Biologia dello sviluppo

Biologia dello sviluppo

Studio dello sviluppo dell'organismo

La biologia dello sviluppo si occupa dello studio dello sviluppo dell’organismo, nella fase compresa tra la fecondazione e la nascita, ed è definita anche embriologia. Gli organismi pluricellulari non nascono completamente formati ma si formano in seguito a un processo chiamato sviluppo che non termina alla nascita perché la maggior parte degli organismi non smette mai di svilupparsi. La biologia dello sviluppo è la disciplina che studia i processi embrionali e gli altri processi di sviluppo.

Riproduzione

La riproduzione è il processo con cui da un organismo unicellulare o pluricellulare si originano nuovi individui, assicurando la continuità della vita da una generazione all’altra. Può essere:

• Assessuata
• Sessuata

Riproduzione asessuata si basa su fenomeni di mitosi che determinano la divisione di una cellula madre in due cellule figlie identiche.

• Negli organismi unicellulari (asessuata):
• Scissione = si ottengono due individui uguali
• Gemmazione = a partire da una cellula madre si produce una cellula più piccola che si accrescerà dopo essersi staccata da quella originaria
• Negli organismi pluricellulari (asessuata): si verifica negli organismi meno evoluti e mediante processi di divisione cellulare di particolari parti del corpo

Riproduzione sessuata si verifica mediante la fusione di due cellule "gameti" (meiosi) durante la fecondazione. I gameti non sono geneticamente identici e la loro fusione permette la nascita di un individuo in cui viene ripristinato il corredo genetico diploide che non risulterà identico a nessun altro individuo.

Corpo luteo

Il corpo luteo è una ghiandola endocrina temporanea che produce ormoni, principalmente progesterone, che espelle l'oocita per essere fecondato nelle tube e da lì verrà spostato nell'utero in cui avverrà l'annidamento. Successivamente degenera e il progesterone viene prodotto dalla placenta.

Gametogenesi

La gametogenesi è il processo di formazione dei gameti:

• Spermatozoi per gli organismi di sesso maschile (spermatogenesi)
• Cellula uovo per gli organismi di sesso femminile (ovogenesi)

Il primo passo della gametogenesi consiste nella formazione delle cellule germinali primordiali (PGC) e il loro ingresso nelle creste genitali, aree dell’embrione in cui si stanno formando le cellule somatiche della futura gonade. La loro origine avviene quindi in sedi diverse e non nella gonade in cui invece migrano quando queste (gonadi) si sviluppano e in cui poi matureranno in gameti. Solo in una fase avanzata dello sviluppo le PGC migrano dalla sede in cui si formano fino alla gonade, che si sta differenziando durante l’organogenesi, mediante meccanismi che coinvolgono le strutture del citoscheletro.

Una volta giunte all’interno della gonade, non essendo ancora differenziate, intraprendono una serie di divisioni mitotiche producendo milioni di potenziali gameti, e solo nel momento in cui l’organismo sarà pronto, inizierà la meiosi, cioè il meccanismo che porterà le cellule germinali a differenziarsi in gameti maturi e a ridurre il loro numero di cromosomi da 2N a 1N. Durante la fase proliferativa, le cellule germinali sono chiamate goni: spermatogoni e ovogoni.

Il momento in cui inizia la meiosi è variabile, può avvenire nello stadio embrionale, nella fase adulta e può essere un meccanismo continuo o limitato entro un determinato arco di tempo. Questa variazione del momento di inizio dipende dal tipo di organismo che si prende in considerazione. Ad esempio, nel caso di individui femminili appartenenti alla nostra specie, la donna inizia la gametogenesi durante il periodo della pubertà e fino ai 50 anni circa sarà fertile, mentre nel periodo successivo, quello della menopausa, la gametogenesi termina. Ciò non vale per gli organismi di sesso maschile caratterizzati da spermatogenesi continua che inizia al momento della pubertà e prosegue per il resto della loro vita. Anche negli individui più anziani la spermatogenesi è attiva, ma in questo caso si avrà una riduzione della motilità degli spermatozoi.

Spermatogenesi

Distinguiamo:

• Spermatogenesi continua attiva in maniera perenne e non esiste un periodo di fecondità e uno di non fecondità, ad esempio nell’uomo
• Spermatogenesi ciclica che avviene solo in determinati periodi dell’anno, detti "stagioni degli amori", al di fuori dei quali non vengono prodotti spermatozoi. Questa condizione è tipica dei mammiferi escluso l’uomo

Queste due modalità di spermatogenesi comportano una diversa morfologia del testicolo perché, se si fa una sezione istologica del testicolo di un mammifero che presenta una spermatogenesi continua, si osservano all'interno dei follicoli testicolari tutti gli stadi di maturazione: dagli spermatogoni (cellule non ancora differenziate) agli spermatociti primari e secondari, agli spermatidi fino allo spermatozoo maturo. Nel testicolo in cui avviene una spermatogenesi ciclica si trovano invece delle cisti in ciascuna delle quali si osservano cellule nello stesso stadio di sviluppo. Quindi, se si fa una sezione in un periodo non riproduttivo, si osservano cisti in cui vi sono spermatogoni e spermatociti primari e secondari, cioè cellule che si sono bloccate e non entrano in meiosi e cellule che la stanno iniziando. Se invece la sezione viene fatta durante il periodo riproduttivo, osserviamo cisti contenenti spermatozoi maturi.

Il differenziamento delle cellule inizia quando l'individuo raggiunge la maturità sessuale e si realizza mediante la meiosi (da una cellula diploide si hanno 4 gameti aploidi) che sta alla base del processo di gametogenesi. La spermatogenesi è il processo durante il quale si forma e si differenzia il gamete maschile, lo spermatozoo. La gonade maschile all'interno della quale avviene il differenziamento delle PGC è il testicolo, una ghiandola cistica o tubulare composta (esocrina) rivestita da una capsula connettivale fibrosa = tonaca albuginea suddivisa in lobuli, ciascuno dei quali accoglie dei dotti, i tubuli seminiferi, fra i quali si trova una rete di connettivo lasso contenente le cellule interstiziali endocrine del testicolo: le cellule di Leyding, che producono testosterone su stimolazione di LH ed è responsabile dei caratteri sessuali secondari e dello stimolo della spermatogenesi. Le vie spermatiche comprendono il canale dell'epididimo che continua con il dotto deferente da cui origina il dotto eiaculatore che si apre nell’uretra. Nell'epididimo avviene il processo di maturazione degli spermatozoi che nell'uomo inizia nel periodo della pubertà e prosegue per tutta la vita. I tubuli seminiferi rappresentano l'unità funzionale del testicolo, sono formati da una sottile tonaca connettivale ed all'epitelio seminifero che comprende due tipi di cellule: cellule del Sertoli e cellule germinali.

Le cellule del Sertoli hanno forma triangolare con base posta sulla membrana basale e apice verso il lume del tubulo seminifero. Sono provviste di prolungamenti citoplasmatici che avvolgono le cellule germinali fino agli stadi finali della maturazione. Nell'adulto non si dividono e forniscono sostegno meccanico alle cellule germinali in sviluppo e sono coinvolte nella liberazione degli spermatozoi maturi nel lume del tubulo. Sotto l'azione dell'FSH rilasciano una proteina che ha un'elevata affinità per il testosterone ed ha la funzione di trattenerlo all'interno dei tubuli seminiferi.

Osservando la sezione di un tubulo seminifero di un mammifero con spermatogenesi continua, troviamo alla base gli spermatogoni; man mano salendo ci saranno le cellule che hanno subito la meiosi e nel lume si trovano gli spermatozoi maturi liberi o che devono essere liberati. In particolare, a contatto con la lamina basale vi sono gli spermatogoni che subiscono mitosi e si dividono in due cellule, di cui una resta alla base e l’altra inizia la meiosi: all’interno di ogni tubulo seminifero ci saranno sempre delle cellule non differenziate che garantiranno la continuità della spermatogenesi. Durante le diverse divisioni degli spermatogoni, la citodieresi non è completa ma le cellule formano un sincizio producendo cloni di cellule interconnesse. Finita la meiosi, si avrà il differenziamento in spermatozoi attraverso il processo di spermiogenesi.

È importante sottolineare la presenza di contatti tra lo spermatogonio, gli spermatociti primari e secondari, gli spermatidi e gli stessi spermatozoi che si stanno formando durante il processo di spermatogenesi: sono presenti dei ponti citoplasmatici necessari affinché la spermatogenesi possa avvenire in modo sincrono e questo collegamento garantisce una comunicazione più rapida tra le cellule ed un contemporaneo differenziamento nelle diverse fasi in modo da formare contemporaneamente un buon numero di spermatozoi. Finché lo spermatozoo non è completamente formato, questi ponti citoplasmatici sono mantenuti. Inoltre, le cellule sono tenute insieme fra loro da proteine (N-caderine) che sono alla base dei meccanismi di adesione cellula-cellula e dei sistemi di adesione tra epidermide e derma. Esiste una patologia detta pemfigoide bolloso in cui negli individui affetti non vengono espresse le N-caderine e ciò causa la formazione di bolle in tutto il corpo perché l’epidermide si distacca dal derma e in molti casi risulta letale.

Processo di spermatogenesi

Cosa succede allo spermatogonio una volta che arriva nella gonade? Dal momento che l’individuo non è ancora maturo, lo spermatogonio detto spermatogonio di tipo A1 si divide per mitosi formando altri spermatogoni di tipo A1: queste sono cellule non ancora differenziate con il nucleo molto eucromatico, tondeggianti, e tendono a dividersi fino a che si raggiunge quello che è il numero tipico della specie. A un certo punto l’individuo arriverà alla maturità sessuale e inizia quindi il differenziamento cellulare: alcuni spermatogoni restano di tipo A1, mantenendo quindi la continuità, altri spermatogoni di tipo A1, invece, iniziano a differenziarsi e si dividono per mitosi producendo, per ciascun spermatogonio di tipo A1, uno spermatogonio di tipo A1 e uno di tipo A2. Lo spermatogonio di tipo A2 si divide per mitosi e dà origine a due cellule di spermatogonia A3, ciascuno dei quali darà per mitosi due spermatogoni di tipo A4.

Lo spermatogonio di tipo A4 ha tre possibilità:

• Va incontro ad apoptosi (morte programmata)
• Il differenziamento si blocca poiché l’organismo non è ancora pronto
• Inizia la linea del differenziamento dello spermatozoo

Nel primo caso, lo spermatogonio di tipo A4 può andare incontro ad apoptosi, un meccanismo che avviene normalmente in natura a cui sono soggette tantissimi tipi di cellule, soprattutto durante lo sviluppo embrionale, ed è molto diffuso per regolare anche il numero o il tipo delle cellule. È molto utilizzata come meccanismo di regolazione interna.

Nel secondo caso, lo spermatogonio A4 produce altri spermatogoni A4 perché ancora l’organismo non è pronto. In alcuni casi si ha uno stimolo in fase prenatale e si bloccano in spermatogoni A4 e quando inizia la pubertà (gli spermatogoni A4) inizieranno la spermatogenesi.

Nel terzo caso, lo spermatogonio A4, attraverso uno stimolo ormonale, inizia la spermatogenesi quindi si divide per mitosi e dà origine allo spermatogonio B. Gli spermatogoni B si dividono per mitosi e danno origine agli spermatociti primari, cioè quelle cellule che subiranno la meiosi.

Gli spermatogoni A1, A2, A3, A4 e B sono cellule morfologicamente uguali: rotondeggianti, con grossi nuclei e attività trascrizionale abbastanza attiva e non ancora morfologicamente differenziate. Le differenze e i diversi nomi sono stati dati in base ad alcune caratteristiche molecolari e biochimiche ma morfologicamente sono identiche. Nemmeno gli spermatociti primari sono ancora differenziati e sono le prime cellule che entrano in meiosi.

Cosa regola il passaggio da spermatogonio a spermatocito e quindi l’inizio della meiosi? Questo passaggio è regolato da fattori ormonali, in particolare dal GDNF (fattore neurotropico delle cellule derivate della linea gliale) secreto dalle cellule del Sertoli che regola la produzione di gonadotropine.

• Bassi livelli di GDNF favoriscono il differenziamento degli spermatogoni
• Alti livelli di GDNF favoriscono l'autorinnoamento delle cellule staminali

Inizia la meiosi: le cellule che subiscono la prima divisione meiotica sono gli spermatociti primari che formano quelli secondari e che subiscono a loro volta la seconda divisione meiotica per formare 4 cellule aploidi chiamate spermatidi non ancora totalmente differenziati e che subiranno un processo di differenziamento che prende il nome di spermiogenesi alla fine del quale si ottiene uno spermatozoo maturo in grado di fecondare e con tutte le caratteristiche morfologiche tipiche dello spermatozoo della specie.

Nella maggior parte delle specie, gli spermatozoi emessi dal maschio al momento dell’eiaculazione non sono idonei per la fecondazione, ma devono subire il processo di capacitazione che consiste nella modifica chimica dello spermatozoo che comporta un rimaneggiamento delle molecole che sporgono sulla membrana plasmatica nella parte esterna della cellula e che la rendono in grado di fecondare la cellula uovo. Avviene nelle vie genitali femminili, le cui secrezioni contengono albumina in grado di rimuovere il colesterolo dalla membrana dello spermatozoo. Contemporaneamente, vengono attivate le proteine che mediano l'interazione dello spermatozoo con l'oocita ed aumenta la permeabilità al calcio che, fluendo nel citoplasma, determina un aumento della motilità dello spermatozoo. Solo gli spermatozoi che sono stati capacitati possono fecondare l’oocita ovulato ed interagendo con il suo involucro ovulare vanno incontro a reazione acrosomiale: evento che consiste nella fusione della membrana acrosomiale esterna con quella plasmatica sovrastante.

Prima della capacitazione, gli spermatozoi possiedono sulla membrana quattro classi di molecole:

• Glicoproteine mobili
• Glicoproteine fisse
• Glicolipidi
• Componenti periferici di membrana associate alle glicoproteine mobili

Con la capacitazione avviene il taglio dei componenti periferici e ciò comporta un riassetto delle glicoproteine mobili e delle componenti intrinseche di membrana. Alla fine della meiosi, si ottengono 4 spermatidi aploidi, ma sono ancora cellule tondeggianti con grandi quantità di citoplasma e con della cromatina molto despiralizzata, attivi anche dal punto di vista trascrizionale e traduzionale. Quindi, devono solo cambiare il loro aspetto morfologico per assumere le caratteristiche tipiche di uno spermatozoo maturo.

Spermiogenesi

Il processo in cui uno spermatidio si differenzia in spermatozoo è detto spermiogenesi. La spermiogenesi consta di 4 fasi:

Fase del Golgi

È la fase in cui si forma l’acrosoma, una vescicola che si origina dall’apparato del Golgi. Nel periodo in cui lo spermatidio si differenzia in spermatozoo, l’apparato del Golgi è molto attivo e produce tante piccole vescicole che, fondendosi per coalescenza, formano la vescicola acrosomiale. L’apparato del Golgi è responsabile della formazione dei lisosomi poiché secerne vescicole ricche di enzimi litici destinate ad essi. Quindi, l’acrosoma non è altro che una grossa vescicola di origine golgiana ricca di enzimi litici che garantiranno allo spermatozoo di creare un varco disgregando (per mezzo degli enzimi litici) gli involucri della cellula uovo e fondersi con essa. Inoltre, come tutte le strutture di origine golgiana, l’acrosoma presenterà al suo interno dei granuli preacrosomiali ognuno dei quali è rivestito da membrana.

Fase del cappuccio

L’acrosoma si accresce, si addossa sempre di più al nucleo e si sviluppa il cappuccio, che copre parte del nucleo. In questa fase, il nucleo comincia il processo di compattazione e cristallizzazione della cromatina che si condensa in grossi granuli grazie alla sostituzione degli istoni con le protammine, piccole proteine costituite per oltre il 60% da arginina e ciò determina la completa sospensione della trascrizione e facilita l’assunzione di una struttura quasi cristallina del DNA. Il DNA per poter funzionare e quindi trascrivere deve despiralizzarsi esponendo il materiale genetico a mutazioni, per cui questa compattazione del DNA serve a proteggere l'informazione genetica da tramandare alla generazione successiva e a proteggere il DNA da eventuali danni. La compattazione del nucleo fa sì che la cromatina appaia molto scura, infatti lo spermatozoo si rappresenta con il nucleo nero, proprio perché non permette che passino raggi di luce durante l’osservazione microscopica.

Fase dell'acrosoma

L’acrosoma comincia a spostarsi e modellarsi.

Fase di maturazione

Viene eliminato il citoplasma in eccesso sotto forma di corpo residuo fagocitato dalle cellule del Sertoli e si dissolvono i ponti citoplasmatici tra gli spermatidi. Nello spermatozoo sono presenti due centrioli che, durante la fase del Golgi, migrano verso la porzione posteriore del nucleo: uno si dispone in posizione prossimale al nucleo, l’altro in posizione distale. Nella fase di maturazione, il centriolo distale subisce un processo di allungamento in cui vengono aggiunti ulteriori tubuli in modo tale da accrescersi e formare l’assonema che costituirà la coda dello spermatozoo. L’assonema è una struttura microtubulare composta da 9 coppie esterne di microtubuli (A e B) disposte attorno a una coppia interna centrale. Dai microtubuli A originano dei bracci di dineina che rappresenta una proteina molto importante.