Appunti completi di Biologia dello sviluppo

Biologia dello sviluppo

Sommario

• Embriologia ............................................................................................................................... 2
• Gametogenesi .......................................................................................................................... 3
• Fecondazione............................................................................................................................ 6
• Fecondazione nel riccio di mare ........................................................................................... 6
• Fecondazione nei mammiferi ............................................................................................... 8
• Segmentazione ......................................................................................................................... 8
• Gastrulazione ..........................................................................................................................10
• Organogenesi .........................................................................................................................10
• Sviluppo a mosaico e regolativo .............................................................................................11
• Specificazione e determinazione .......................................................................................11
• Embriologia sperimentale ..................................................................................................11
• Sviluppo di C. elegans (protostoma) .......................................................................................12
• Perché C. elegans? ..............................................................................................................12
• Sviluppo di Drosophila melanogaster ....................................................................................13
• Validità del modello ...........................................................................................................13
• Ciclo vitale ..........................................................................................................................13
• Sviluppo embrionale ..........................................................................................................13
• Sviluppo Tunicati - ascidia ......................................................................................................14
• Validità del modello ...........................................................................................................14
• Fasi di sviluppo ...................................................................................................................15
• Sviluppo Echinodermi – riccio di mare e stella marina ..........................................................15
• Fasi di sviluppo del riccio di mare ......................................................................................15
• Sviluppo stella marina ........................................................................................................16
• Sviluppo cefalocordati – anfiosso ..........................................................................................16
• Sviluppo anfibi – rana .............................................................................................................16
• Utilità del modello ..............................................................................................................16
• Ciclo vitale ..........................................................................................................................16
• Determinazione assi con gli esperimenti ...........................................................................17
• Sviluppo degli uccelli ..............................................................................................................18
• Il pollo come modello di sviluppo ......................................................................................18
• Annessi embrionali .............................................................................................................19
• Mappa dei territori presuntivi ............................................................................................19
• Sviluppo mammiferi ...............................................................................................................19
• Il topo come modello .........................................................................................................19
• Ciclo vitale ..........................................................................................................................19
• Cellule staminali .....................................................................................................................20
• Caratteristiche delle staminali ...........................................................................................20
• Staminali embrionali ESC ....................................................................................................20
• Applicazioni terapeutiche...................................................................................................21

Embriologia

L’embriologia è lo studio degli stadi embrionali di un individuo. L’approccio di studio è di tipo embriologico-comparato, in cui la comparazione degli embrioni in vari stadi serve a denominare una discendenza comune. Il padre dell’embriologia è Von Baer il quale formula delle leggi:

• I caratteri più specifici derivano da quelli più generali.
• Compaiono prima i caratteri generali e poi quelli più specifici.
• L’embrione di un individuo appartenente ad una specie più evoluta è simile all’embrione di un individuo di una specie meno evoluta piuttosto che all’adulto.

Le fasi principali dello sviluppo di un individuo sono:

1. Gametogenesi: formazione dei gameti maschili e femminili;
2. Fecondazione: fusione dei gameti per formare lo zigote;
3. Segmentazione: serie di divisioni mitotiche molto rapide;
4. Gastrulazione: formazione di 3 foglietti embrionali (endoderma, che originerà apparato digerente e respiratorio; mesoderma, che originerà il muscolare, il circolatorio, l’urogenitale; ectoderma, che originerà epidermide e tessuto connettivo);
5. Organogenesi: formazione degli organi;
6. Sviluppo post-natale: l’individuo raggiunge maturità sessuale mediante una serie di metamorfosi.

Contemporaneamente allo sviluppo embrionale, ci sono una serie di processi che permettono la regolazione di queste fasi, quali:

• Proliferazione cellulare: le cellule proliferano grazie al loro ciclo cellulare, composto da interfase (G1, S e G2) e fase mitotica (M). Le fasi G permettono alla cellula di accrescersi in volume, mentre nella fase S avviene la sintesi di DNA. Durante la fase M la cellula si divide. Il ciclo viene regolato da proteinchinasi ciclino dipendenti, ovvero chinasi che sono dipendenti dalla produzione e dai livelli di ciclina. Per passare da una fase all’altra ci sono dei checkpoints che verificano lo stato della cellula, se è pronta per passare alla fase successiva o se deve andare in quiescenza per prepararsi.
• Differenziamento cellulare: processo nel quale una cellula si differenzia per andare a far parte di una determinata tipologia cellule.
• Migrazione cellulare: le cellule possono migrare singolarmente o a gruppi, strisciando su cellule adiacenti o effettuando una vera e propria transizione cellulare, in cui si staccano dal proprio gruppo, emettono un filopodio o lamellipodio e lo puntano in direzione del target, si iniziano a muovere perché sentono una differenza di potenziale e si fermano soltanto nel momento in cui non sentono più una differenza.
• Interazione cellula-cellula e cellula-matrice: l’induzione può essere di tipo regolativo o permissivo. Nel tipo regolativo è la cellula inducente che dirige la cellula indotta a differenziarsi in un determinato tessuto. Nel tipo permissivo, la cellula inducente dà una spinta alla cellula indotta perché questa cominci a differenziarsi secondo il suo destino.
• Morte cellulare: la morte cellulare può essere di tipo programmata o improvvisa. La morte programmata è rappresentata dall’apoptosi, processo nel quale la cellula inizia a digerire i propri costituenti e chiama macrofagi pronti a racchiuderla senza far uscire il contenuto cellulare all’esterno; situazione che non si verifica se si tratta di morte improvvisa, rappresentata dalla necrosi, poiché la cellula si accresce sempre di più fino a scoppiare, riversando il proprio contenuto all’esterno e provocando un processo infiammatorio elevato.

Gametogenesi

La gametogenesi è il processo che porta alla formazione dei gameti:

• Maschili: spermatogenesi;
• Femminili: oogenesi.

La gametogenesi si distingue principalmente in:

1. Formazione delle gonadi: le PGC formano un abbozzo che sarà formato da medulla maschile e cortex femminile, in base all’espressione del gene SRY si determina o meno la mascolinizzazione dell’abbozzo. Se il gene SRY viene espresso il cortex viene eliminato e la medulla si differenzierà in testicolo; se il gene SRY subisce una mutazione, la medulla viene eliminata e il cortex si differenzierà in ovario.
2. Divisioni cellulari, permettono il dimezzamento del corredo cromosomico.
3. Differenziamento, dona i caratteri peculiari ai gameti (il flagello allo spermatozoo).
4. Maturazione: l’uovo si riempie di determinanti.

La spermatogenesi è distinta in:

1. Spermatogenesi: lo spermatogonio diventa spermatocita primario e poi secondario attraverso una serie di mitosi e meiosi. Lo spermatocita secondario si divide diventando 2 spermatidi.
2. Spermiogenesi: processo in cui gli spermatidi diventano spermatozoi. Gli spermatozoi subiscono una serie di modificazioni quali, la cromatina si condensa mediante la sostituzione degli istoni con le protammine, il nucleo e il citoplasma si riducono, formazione della vescicola acrosomiale, formazione dell’assonema con struttura 9+2 che andrà a formare il flagello.
3. Spermiazione: processo nel quale gli spermatozoi vengono emessi nel lume del testicolo (centripeta). Gli spermatozoi così emessi non sono ancora in grado di fecondare la cellula uovo, necessitano di una maturazione spermatica e di essere capacitati (acquisire la capacità fecondante).

Lo spermatozoo maturo sarà così formato:

• Testa, contenente nucleo e vescicola acrosomiale (la vescicola contiene al suo interno enzimi litici che, una volta entrati in contatto con la membrana dell’uovo, andranno a digerire i componenti della stessa, permettendo allo spermatozoo di entrare all’interno, funge proprio come un’ariete).
• Collo, contiene un solo mitocondrio spiraliforme.
• Segmento intermedio, permette la flessione della coda.
• Segmento principale, assonema composto da 2 microfilamenti formati da 13 e 11 protofilamenti.
• Segmento terminale.

La spermiogenesi è regolata da fattori ormonali quali:

• Ormoni GDNF: sono rilasciati dalle cellule del Sertoli, alti livelli inducono la proliferazione mentre bassi livelli inducono il differenziamento;
• FSH: questo ormone è prodotto dall’ipofisi, il quale va a influenzare le cellule di Leydig le quali produrranno il testosterone.

L’oogenesi viene distinta in:

1. Proliferazione degli oogoni: l’oogonio prolifera in oociti.
2. Formazione degli oociti: l’oocita effettua una meiosi I, la quale si arresta in diplotene e si completerà soltanto grazie alla presenza di un ormone, diventando un oocita primario. Questo andrà incontro a meiosi II, la quale si arresta in metafase e si completerà soltanto dopo la fecondazione. L’oocita secondario maturerà in cellula uovo + 3 cellule polari. L’oocita si può accrescere con meccanismo solitario, nutrimentale, follicolare.
3. Follicologenesi: è distinta in 3 fasi:
   1. Fase preantrale: in cui si ha la formazione del follicolo primario, il quale sarà caratterizzato da cellule della granulosa, una teca (divisa in esterna e interna), corona radiata e formazione della zona pellucida;
   2. Fase antrale: il follicolo primario diventa secondario grazie alla produzione di liquor follicoli, il quale andrà a delineare un antro follicolare e si formerà il cumulo ooforo. Soltanto il follicolo più forte potrà maturare in follicolo terziario, o di Graaf.
   3. Fase ovulatoria: le gonadotropine, sotto effetto di estrogeni, modificano il cumulo ooforo e sbloccano la profase I. Inizia così la meiosi II che si completerà soltanto a seguito della fecondazione. L’ooc