suo nucleo aploide che va a fondersi con il nucleo aploide della cellula uovo e fornisce anche un centriolo necessario per le divisione mitotiche e segregazione cromosomi.

Se in una cellula uovo di riccio entrano due spermatozoi avremo invece del normale assetto cromosomico di 36 cromosomi 54 cromosomi. Avremo quindi due nuclei aploidi maschili, due centrioli e un nucleo aploide femminile. Fusione pronuclei da 54 che durante la divisione mitotica andranno a segregare in modo totalmente random e quindi avremo cellule con un numero di cromosomi diversi e questo porta ad aborti. Quindi il blocco della polispermia è molto importante.

Abbiamo due tipologie di blocco

• Blocco veloce, procede quello lento, non tutte le specie animali hanno questo blocco vs blocco lento che hanno tutte. Tipico di individui che si sviluppano in ambiente esterno. Dura 1 minuto, avviene grazie a variazioni del potenziale elettrico della membrana plasmatica dell’uovo dato da variazioni di concentrazione di na+ e k+.

Nella cellula uovo dei ricci di mare il potenziale di riposo della membrana è di -70mv (out: na alto, k basso - in: na basso k alto) entro 1-3 secondi dal legame del primo spermatozoo il potenziale di membrana si modifica diventando positivo +20mv per un lieve ingresso di na+ per osmosi. Gli spermatozoi possono fondersi solo con la membrana plasmatica con un potenziale di riposo di -70mv. Quindi questo cambiamento di potenziale rende impossibile il legame di altri spermatozoi.

5 mercoledì 30 settembre 2020

Potenziale di membrana ritorna a quello di riposo dopo circa 1 min la polispermia può quindi ancora avvenire.

• Blocco lento, avviene in tutte le specie animali. Questo è un blocco meccanico dove gli spermatozoi vengono scalzati dalla membrana vitellina tramite la reazione dei granuli corticali, vescicole con enzimi che degradano la matrice. Queste proteasi vanno a rompere i legami proteici tra membrana vitellina e membrana plasmatica e tra la bindina dello spermatozoo e i recettori dell’uovo. Formazione della membrana di fecondazione tramite legame dei componenti dei granuli con la membrana vitellina. I granuli contengono glicosamminoglicani composti che assorbono acqua e che per osmosi richiamano acqua separando così la membrana di fecondazione da quella plasmatica. La membrana di fecondazione viene stabilizzata tramite legami crociate tra proteine. Infine altre proteine dei granuli come la ialina forma un rivestimento intorno all’uovo detto strato ialino che protegge lo zigote e evitare impianto in zone diverse dall’utero.

Attivazione metabolismo cellula uovo

Fecondazione importante per attivare il metabolismo dei due gameti dato che la cellula uovo deve concludere la sua meiosi (nei ricci è già completata). Attivare il metabolismo cioè consentire alla cellula uovo di produrre mrna materno che serve a produrre proteine necessarie nelle prime fasi di segmentazione. L’ingresso degli ioni calcio durante l’ingresso dello spermatozoo è determinante, questo infatti attiva dei canali del calcio e il calcio regola dei processi rimuovendo inibitori dei messaggeri di origine materna che erano immagazzinati nel citoplasma consentendo la traduzione degli mrna materni. Inoltre rimuovo inibitori della divisione nucleare.

Segmentazione e gastrulazione riccio di mare

Per studiare sviluppo simile di animali marini. I ricci sono cordati per presenza di notocorda e tubo neurale in posizione dorsale. Sono invertebrati ma modello di studio valido per studi sullo sviluppo.

Segmentazione interessante perché ha delle strategie peculiari e diverse dalla segmentazione dei mammiferi. La segmentazione genera la multicellularità tramite divisioni mitotiche molto veloci, la singola cellula durante la segmentazione è detta blastomero e la struttura finale è la blastula. Nel riccio di mare abbiamo divisione molto veloce a causa della predazione, divisione mitotica senza fase g1 e g2, bifasica. La segmentazione inoltre è condizionata da due aspetti, la quantità e distribuzione delle proteine del tuorlo nel citoplasma e i fattori che nel citoplasma influiscono sull’orientamento del fuso mitotico e sui tempi della sua formazione. Questo influenza il piano di segmentazione.

Nei ricci la segmentazione è oloblastica completa in uovo isolecitico, viene detta oloblastica radiale perché le prime due divisioni sono meridiane e perpendicolari tra di loro. La terza divisione è equatoriale, perpendicolare alle prime due e separa l’emisfero animale da quello vegetativo. Quarta divisione, cellule del polo animale si dividono secondo un piano meridiano uguale dando mesomeri, quelle del polo vegetativo secondo un piano equatoriale ineguale dando macromeri e micromeri. Dallo stadio di 16 cellule in poi i mesomeri si dividono ugualmente con piano equatoriale, i macromeri in modo uguale meridiano e i micromeri si divideranno in modo ineguale formando 4 piccoli micromeri sotto 4 grandi micromeri. Alternanza di

6 mercoledì 30 settembre 2020

divisioni mediane e radiali forma una sorta di cerchio con divisione radiale. Alla fine della segmentazione che nel riccio di mare termina con la blastula a 120 cellule unite da giunzioni strette a formare una struttura epitelioide. Compare una cavità interna detta blastocele importante per la gastrulazione. A questo stadio i blastomeri sono specificati e le cellule esterne diventano ciliate. Cellule del polo vegetativo si ispessiscono e formano la piastra vegetativa e le cellule del polo animale secernano enzimi che digeriscono la membrana di fecondazione. Mappa presuntiva, in cui tutte le cellule del polo animale andranno a formare l’ectoderma, i macromeri del polo vegetativo daranno origine alle strutture mesenchimali, endoderma e mesoderma. I micromeri non formano grosse strutture e tessuti ma hanno più funzione di specificazione, ovvero la specificazione, cioè istruzioni che dicono ai mesomeri e macromeri cosa devono diventare, queste informazioni vengono fornite dai micromeri. I grandi micromeri si autospecificano tramite specificazione autonoma (mesoderma primario) tramite molecole segnale presenti nel citoplasma, rilasciano poi fattori paracrini o juxoparacrini che specificano le cellule vicine (macromeri e mesomeri) attraverso quindi specificazione condizionale.

Gastrulazione, inizia in un punto ben preciso detto blastoporo, nel polo vegetativo e vi è