Anatomia comparata

Anatomia comparata

Testo consigliato: Manuale di anatomia comparata; autori Giavini, Menegola, edito da EDISES. Con la dicitura “vedi fig. ecc” (Le immagini a cui si fa riferimento in questo documento si trovano appunto nel testo suddetto).

Programma del corso

• Dallo zigote all’embrione: la segmentazione, gastrulazione e principi generali di embriologia. Formazione dei tre foglietti embrionali, l’organogenesi.
• Classificazione e principali caratteristiche delle varie classi di vertebrati e loro progressiva evoluzione.
• Apparato tegumentario: aspetti funzionali e strutturali generali, il tegumento e i suoi derivati nei vertebrati (scaglie, squame, penne, peli e ghiandole). La pigmentazione cutanea.
• Apparato digerente: caratteristiche generali del tubo digerente, aspetti microscopici e funzione dei diversi tratti del tubo digerente (esofago, stomaco, intestino). Fegato e pancreas: morfologia, funzione e relazione con l’apparato digerente.
• Apparato respiratorio: caratteristiche generali nei vari vertebrati (branchie e polmoni) e sua evoluzione nei tetrapodi.
• Anatomia ed evoluzione dell’apparato escretore. L’unità funzionale del apparato uro-genitale: rene, aspetti microscopici. Aspetti strutturali del testicolo (cistico e tubulare) e dell’occhio (sacciforme e parenchimatoso).
• Generalità ed alcuni esempi di organi endocrini.

La fecondazione

L’oocita è una cellula di grandi dimensioni, determinate dal processo di auxocitosi. L’auxocitosi consiste nel processo di accrescimento dei gameti immaturi e avviene di solito nel corso della prima divisione meiotica. È dunque particolarmente evidente nei gameti femminili che accumulano nel loro citoplasma materiali nutritivi. Anche lo spermatozoo va incontro a questo processo ma in misura molto minore.

Lo zigote è il risultato della fusione tra il pronucleo dell’oocita e un pronucleo di uno spermatozoo. Meccanismi specifici controllano la fecondazione al fine di evitare la polispermia, ovvero la penetrazione di due o più spermatozoi nell’uovo. L’oocita riceve dunque dallo spermatozoo il suo nucleo, i centrioli e i mitocondri i quali verranno però ubiquinati e degradati. Allo stesso destino va incontro anche il flagello dello spermatozoo. Ne consegue che, a parte i centrioli, tutti gli organelli dello zigote sono di origine materna.

A proposito della riproduzione sessuata, il biologo canadese F. B. Lillie definisce i due gameti come due singole cellule in punto di morte. Infatti, se non avviene la fecondazione in un tempo limitato, ogni gamete andrà incontro a morte. In caso contrario, si ottiene appunto lo zigote che viene invece definito come un individuo ringiovanito in quanto è l’unica cellula totipotente. Durante il processo di sviluppo questa potenzialità si andrà via via riducendo arrivando infine al differenziamento. Cellule muscolari e nervose, ad esempio, derivano entrambe dallo zigote ma essendo differenziate possono svolgere solo la loro funzione.

Nel corso dell’evoluzione, inoltre, sono stati messi a punto meccanismi per garantire il successo della sopravvivenza della specie.

L’assunzione di Talidomide come antinausea ha provocato in America la nascita di bambini con alterazioni ad arti superiori e/o inferiori o addirittura totale mancanza di arti. Gli esperimenti di tossicità furono condotti su topi e ratti ma l’effetto prodotto non fu lo stesso di quanto avvenne nell’uomo. Durante la gravidanza è pertanto meglio limitare al minimo l’assunzione di farmaci in quanto questi possono causare malformazioni o mancanza di sviluppo. Attualmente la Talidomide è usata per la cura dei tumori proprio perché essa influisce sulla proliferazione cellulare.

Tappe della fecondazione

Le modalità con cui si verifica la fecondazione variano da specie a specie ma in generale possiamo riassumere tale processo nelle seguenti tappe fondamentali:

• Riconoscimento e contatto tra spermatozoo e cellula uovo: per poter fecondare la cellula uovo di una particolare specie, lo spermatozoo deve necessariamente appartenere alla stessa specie. Inoltre, non sempre quando il gamete maschile incontra l’oocita, esso ha completato la sua maturazione.
• Regolazione dell’entrata dello spermatozoo nell’oocita: determina l’ingresso del pronucleo e dei centrioli.
• Fusione del materiale genetico dei due gameti: lo spermatozoo ha un patrimonio genetico aploide. Nella cellula uovo invece questo dipende se è bloccata in metafase II o se ha completato la divisione meiotica o ancora se si tratta di un oocita primario. Nel momento in cui è stata ripristinata la diploidia, cosa che avviene con la formazione dello zigote, si ha lo svolgimento dell’ultima fase:
• Attivazione del metabolismo dell’uovo per dare inizio allo sviluppo: l’entrata del pronucleo maschile attiva l’oocita a completare il suo sviluppo. L’attivazione del metabolismo dell’uovo porta all’eliminazione di tutti gli altri spermatozoi adesi tramite l’azione dei granuli corticali.

Esaminiamo ora l’oocita di anfibio: andando dall’esterno verso l’interno osserviamo un abbondante strato trasparente e gelatinoso; è questo un esempio di membrana secondaria che viene secreta dalle vie genitali femminili quando l’uovo vi passa attraverso. Più internamente abbiamo la membrana vitellina a sua volta esempio di membrana primaria secretata dall’oocita e dalle cellule che lo circondano. Al di sotto della membrana vitellina è presente la membrana plasmatica e, al di sotto di essa, i granuli corticali contenenti le molecole che verranno esocitate per andare a staccare gli spermatozoi adesi. Questo meccanismo evita la polispermia che in caso contrario comporterebbe gravi danni.

Nel citoplasma dell’oocita sono presenti i determinanti morfogenetici e le sostanze nutritizie che vengono definite vitello in quanto derivanti dalla vitellogenina, una proteina prodotta nel fegato materno e poi portata agli oociti.

Riconoscimento tra spermatozoo e uovo: azione a distanza

I primi esperimenti condotti al riguardo furono effettuati su organismi con sviluppo acquatico. Questi organismi rilasciano gli spermatozoi in acqua. La femmina deve allora saper attrarre gli spermatozoi della stessa specie e respingere quelli di specie diverse. Si parla di meccanismo di chemiotassi; esso prevede due step:

• Attrazione specie specifica: gli oociti rilasciano una sostanza chimica che viene riconosciuta solo dagli spermatozoi della stessa specie.
• Attivazione specie specifica dello spermatozoo: ha inizio la reazione acrosomiale. La vescicola acrosomiale è un organello a contenuto enzimatico posto al disotto della membrana plasmatica dello spermatozoo. Durante la reazione acrosomiale, le membrane acrosomiale e plasmatica si fondono, dando origine a pori che permettono la secrezione degli enzimi litici acrosomiali. Una volta che ciò è avvenuto, lo spermatozoo si avvicina sempre di più alla membrana plasmatica dell’uovo.

Riconoscimento tra spermatozoo e uovo: contatto dei gameti

Consideriamo il riconoscimento specie specifico nel riccio di mare: reazione bindina-recettori. La bindina è una proteina tipica degli spermatozoi, legata alla membrana acrosomiale interna. La reazione acrosomiale è molto importante perché determina la rottura della vescicola in modo da “smascherare” le proteine di legame tra cui appunto la bindina. Molecole bindino-simili nel ruolo ma con diverso PM, sono state identificate anche negli anfibi. Esse interagiscono con recettori localizzati sull’involucro vitellino.

Attrazione degli spermatozoi: azione a distanza

La chemiotassi è stata documentata in molte specie a fecondazione esterna. Si è visto infatti che quello della chemiotassi è un meccanismo alla base di tutti i meccanismi di riproduzione esterna. L’oocita rilascia la sostanza attraente; vicino all’oocita la molecola sarà dunque più abbondante mentre più ci si allontana da esso più la molecola diminuisce. Nel riccio di mare, lo spermatozoo segue il gradiente che si viene a creare e, così facendo, si avvicina alla cellula uovo.

Le uova diventano in grado di attrarre gli spermatozoi dopo aver completato la seconda divisione meiotica. Gli oociti non maturi non sono pertanto in grado di attirare gli spermatozoi anche se appartenenti alla stessa specie. Nell’uomo invece l’oocita viene fecondato quando è ancora bloccato in meiosi II, la quale sarà completata solo dopo l’ingresso dello spermatozoo.

È stato scoperto che il riccio di mare Arbacia punctulata produce un peptide costituito da 14 amminoacidi e caratterizzato da basso PM. Tale peptide prende il nome di RESACT ed è localizzato nello strato gelatinoso. Una volta rilasciato attira gli spermatozoi i quali sono dotati di recettori transmembrana specifici per recepire il segnale rilasciato da RESACT stesso. Si viene così a creare un’agglutinazione di spermatozoi.

Durante la chemiotassi, gli spermatozoi aumentano la respirazione mitocondriale e quindi la produzione di ATP. Questo comporta un aumento della motilità che gli consente di agglutinarsi in un punto ben preciso.

Nei mammiferi esiste sia il meccanismo di chemiotassi che quello di termotassi. Il primo viene mantenuto poiché le ovaie sono due e la chemiotassi fa sì che gli spermatozoi diventino più attivi e si muovano verso una direzione più precisa. Per quanto riguarda il secondo meccanismo invece, l’ovaio che rilascia l’oocita determina un leggero innalzamento della temperatura.

La reazione acrosomiale

Negli echinodermi, tra pronucleo e vescicola acrosomiale è presente una riserva di actina monomerica che polimerizza nel momento in cui vengono esposte le bindine, dando luogo così al processo acrosomico (assente nei mammiferi).

Durante la reazione acrosomiale, la membrana acrosomiale esterna e un tratto di quella plasmatica si fondono in alcuni punti. Alla fusione della vescicola acrosomica con la membrana plasmatica dello spermatozoo segue poi un’esocitosi scatenata dal contatto dello spermatozoo con le componenti dell’involucro gelatinoso dell’uovo. L’interazione determina infatti la successiva apertura dei canali ionici del Ca²⁺. L’ingresso di Ca²⁺ induce la formazione del processo acrosomico per polimerizzazione dell’actina globulare in microfilamenti rivestiti da bindina, che attraversano l’involucro dell’uovo. Quella descritta è un’interazione specie-specifica in quanto i recettori dell’involucro vitellino riconoscono esclusivamente molecole di bindina prodotte dagli spermatozoi della stessa specie.

In tutto ciò si ha la liberazione degli enzimi proteolitici che digeriscono un percorso nello strato gelatinoso. La parte di membrana plasmatica dello spermatozoo rimanente si va ad unire alla membrana acrosomiale interna per garantire la protezione del nucleo.

Il riconoscimento della bindina è stato ben descritto andando a identificare la bindina stessa; si tratta di una glicoproteina di adesione dello spermatozoo con particolari recettori situati sulla membrana vitellina della cellula uovo (appunto recettori per la bindina).

Fusione dei gameti nel riccio di mare

La fusione dei gameti è un processo attivo mediato dalle cosiddette proteine di fusione. La bindina presenta all’estremità ammino-terminale un tratto di aa idrofobici capaci di determinare (in vitro) la fusione di vescicole.

La superficie dell’uovo è rivestita da microvilli. Dopo il contatto tra processo acrosomico e microvillo dell’uovo si ha la formazione del cono di fecondazione: la membrana vitellina si solleva e una sorta di manicotto di citoplasma avvolge il pronucleo maschile tirandoselo all’interno. Il citoplasma, accompagnato dalla membrana, riesce a sollevarsi grazie ad actina monomerica che polimerizza all’occorrenza.

I centrioli paterni successivamente danno luogo a microtubuli che verranno usati dallo zigote nella sua prima divisione. Quindi: 1 spermatozoo 1 cellula uovo. Questo al fine di garantire il successo riproduttivo in quanto, in caso contrario, si avrebbero all’interno della stessa cellula più fusi mitotici o più cromosomi o ancora zero cromosomi, tutte condizioni incompatibili con la vita.

Pertanto la condizione ideale è la monospermia che comporta la presenza di un solo pronucleo aploide maschile con la relativa coppia di centrioli + un pronucleo aploide della cellula uovo (nel riccio di mare). In questo modo viene ristabilito l’assetto genico/cromosomico tipico della specie.

La prima tappa a cui va incontro lo zigote è la mitosi. Prima però deve duplicare il suo materiale genetico. Nello zigote però questo avviene in maniera particolare perché i pronuclei maschili e femminili si duplicano separatamente e poi si incontrano nel fuso mitotico.

Inibizione della polispermia

La polispermia può avere conseguenze disastrose. Si ha la formazione di uno zigote anomalo che presenta un pronucleo femminile + due pronuclei maschili con i rispettivi centrioli e che risulta quindi dotato di ben tre nuclei. Da ciò deriva un numero di cromosomi sbagliato. La presenza di più coppie di centrioli fa sì che nella duplicazione si formino due fusi mitotici anomali in quanto distribuiscono in modo anomalo il materiale genetico: i cromosomi infatti si vanno ad abbinare casualmente a uno dei due fusi. Si formano allora 4 blastomeri di cui uno non ha materiale genetico perciò non può vivere, gli altri 3 hanno invece ricevuto ciascuno un numero diverso e inadeguato di cromosomi.

Per poter interagire in modo armonico, le cellule di un organismo pluricellulare devono avere lo stesso numero di cromosomi. Viceversa si avrà la morte dell’embrione. Per questo le specie hanno evoluto meccanismi per il blocco della polispermia.

I gemelli

I gemelli si suddividono in monozigoti e dizigoti. Quelli monozigoti (di cui esistono diversi tipi) derivano da un unico evento di fecondazione, mentre quelli dizigoti derivano ognuno da un processo di fecondazione diverso, ovvero da due ovociti fecondati ciascuno da uno spermatozoo. Si è visto che lo sviluppo dei gemelli si verifica più spesso nelle donne trattate ormonalmente.

I gemelli monozigoti possono essere di tre tipi che hanno però lo stesso punto di partenza: lo zigote si divide dando origine a due blastomeri i quali andranno incontro a loro volta a sviluppo. Il tessuto materno e quello fetale costituito da trofoblasti formano un organo importante che nutre l’embrione e allontana le sostanze tossiche; nei mammiferi questo organo è la placenta. Sulla base dell’organizzazione di tali tessuti distinguiamo i tre tipi di gemelli:

• Tipo 1: sono costituiti da due cellule contenenti una massa cellulare interna circondata da trofoblasti; in questo caso i gemelli hanno ciascuno una placenta a testa.
• Tipo 2: abbiamo una cellula contenente due masse cellulari interne distaccate, circondate da trofoblasti. Le masse cellulari interne sono popolazioni che danno esclusivamente origine all’embrione (i trofoblasti sono quelli che si occupano del nutrimento). In questo caso i gemelli dividono la placenta ma sono separati da due sacchi amniotici distinti.
• Tipo 3: anche qui una cellula ma contenente due masse cellulari interne unite, circondate da trofoblasti; in questo caso i gemelli hanno in comune non solo la placenta ma anche il sacco amniotico.

I gemelli identici (e quindi monozigoti) derivano dalla separazione dei primi blastomeri e nell’uomo rappresentano lo 0,25% delle nascite.

I gemelli di tipo 1, corrispondenti al 33% dei casi, hanno due corion completi e distinti (per corion s’intende il tessuto embrionale per la formazione della placenta). In questi gemelli la separazione tra i due blastomeri è molto precoce: avviene infatti prima della formazione del trofoblasto (che si verifica prima del quinto giorno post-fecondazione).

I gemelli identici di tipo 2 rappresentano invece i 2/3 dei casi e hanno un corion in comune e due amnios (hanno cioè una placenta e due sacchi amniotici). Nella gravidanza monocoriale biamniotica, la separazione avviene nella ICM dopo che si è formato il trofoblasto e prima della formazione dell’amnios, quindi tra il quarto e il nono giorno.

Un caso particolarmente raro è quello dei gemelli siamesi. Le due masse cellulari interne sono molto vicine per cui i due embrioni si sviluppano quasi a mutuo contatto, in un unico sacco amniotico. Nel 99% dei casi i due corpi alla nascita sono uniti. Se tale unione è lieve i due gemelli possono essere chirurgicamente separati altrimenti, come avviene nella maggior parte dei casi, questo non è possibile.

Il già citato problema della polispermia non è presente solo nei mammiferi ma può essere evitato dall’oocita; vediamo come.

I primi studi al riguardo furono condotti sul riccio di mare e sugli anfibi. Si è visto che l’oocita attua un blocco rapido alla polispermia a cui segue un blocco lento. Il meccanismo del blocco rapido, non esistente nella maggior parte dei mammiferi, dura un solo minuto e viene innescato dopo circa 2-3 secondi dal contatto tra la membrana vitellina della cellula uovo e lo spermatozoo, a cui segue la fecondazione. La membrana plasmatica ha un potenziale di riposo pari a -70mV. Poiché questo potenziale negativo rappresenta la proprietà fusogena tra le due membrane, il potenziale di riposo passa bruscamente da -70mV a un valore positivo a causa dell’ingresso di ioni sodio presenti nell’ambiente esterno nella cellula uovo. L’ingresso di Na⁺, cambiandone il potenziale di riposo, fa sì che la membrana plasmatica impedisca l’ulteriore ingresso di spermatozoi. Gli spermatozoi non sono infatti in grado di fondersi con membrane...