Biologia dello sviluppo

Introduzione

In un corpo umano ci sono circa 30-40 trilioni di cellule in totale, rappresentate da circa 250/300 tipi cellulari, il cui tipo più abbondante sono gli eritrociti, che rappresentano circa l'80% del totale (in massa rappresentano solo il 4%). Nel corpo umano le cellule si organizzano in tessuti e ciò che molti scienziati hanno cercato di capire negli anni è come si realizzasse questa differenziazione cellulare. Con l'introduzione dei primi microscopi sono state fatte diverse teorie:

• Preformismo: un omuncolo è già presente negli spermatozoi
• Epigenesi: l'individuo si è sviluppato da una sorta di germe non ben formato

Con il perfezionamento dei microscopi circa alla metà dell'800 fu introdotta la teoria cellulare, ancora valida ad oggi, per cui tutti gli organismi viventi sono composti da una o più cellule con caratteristiche comuni, le quali rappresentano la loro unità funzionale. Le cellule derivano da altre cellule ed hanno lo stesso genoma, ma due cellule con un identico genoma possono avere strutture e funzioni ben diverse, perché i geni che sono espressi e quelli che sono inespressi sono diversi.

Processi di sviluppo cellulare

Durante lo sviluppo di un organismo cellulare si individuano quattro processi:

• Proliferazione
• Specializzazione (differenziamento)
• Interazione
• Movimento

Il differenziamento cellulare è un processo per cui una cellula cambia da un tipo ad un altro, quindi partendo da una cellula indifferenziata si formano cellule con funzioni specifiche. A differenziarsi spesso è la cellula staminale, ma può essere anche un progenitore. Il differenziamento cellulare avviene non soltanto durante lo sviluppo embrionale, ma anche durante la vita adulta (turnover), ed in alcuni tessuti più di altri. Può comportare cambiamenti di forma o dimensione, ma non comporta mai cambiamenti a livello della sequenza di DNA. Quello che varierà, infatti, sarà l'espressione genica specifica, per cui alcuni geni saranno espressi ed altri silenziati. Nel genoma di ciascuna cellula del nostro organismo sono contenute tutte le informazioni per produrre un nuovo organismo.

Esperimento di John Gurdon

L'ipotesi era che il genoma di una cellula differenziata contenesse effettivamente le informazioni per creare un nuovo organismo. Lo scienziato prese una cellula dall'epitelio intestinale di un girino e la inserì nella cellula uovo di un'altra rana. Anche se con una bassa efficienza, ebbe come prodotto girini adulti, per cui riuscì a dimostrare la sua tesi, ma ciò che rimase non chiaro per tanto tempo era il meccanismo attraverso il quale questo avviene.

Riprogrammazione del genoma

Un'altra scoperta chiave fu arrivare a conoscenza di come avviene la riprogrammazione del genoma, grazie al ricercatore Yamanaka, che prese dei fibroblasti e espresse all'interno di queste cellule quattro geni, che codificano per fattori di trascrizione, ottenendo una coltura di cellule a tutti gli effetti equivalenti alle staminali embrionali pluripotenti in grado di differenziare in tutti i tipi cellulari di un organismo.

Fecondazione

Nei mammiferi, in generale, lo sviluppo di un organismo avviene in quattro fasi:

• Contatto fra i gameti e riconoscimento specie-specifico
  • Fecondazione esterna: molto meno efficiente e ha meno probabilità di successo, poiché gli spermatozoi vengono rilasciati nell'ambiente esterno.
  • Fecondazione interna: molto più efficace poiché gli spermatozoi sono rilasciati direttamente all'interno dell'apparato riproduttore femminile, dove avviene il riconoscimento da parte dello spermatozoo della membrana pellucida. A questa segue la reazione acrosomiale, l'ingresso del materiale genetico e il blocco della polispermia, che è diverso da specie a specie, rapido o lento.
• Blocco della polispermia
  • Il blocco rapido avviene, per esempio, nei topi. Si attiva dopo pochi secondi, grazie ad una variazione di potenziale della membrana, che non permette ad altri spermatozoi di fondersi.
  • Il blocco lento avviene nell'uomo. Si attiva dopo un minuto e comporta la reazione dei granuli corticali, da cui avviene un'esocitosi enzimatica. Subito dopo che lo spermatozoo entra a contatto con l'uovo, i granuli sono rilasciati fondendosi con la membrana, e, grazie alle proteine secrete, si forma una barriera all'esterno della cellula uovo, che impedisce l'ingresso di ulteriori spermatozoi.
• Fusione dei nuclei
• Attivazione metabolica dello zigote

Il primo processo che avviene è definito segmentazione, il suo obiettivo è portare lo zigote ad uno stato pluricellulare, in cui l'embrione deve rispettare dei parametri tipici. Oltre alla divisione è ad un aumento del rapporto nucleo-citoplasma, queste divisioni non comportano un accrescimento della cellula, ma portano soprattutto un aumento del materiale genetico. Lo scopo, quindi, è quello di portare l'embrione allo stadio di blastocisti, una struttura formata da trofoblasto blastocele e nodo embrionale. Queste prime fasi dello sviluppo sono programmate, non si ha da subito l'attivazione del genoma embrionale. Questo avviene in un secondo momento, nell'uomo dallo stadio a 4 cellule. Quando l'embrione è allo stadio di blastocisti, si impianta nella mucosa uterina, grazie agli enzimi litici del sincizio trofoblasto, e successivamente avviene la gastrulazione, un tipico processo embrionale che porta alla formazione di quelli che sono i tre foglietti embrionali: ectoderma, mesoderma ed endoderma. Una volta che i 3 foglietti embrionali saranno formati, si potrà passare all'organogenesi, infatti, dall'ectoderma si sviluppano il sistema nervoso e respiratorio, dal mesoderma si sviluppano il muscolo scheletro e reni, e dall'endoderma l'intestino. Nelle prime fasi di embriogenesi essendoci una capacità regolativa molto sviluppata l'insorgenza di difetti ha una probabilità molto bassa di divenire una prob, mentre dopo la gastrulazione lo sviluppo è definito più a mosaico, per cui difetti dello sviluppo a partire da questo stadio insorgono più frequentemente.

Cellule staminali

Le cellule staminali sono cellule indifferenziate con capacità differenziativa, che hanno due proprietà che ne definiscono l'identità:

• Self renewal: una cellula staminale può dividersi in maniera simmetrica o asimmetrica, dare vita ad una cellula differenziata ed una copia di se stessa, o entrambe differenziate o entrambe indifferenziate.
• Potenza

Si classificano in:

• Staminali totipotenti, che si trovano nei primi stadi di sviluppo embrionale e possono svilupparsi in tutti i tipi cellulari.
• Staminali pluripotenti, che possono differenziarsi in tutti i tipi cellulari dell'adulto, ma non negli annessi embrio-fetali.
• Staminali multipotenti, che si trovano nei tessuti adulti, ma anche fetali, e sono coinvolte nella rinnovazione tissutale.
• Staminali unipotenti, che sono capaci di differenziare in un solo altro tipo cellulare (es. epatociti).

Esiste un tipo di cellula staminale, chiamata cellula staminale indotta (iPS), ed è analoga alle staminali embrionale pluripotente. Le iPS (induced pluripotent stem cells) hanno un grande potenziale da un punto di vista clinico, ma ancora si desiste dall'usarle, a causa della facilità della loro degenerazione tumorigenica. Le staminali non sono presenti in tutti i tessuti adulti, o meglio, ci sono tessuti in cui la capacità rigenerativa è più pronunciata, come nel sistema emopoietico, nella pelle o nell'intestino, mentre ci sono altri tessuti, come nel cervello e nel cuore, che hanno limitata o nessuna capacità rigenerativa. La presenza di staminali in questi organi è oggetto di studio e dibattito. Una staminale quando si rinnova deve prendere la decisione di rinnovarsi o produrre nuove cellule. Esiste anche un differenziamento di tipo terminale, che si ha quando il precursore abbandona permanentemente il ciclo cellulare, esprimendo un corredo genetico funzionale al tipo cellulare che andrà a rappresentare, ed è fondamentale per tessuti come il sistema nervoso. Le staminali sono importanti per capire i meccanismi biologici di base sul differenziamento per la terapia genica. Il differenziamento avviene tramite espressione differenziale di geni, ed è guidato da programmi trascrizionali, che sono in genere controllati a loro volta da proteine (fattori di trascrizione), ma in realtà anche da pathway epigenetici. I fattori di trascrizione sono geni espressi in maniera tessuto-specifica, proteine che saranno in grado di legare il DNA a livello di regioni regolatorie (promotori), formando complessi multiproteici che controllano l'espressione di altri geni. In questi complessi sono spesso presenti anche cofattori. Sono importanti per lo sviluppo, spesso controllano la comunicazione cellulare come recettori, intervengono nella trasduzione del segnale o codificano per proteine di adesione. Nei cambiamenti di espressione genica è influente anche la memoria cellulare, ovvero la memoria epigenetica, in cui non si ha la modifica della sequenza del DNA, ma che porta a modificazioni, ad esempio, della struttura cromatinica. Le regioni regolatorie della trascrizione sono spesso organizzate in maniera modulare, per cui ogni modulo è regolato da fattori di trascrizione specifici, che promuovono o reprimono l'espressione in un certo dominio spazio-temporale. Uno stesso gene è presente in differenti cellule del corpo, ma la sua espressione (anche delle isoforme) dipende dai fattori di trascrizione presenti. Le cellule staminali sono capaci di effettuare divisioni asimmetriche, per cui dalla divisione cellulare si formano due cellule diverse, ma si può anche avere una divisione simmetrica, per cui le cellule figlie diventano diverse grazie a segnali esterni, che ricevono dopo il differenziamento. Esistono una serie di meccanismi possibili, che intervengono nella generazione di schemi complessi, a partire da segnali derivanti da particolari regioni dell'embrione, dette signaling centers, che devono essere il più semplici possibili, per garantire risparmio energetico e di materiale genetico.

Meccanismi di segnalazione

I meccanismi di segnalazione possono essere di tipologia:

• Induttiva: un gruppo di cellule in un tessuto genera un segnale alle cellule vicine, che lo ricevono e vengono indirizzate verso un determinato pathway di differenziamento.
• Sequenziale: un gruppo di cellule B può mandare un segnale ad una cellula A, dando vita ad una cellula C, che a sua volta, mandando segnali alle cellule vicine, può dare vita a molti altri tipi cellulari.
• Per gradiente: coinvolge molecole solubili, ad esempio, le citochine e le chemochine. Un gruppo di cellule secerne un gradiente di un morfogeno o di un segnale, che si troverà ad alta concentrazione vicino alle cellule che lo hanno secreto e più bassa in lontananza, dando quindi una segnalazione posizionale. Ad esempio, è il modo in cui le cellule dell'endotelio possono riconoscere il flusso sanguigno.
• Combinatoriale: sono presenti più proteine regolatrici, la cui differente combinazione determina una diversa espressione genica.
• Mediata da memoria cellulare: uno stesso regolatore ha effetti differenti su cellule con storie epigenetiche diverse.
• Antagonista: ci sono più di un gruppo di cellule, uno che emana un segnale induttore, un altro un segnale antagonista.
• Inibizione laterale: avviene per contatto tra due cellule adiacenti, che esprimono ligandi e recettori. Così si crea un'asimmetria transitoria in grado di amplificarsi e generare una competizione, in cui una cellula vince.