Appunti rielaborati e integrati - Biologia dello Sviluppo

1° lezione introduzione

Embriologia → branca della biologia che va a studiare i fenomeni che sono legati alla riproduzione, a partire dalla maturazione dei gameti (si formano attraverso la gametogenesi).

Biologia dello sviluppo → studia lo sviluppo degli organismi pluricellulari i quali non nascono completamente formati ma seguono un processo piuttosto lento di cambiamenti.

Durante la fecondazione i gameti (spermatozoo e cellula uovo) si fondono insieme per formare la 1° cellula dell’organismo, detta zigote. Attraverso diversi processi lo zigote diventerà un nuovo individuo; esistono meccanismi di differenziamento che sono diversi tra la gametogenesi maschile e quella femminile. A seconda della specie possono essere presenti degli stadi larvali. La larva col tempo diventerà un individuo in grado di nutrirsi autonomamente, andrà incontro a metamorfosi per poi trasformarsi nell'individuo sessualmente maturo (dal quale deriveranno di nuovo i gameti e quindi comincerà il processo di sviluppo embrionale).

Lo zigote subisce una serie di processi che hanno tempistiche e meccanismi diversi a seconda:

• Dell'organismo
• Del tipo di specie animale considerata
• Dell'ambiente dove questo organismo si sviluppa

Sviluppo → processo attraverso cui da una singola cellula (zigote) viene formato un organismo complesso formato da organi e tessuti.

Sviluppo embrionale

1° segmentazione

Processo attraverso il quale lo zigote va incontro a una serie di divisioni mitotiche a cui non corrisponde un accrescimento cellulare (massa e dimensioni dell’embrione non aumentano). Le cellule che vengono a formarsi al termine di ogni divisione vengono dette blastomeri. Al termine di questo stadio l’embrione viene definito blastula. Ogni specie animale è caratterizzata da tipi di segmentazione variabili. La segmentazione può essere diversa se lo sviluppo avviene in un ambiente esterno alla madre oppure in un ambiente interno; inoltre può variare perché lo zigote ha caratteristiche genotipiche (quindi fenotipiche) diverse legate proprio al genoma. Le mitosi che avvengono durante la segmentazione differiscono rispetto alle mitosi nelle cellule somatiche di un adulto perché le fasi di G1 e G2 sono praticamente inesistenti: questo permette di avere una divisione molto più rapida e soprattutto non un aumento di volume. La blastula può avere forme diverse a seconda del tipo di organismo (con cavità al centro; con cavità interna spostata verso uno solo dei poli ecc).

Nei diversi gruppi di animali ci sono sviluppi di tipo autonomo contrapposti a sviluppi di tipo regolativo.

Sviluppo autonomo → i blastomeri contengono all'interno di sé le informazioni che le portano al differenziarsi in un certo tessuto specifico;

Sviluppo regolativo → i blastomeri si sviluppano in un certo modo perché ricevono dei segnali dai blastomeri circostanti, ne dirigono il differenziamento verso un particolare tipo di tessuto o organo.

2° gastrulazione

I blastomeri cominciano a muoversi all’interno dell’organismo per formare i diversi foglietti embrionali (ectoderma, mesoderma, endoderma) dal quale si formeranno diversi tipi di tessuti. Può variare considerando organismi diversi. In particolare alcuni blastomeri presenti nella parte più esterna entrano all'interno della blastula attraverso una cavità detta blastoporo.

3° neurulazione

Porta allo sviluppo del tubo neurale (da cui origina il sistema nervoso centrale).

4° organogenesi

Serie di meccanismi che portano alla formazione dei tessuti definitivi e alla primitiva organizzazione degli apparati, poi degli organi. Infine ovviamente si ha la crescita di questi organi.

Parlando di sviluppo embrionale dobbiamo considerare tutta una serie di altri meccanismi importanti: differenziamento, morfogenesi, accrescimento, riproduzione, evoluzione.

Differenziamento: a partire da un’unica cellula fecondata, lo zigote, si andranno a sviluppare diverse tipologie di cellule (neuroni, cellule pigmentate, cellule dell’epidermide, cellule del sangue ecc). Allo stesso modo alcune di queste cellule sviluppatesi dallo zigote saranno deputate a formare i gameti (dette cellule germinali). All’inizio le cellule all'interno dell'embrione sono tutte uguali dal punto di vista genetico, perciò come fanno a diventare cellule di ectoderma - mesoderma – endoderma / differenziarsi? Tramite un meccanismo definito “espressione genica differenziale”, attraverso il quale alcuni geni vengono accesi selettivamente ed altri spenti: il genoma viene attivato in maniera differente a seconda del tipo cellulare.

Morfogenesi: la morfogenesi si occupa di dare una giusta posizione alle cellule, in modo che vadano a formare i diversi tessuti nell'organismo. Permette inoltre di organizzare le cellule nello spazio in maniera adeguata e di definire lo sviluppo lungo l’asse antero-posteriore (fa sì che cellule che devono essere presenti, ad esempio, nella parte posteriore del digerente, lo siano effettivamente – così come per la parte anteriore).

Accrescimento: l’accrescimento nell'adulto è molto limitato a contrario di quello che avviene durante lo sviluppo embrionale. La crescita a volte deve essere limitata (grazie a segnali particolari), altre no (alcune cellule dell'epidermide, alcune nicchie di cellule staminali accrescono per tutta la vita).

Riproduzione: nel caso di organismi pluricellulari c'è la necessità di avere uno specifico differenziamento tra le cellule somatiche e le cellule germinali.

Evoluzione: alcuni tessuti cambiano durante l'evoluzione perché sono sottoposti a delle pressioni dell'ambiente o anche da cambiamenti epigenetici (influenzati dell'ambiente stesso).

Le tappe fondamentali dello sviluppo sono:

• Separazione della linea germinale dalla linea somatica
• Definizione del sesso: gli organismi vertebrati hanno meccanismi per determinare il sesso che sono diversi da quelli nei mammiferi
• Informazione per generare gli assi antero-posteriore e dorso-ventrale: durante lo sviluppo embrionale si deve definire esattamente quale sarà la parte anteriore/posteriore e dorsale/ventrale dell'embrione;
• Formazione foglietti embrionali
• Organogenesi

Foglietti embrionali ed embriogenesi

I tessuti dei metazoi si sviluppano durante le fasi iniziali dell’embriogenesi. I precursori dei tessuti sono detti foglietti embrionali: essi creano l’impalcatura sulla quale il corpo del metazoo è costruito. Sulla base del numero di foglietti embrionali distinguiamo animali diblastici e animali triblastici.

Animali diblastici – Cnidari e Ctenofori

I primitivi metazoi presentano solo l’ectoderma e l’endoderma, vengono per questo chiamati diblastici. L’embrione presenta due strati, uno esterno detto ectoderma ed uno interno detto endoderma. Le cellule ectodermiche si specializzano nella protezione del corpo, nel fornire movimento, nel raccogliere informazioni (prendono origine alcune strutture di protezione). Le cellule endodermiche si specializzano nell’acquisizione dell’alimento. Sono animali diblastici quelli a simmetria raggiata perché durante le tre fasi di sviluppo osserviamo una simmetria che ricorda dei raggi (cnidari e ctenofori).

Animali triblastici

Negli animali più evoluti è subentrato anche un foglietto intermedio, il mesoderma: vengono quindi chiamati triblastici. L’evoluzione del mesoderma ha ampliato il potenziale evolutivo della complessità degli animali in quanto ha messo a disposizione un ulteriore pezzo su cui la selezione naturale ha potuto operare. La presenza del mesoderma ha permesso di determinare lo sviluppo dei cordati: un raggruppamento che non comprende solo i vertebrati ma anche alcuni invertebrati caratterizzati dall’avere il cordomesoderma.

Nei triblastici l’ectoderma dà origine a:

• Strato esterno (cute e epidermide)
• Encefalo e sistema nervoso
• Cellule della cresta neurale (con potere differenziativo elevato: danno origine a diversi tipi cellulari)
• Placodi cranici (da cui si originano organi di senso come occhio ed orecchio)

L’endoderma dà origine al tubo digerente e all’apparato respiratorio (polmoni).

Il mesoderma può differenziarsi in notevoli tipologie di cellule, può dare origine a:

• Cellule del sangue, cuore, reni, gonadi, ossa, muscoli, connettivi

Il mesoderma in realtà si suddivide in diverse componenti, che hanno specifiche funzioni:

• Cordomesoderma, mesoderma della lamina laterale, mesoderma intermedio

Esistono due raggruppamenti di organismi: protostomi e deuterostomi. Durante l'inizio della gastrulazione la prima apertura che si forma (blastoporo) darà origine:

• Nei protostomi alla bocca (prima apertura a formarsi)
• Nei deuterostomi all’ano (prima apertura a formarsi; la bocca dopo)

Questo diverso meccanismo di sviluppo viene regolato da una serie di meccanismi molecolari.

Storia

• Aristotele nel quarto secolo a.C. fu il primo ad osservare la nascita degli animali da uova. Con l'avvento del microscopio i primi embriologi dello sviluppo avevano cominciato ad osservare alcuni meccanismi importanti.
• Malpighi nel 1672 mostra lo sviluppo embrionale dell'embrione di pollo.
• Pander scoprì per primo i foglietti embrionali proprio in un embrione di pollo.
• Karl Ernst von Baer fu il primo che scoprì la notocorda nel 1827.

La notocorda è un particolare tipo di mesoderma che oltre a dare una struttura di sostegno all’organismo dà origine a dei segnali che vengono recepiti dall’ectoderma (foglietto sovrastante) per determinare la formazione del sistema nervoso (svolge quindi un'importante funzione in tutti i cordati).

Leggi di Karl Ernst von Baer

1. Nell’embrione le caratteristiche generali compaiono più precocemente di quelle specifiche.
2. Dalle caratteristiche più generali si sviluppano quelle più specifiche: es all’inizio stesso tipo di cute, in seguito… squame nel pesce, piume uccello, unghie mammiferi.
3. L’embrione di una specie più evoluta assomiglia all’embrione di specie meno evolute, piuttosto che all’adulto (questo è vero non soltanto se osserviamo lo sviluppo embrionale di specie attuali ma anche di specie meno evolute: per lo sviluppo di un riccio di mare vediamo caratteristiche che sono in comune allo sviluppo embrionale di vertebrati superiori come i pesci).

• Haeckel: l’ontogenesi ricapitola la filogenesi → lo sviluppo embrionale degli organismi dice qual è stata la storia evolutiva degli organismi delle varie specie.
• Rathke fu il primo a dimostrare che gli archi faringei sono delle strutture embrionali dei vertebrati che durante le fasi precoci dello sviluppo sono molto simili ma che nell’adulto danno origine a strutture molto diverse. Per esempio nei pesci danno origine agli archi branchiali e all'osso iomandibolare; nei rettili all'osso quadrato e all’osso squamoso; nei mammiferi ad ossicini dell’orecchio medio (come incudine e martello).
• Edwin Conklin nel 1905 osserva mappa del tunicato Styela partita. I tunicati sono dei cordati caratterizzati da uno sviluppo autonomo (vedi pag 1). Egli compì esperimenti di rimozione di blastomeri durante lo sviluppo embrionale: ha rimosso il blastomero b41 dallo stadio di “8 blastomeri”, ottenendo un organismo fatto da 7 blastomeri (privo del b41). Da questo organismo si sviluppò una larva sprovvista completamente della coda; mettendo a crescere il b41 in una piastra da questo si svilupparono dei tessuti simili alla coda della larva. Hanno quindi dimostrato che dentro al blastomero b41 c'erano dei fattori fondamentali per portare al differenziamento del tessuto muscolare della coda (se l’organismo veniva privato del blastomero b41 non c’era modo di ripristinare il suo sviluppo).
• Colorazioni vitali di embrioni di anfibio: Vogt (1929) aveva provato a seguire i movimenti di gastrulazione andando a colorare in maniera differente le varie blastule, utilizzando dei pezzettini di Agar con dei coloranti specifici diversi (vennero trapiantati nell'embrione prima che partisse la fase di gastrulazione). I movimenti di questi Agar colorati vennero seguiti con uno stereomicroscopio, per vedere dove andavano a posizionarsi i blastomeri (per capire quali erano i movimenti di gastrulazione in un embrione di anfibio). Ad oggi vengono usate sostanze coloranti fluorescenti che vengono iniettate nell’embrione e possono essere seguite in vivo tramite l’utilizzo di microscopi a fluorescenza. DiI: sostanza fluorescente con affinità per la membrana delle cellule.
• Un altro esperimento per capire come avviene lo sviluppo è stato quello di effettuare dei “trapianti chimerici”: si trapiantano pezzi di un embrione di una specie (es: quaglia) in un embrione ricevente (es: pollo), e si seguono poi i movimenti del pezzo trapiantato (il trapianto di cellule di quaglia permette di essere osservato, avendo caratteristiche completamente diverse dall’embrione di pollo). Ad esempio l’eterocromatina si colora di più rispetto che nel pollo ed è generalmente localizzata attorno al nucleolo delle cellule di quaglia. In alternativa si possono usare anticorpi diretti contro le cellule di quaglia.
• Inizialmente si marcavano alcune cellule con delle sostanze radioattive, captate dalle cellule. Nell’esempio vengono trapiantate cellule della cresta neurale del tronco (possono dare origine ad alcuni gangli del SN simpatico, gangli della radice dorsale del SN, cellule dei melanociti e della glia). Si può seguire il destino differenziativo delle cellule della cresta neurale (che inizialmente si trovano nella parte dorsale del tubo neurale ma che poi migrano per originare diversi tipi cellulari).
• Slide 23: altro possibile esperimento. Abbiamo un embrione di pollo reso fluorescente con dei costrutti caratterizzati dall’avere una sequenza genica che va a mappare una parte delle cellule della cresta neurale dell’embrione → si trapiantano in un embrione non fluorescente e si segue poi lo sviluppo differenziativo. Si vede che le cellule della cresta neurale più posteriore sono in grado di dare origine ai neuroni associati all’intestino (sistema nervoso enterico).

Riproduzione sessuata

Tutti gli organismi a riproduzione sessuata si originano dall’unione di gameti: spermatozoo e uovo. I gameti derivano dalle cellule germinali primordiali (CPG). In molti animali (come insetti e vertebrati) si ha una separazione netta tra cellule germinali e cellule somatiche. In alcuni animali (es. cnidari) e nelle cellule vegetali tale divisione non esiste; è necessario differenziare le cellule germinali primordiali dalle cellule somatiche in quanto hanno caratteristiche molto diverse (tempistiche di sviluppo, forma, dimensione).

• Weissmann nel 1893 capì che gli elementi della linea germinale erano in grado di passare da una generazione a quella successiva senza soluzione di continuità, mentre le cellule somatiche si interrompono e alla fine di ogni generazione vengono sostituite.

Queste cellule si differenziano notevolmente dalle cellule somatiche per le maggiori dimensioni, forma, per il ritmo delle divisioni e soprattutto per la presenza di particolari proteine e RNA messaggeri che ne specificano il loro sviluppo e differenziamento; spesso tali molecole – che danno queste particolari caratteristiche - vengono ad associarsi a mitocondri con i quali costituiscono i cosiddetti determinanti germinali. Le cellule germinali primordiali potrebbero andarsi a sviluppare in una zona diversa dell'embrione rispetto a quella dove si troverà la gonade (nella gonade andranno poi a localizzarsi in maniera definitiva). Durante lo sviluppo embrionale questi determinati germinali si possono andare a localizzare in specifici blastomeri ed è quindi possibile seguire un particolare destino e localizzazione dell’embrione a seconda dell'organismo. Le CGP sono cellule diploidi che si spostano nella gonade in via di sviluppo: le ovaie nella femmina ed i testicoli nel maschio. Dopo un periodo di proliferazione mitotica nelle gonadi, le CGP entrano in meiosi e si differenziano in gameti aploidi maturi, uova o spermatozoi. In seguito la fusione di un uovo con lo spermatozoo avvierà l’embriogenesi. Il ciclo comincia di nuovo con la produzione di nuove CPG in questo nuovo embrione. All'inizio la cellula germinale primordiale è un gonio, una cellula staminale che non sa ancora se diventare una cellula gametica femminile o maschile; soltanto quando raggiungerà la gonade definitiva, in base ad una determinazione del sesso, questa comincerà un differenziamento verso una cellula germinale femminile piuttosto che una maschile. Questo sviluppo e differenziamento avviene in concomitanza con il differenziamento della componente somatica della gonade.

Inizialmente le CGP sono delle cellule diploidi che si spostano nella gonade in via di sviluppo (le gonadi si svilupperanno in ovaie se la determinazione del sesso attiverà una serie di cascate geniche che porteranno al differenziamento femminile, oppure si differenziano in testicoli). Le CGP quando arrivano nella gonade subiscono una serie di divisioni mitotiche e solo successivamente queste cellule germinali primordiali entrano in meiosi, per portare alla formazione dei gameti femminili o maschili a seconda della gonade e della determinazione del sesso. In seguito ci sarà la fusione della cellula uovo con lo spermatozoo che avvierà lo sviluppo di un nuovo organismo e quindi un processo di embriogenesi; in questo nuovo embrione partiranno anche tutti i meccanismi che portano alla produzione di nuove cellule germinali primordiali.

Le CGP nei mammiferi (es topo) hanno origine dall’epiblasto, poi migrano alla II settimana di sviluppo e alla terza sono visibili a livello del sacco vitellino in prossimità