Anatomia comparata

Anatomia comparata dei vertebrati

Embriogenesi

Sviluppo embrionale

Il termine "sviluppo" indica l’insieme degli eventi attraverso cui, durante un ciclo vitale, da un uovo fecondato si genera un organismo pluricellulare, i cui differenti tipi cellulari sono organizzati in tessuti ed organi, ciascuno deputato a svolgere una specifica funzione. Si può avere una larva che ha vita libera e durante lo sviluppo si trasformerà in adulto (sviluppo indiretto) o un piccolo adulto che subirà modifiche in modo limitato (sviluppo diretto). Lo sviluppo è un aumento regolato del numero di cellule associato ad un aumento della diversità cellulare, coordinati nello spazio e nel tempo.

Da un uovo fecondato (zigote) si genera un organismo pluricellulare attraverso importanti processi tra loro correlati e sovrapposti nel tempo:

• Divisione cellulare: mitosi.
• Determinazione: processo attraverso il quale una cellula viene specificata, determinata a svolgere una specifica funzione; è il risultato di un’espressione genica differenziale che fa sì che le cellule di un embrione divengano strutturalmente e funzionalmente diverse le une dalle altre; (una cellula acquista un proprio destino grazie a contenuti citoplasmatici e all’ambiente esterno).
• Differenziamento: processo in cui si verificano i reali cambiamenti biochimici, morfologici e funzionali che portano ai diversi tipi cellulari degli organismi; (dipende dall’espressione genica).
• Morfogenesi (modellamento della forma e degli organi grazie al movimento cellulare e apoptosi): processo attraverso il quale i diversi tipi di cellule si organizzano all’interno di organi e tessuti; è il risultato delle attività regolate e coordinate dei geni e dei loro prodotti.

Le cellule che nascono dalle prime divisioni sono equivalenti dal punto di vista delle loro potenzialità e sono dette totipotenti: ognuna di esse può dare origine a qualsiasi tessuto dell'organismo e perfino all'organismo intero. Le divisioni successive vedono invece una riduzione della capacità differenziativa in diversi tessuti e una sempre maggiore specializzazione: le cellule manifestano un certo grado di disomogeneità che andrà sempre più aumentando, cosicché gruppi diversi di cellule mostreranno un'identità sempre più spiccata. Le cellule diventano sempre più diverse tra loro con potenzialità sempre più bassa.

Con il passare del tempo, l'embrione acquisirà tutti i caratteri del futuro individuo e differirà da questo solo per le dimensioni e per il grado di maturazione di alcune sue parti. A questo punto le decisioni fondamentali sono già state prese e si entra in una fase di crescita e di maturazione.

Classi di potenza cellulare

• Totipotenza: cellula capace di formare un organismo in toto, capacità dei primissimi blastomeri.
• Pluripotenza: capacità dei blastomeri in fase tardiva, cellula capace di dare origine a tutti e 3 i foglietti embrionali (vertebrati: animali triblastici).
• Multipotenza: in ogni foglietto embrionale la cellula è capace di generare differenziandosi in cellule specifiche del compartimento in cui si trova.
• Unipotenza: cellula che può differenziarsi terminalmente in un solo elemento cellulare.
• Nullipotenza: cellula matura.

Lo zigote per diventare un organismo completo ha bisogno di informazioni: da dove arrivano? Le informazioni che servono sono due: un’informazione istologica e un’informazione posizionale.

Informazioni necessarie allo sviluppo

1) Informazione istologica, che serve a indirizzare la cellula verso il suo destino istologico. La cellula deve sapere di che tessuto farà parte, si svolge attraverso due processi: specificazione autonoma e specificazione condizionata.

2) Informazione posizionale, che guida la cellula verso una determinata parte del corpo alla quale dovrà alla fine appartenere. Si sviluppa tramite un processo chiamato specificazione posizionale. Le specificazioni autonoma, condizionata e posizionale si verificano parallelamente.

Specificazione autonoma e condizionata

Specificazione autonoma: intervengono costituenti propri della cellula e non dell’ambiente. L’informazione è di origine materna e presenta cellule uovo non fecondate. I costituenti sono chiamati determinanti citoplasmatici o morfogeni e sono mRNA e fattori di trascrizione che vengono codificati dai geni materni chiamati geni dell’effetto materno. I costituenti sono distribuiti in modo irregolare nel citoplasma. Sono un’importante fonte di informazione che opera precocemente durante lo sviluppo, regolando l’espressione di altri geni innescando una cascata di attività genica che guida la genesi di un tessuto. Le cellule che ricevono differenti determinanti citoplasmatici si specializzano in modo diverso. In questo tipo di specificazione autonoma la determinazione avviene molto precocemente e prende il nome di sviluppo a mosaico (caratteristico di molluschi, anellidi e urocordati).

Nella specificazione condizionata interviene l’ambiente esterno quindi intervengono le altre cellule vicine che possono fungere da induttori che vanno ad indurre la cellula bersaglio: questi segnali induttivi che arrivano alla cellula bersaglio determinano cambiamenti dell’espressione genica nelle cellule bersaglio decidendo il destino di quella cellula. Specificazione tipica dello sviluppo regolativo (echinodermi e vertebrati): affinché la cellula bersaglio sia il bersaglio di segnali induttivi emessi è necessario che sviluppi dei recettori specifici per cogliere segnali, successivamente il segnale sarà tradotto e trasportato nel nucleo per andare ad influenzare l’informazione genica. Si parla di induzione primaria nello sviluppo precoce e induzione secondaria nella formazione dei diversi organi.

Tuttavia, nessuno sviluppo è esclusivamente a mosaico o regolativo, ma nel proprio svolgimento spazio-temporale comporta in genere entrambe le modalità.

Modelli di induzione embrionale

• Contatti cellula-cellula.
• Diffusione di morfogeni secondo gradiente di concentrazione.
• Modificazioni di componenti della matrice extracellulare (ECM).

Informazione posizionale

Nelle primissime fasi dello sviluppo embrionale si stabilisce una simmetria bilaterale, articolata su assi corporei fondamentali: antero-posteriore, dorso-ventrale e destra-sinistra (pattern corporeo). La suddivisione di quest’ultimi è influenzata da geni regolatori: i primi che agiscono sono quelli materno che stabiliscono la polarità asse antero-posteriore, successivamente intervengono i geni gap che vanno a stabilire le regioni principali del corpo (capo, torace) poi ci son i geni pair rule che formano singoli segmenti. Poi ci sono i geni hox che sono geni della polarità segmentale che determinano la posizione dei singoli segmenti. Il fine ultimo di questa cascata di eventi è informare la cellula e informarla di quale struttura faranno parte.

I geni Hox

I geni Hox sono geni regolatori che regolano l’espressione genica di uno o più altri geni. Essi producono fattori di trascrizione, proteine che contengono una sequenza di 60 aminoacidi (omeodominio) codificata da una sequenza di 180 nucleotidi (homeobox) del gene Hox, altamente conservata. L’omeodominio è la porzione della proteina che si lega al DNA, regolando l’espressione dei geni strutturali coinvolti nello sviluppo animale. I geni HOX si regolano lungo l’asse corporeo antero-posteriore che ognuno di loro controlla, con colinearità posizionale: il gene localizzato all'estrema destra controlla la testa, il secondo il collo, il terzo le spalle, fino all'ultimo a sinistra che controlla la parte più estrema del tronco. La loro caratteristica è quella di essere organizzati in 4 raggruppamenti dove ognuno di questi è posizionato su cromosomi diversi.

Lo sviluppo embrionale

Include una serie di eventi:

• Fecondazione
• Segmentazione
• Gastrulazione
• Neurulazione
• Organogenesi

(Noi studieremo anfibi, uccelli e mammiferi)

1. Fecondazione

Lo sviluppo embrionale prende il via da un evento di FECONDAZIONE, cioè la fusione dello spermatozoo con la cellula uovo (tra due gameti), che porta alla formazione di una cellula diploide, lo zigote. La fecondazione è un fenomeno della riproduzione sessuata anfìgonica, che è legata alla presenza di sessi diversi e porta allo scambio di materiale genetico tra gli individui di sesso diverso; la progenie presenta un corredo genetico differente (è suo, non uguale ai “genitori”) da quello dei due individui parentali. La riproduzione sessuata aumenta sia la variabilità genetica che fenotipica della prole (quest’ultima vantaggiosa per gli animali).

La riproduzione sessuata implica due eventi:

• La formazione di cellule aploidi (gametogenesi): sviluppo dei gameti maschili (spermatozoi) e femminili (cellule uovo), prodotti rispettivamente nel testicolo (♂) e nell’ovario (♀).
• La fecondazione che può essere:
  • Esterna, in ambiente acquatico (lamprede, pesci ossei, anfibi anuri → rane e rospi).
  • Interna, all’interno delle vie genitali femminili (pesci cartilaginei, anfibi urodeli e gimnofioni, rettili, uccelli, mammiferi).

La gametogenesi implica due processi fondamentali:

• Meiosi o divisione riduzionale: comporta due successive divisioni meiotiche in modo che i gameti diventano aploidi.
• Acquisizione da parte dei gameti di specializzazioni necessarie per la fecondazione e l’embriogenesi.

2. Spermatogenesi

La spermatogenesi è un fenomeno continuo, duraturo e prolifico, tipico del maschio adulto, che si realizza nei testicoli sotto controllo ormonale; alcune cellule germinali primordiali (spermatogoni) si differenziano in spermatociti primari che vanno incontro alla meiosi e, attraverso l’acquisizione di una serie di specializzazioni, si differenziano in spermatozoi maturi (secondari), abili a fecondare la cellula uovo. L’attività mitotica degli spermatogoni continua per tutta la vita del maschio.

I discendenti di un singolo spermatogonio restano connessi fra loro da ponti citoplasmatici comunicando tra loro ricevendo le stesse informazioni. Nel processo di differenziamento, la maggior parte del citoplasma degli spermatidi viene scartato come corpi residui (durante la spermiogenesi).

Spermiogenesi: da spermatidi in spermatozoi maturi. La spermiogenesi comporta una serie di trasformazioni a carico degli spermatidi, quali formazione dell’acrosoma derivante dall’apparato del Golgi (è una struttura ricca di enzimi idrolitici), sviluppo del flagello, condensazione della cromatina del nucleo ed eliminazione del gran parte del citoplasma.

Oogenesi

È un processo che prende avvio già nell’embrione femminile con il differenziamento delle cellule germinali primordiali in oogoni che si posizionano nell’ogone, trasformano in un numero definito di oociti primari, determinato prima della nascita, che rimangono bloccati fino alla pubertà all’interno di piccoli follicoli nella profase della meiosi I. Dalla pubertà, sotto l’influenza di ormoni, un singolo oocita primario completa la meiosi I ogni mese sviluppandosi in un oocita secondario che rimane bloccato in meiosi II fino a che non verrà fecondato altrimenti verrà eliminato come corpo luteo. L’attività mitotica degli oogoni è limitata alla vita embrionale; essi rappresentano una risorsa non rinnovabile.

Nella maggior parte dei vertebrati l’oocita secondario, in seguito a fecondazione, è stimolato a completare la meiosi II e a iniziare lo sviluppo embrionale.

Nel corso dell’oogenesi la meiosi comporta processi di citodieresi ineguale che distribuiscono la quasi totalità dell’ooplasma ad un’unica cellula uovo relativamente voluminosa. La cellula uovo tiene la maggior parte del citoplasma. Gli altri prodotti della meiosi sono i globuli polari che alla fine degenerano.

Le cellule uovo non fecondate presentano una determinata polarità definita dall’eterogenea distribuzione, secondo un gradiente di densità, delle sostanze del citoplasma, fra le quali il vitello o tuorlo; questo risulta più concentrato al polo vegetativo e meno concentrato al polo animale dove si trovano il nucleo e la maggior parte del citoplasma.

Cellula uovo NON fecondata polarizzata: presenta polo animale e vegetativo. Nel polo vegetativo è presente il vitello/tuorlo di origine materna prodotto nel fegato e poi trasportato alla gonade, rappresenterà materiale di nutrimento per il futuro embrione. Nel polo animale c’è la presenza del nucleo, del citoplasma e tutti gli organuli citoplasmatici. (Es: cellule polarizzate: cellula epiteliale e neurone)

Tipi di cellule uovo

Per capire la logica di un dato tipo di sviluppo embrionale occorre esaminare il tipo di cellula uovo da cui si forma lo zigote per arrivare alla formazione dell’individuo. In base alla quantità e alla disposizione del TUORLO, le cellule uovo si distinguono in:

• Uova alecitiche (mammiferi marsupiali e placentati): prive di tuorlo.
• Uova oligolecitiche (microlecitiche), isolecitiche (urocordati, anfiosso): poco tuorlo, disposto uniformemente nel citoplasma. L’uovo si schiude presto in larve che non si nutrono e che metamorfosano rapidamente.
• Uova mesolecitiche, telolecitiche (lamprede, attinopterigi non teleostei, dipnoi, anfibi): quantità moderata di tuorlo, disposto nel polo vegetativo. L’uovo si sviluppa presto in larve capaci di nutrirsi, che poi metamorfosano.
• Uova macrolecitiche, telolecitiche (missine, condroitti, teleostei, celacanti, rettili, uccelli, mammiferi monotremi): molto tuorlo, disposto nel polo vegetativo. Gli embrioni si sviluppano come adulti in miniatura, prima della schiusa.

Lo sviluppo delle uova può avvenire:

• In ambiente esterno (acquatico o terrestre) organismi ovipari (pesci, anfibi → (non hanno il sacco del tuorlo), rettili, uccelli e mammiferi monotremi). Le uova sono provviste di tuorlo per il completo sviluppo dell’embrione. In ambiente acquatico il sacco del tuorlo è l’unico annesso embrionale (anamni) non andranno mai incontro a disidratazione, invece in ambiente terrestre oltre ad avere il sacco del tuorlo compaiono anche altri annessi: amnios, corion, allantoide prendono il nome di amnioti= rettili, uccelli e mammiferi. (Questi annessi ricreano per l’embrione un ambiente acquatico che permettono all’embrione di non disidratarsi.)
• In ambiente interno, cioè all’interno del corpo materno: si stabilisce quindi un rapporto di “dipendenza” tra l’embrione e la madre: questo rapporto di dipendenza può essere...
  • Se la dipendenza è totale: la madre provvede al nutrimento dell’embrione tramite la placenta, scambi respiratori e smaltimento dei prodotti del metabolismo. Si parla di viviparità (alcuni rettili, mammiferi marsupiali → la dipendenza non è molto efficiente, completa la sua formazione all’interno del marsupio e mammiferi placentati → il feto completa la sua formazione all’interno dell’utero poiché la placenta è molto efficiente).
  • Se la dipendenza è parziale, in quanto l’embrione mantiene al suo interno il materiale nutritizio (si nutre da solo, non grazie alla madre) e dipende dalla madre solo per scambi respiratori, si parla di ovoviviparità (squali, alcuni rettili).

La fecondazione

La fecondazione provvede alla ricombinazione di corredi cromosomici aploidi e all’attivazione della cellula uovo, e implica:

• La penetrazione dello spermatozoo nell’uovo (ripresa della divisione meiotica con emissione del secondo globulo polare) → momento in cui l’oocita secondario, rimasto bloccato in metafase nella 2 divisione meiotica, completa la sua meiosi e viene emesso il secondo globulo polare che poi degenera.
• La fusione dei due pronuclei (nucleo spermatozoo + nucleo cellula uovo).
• Blocco della polispermia.
• L’attivazione del metabolismo dell’uovo per l’avvio allo sviluppo dell’embrione.

Nella fecondazione interna, lo spermatozoo, durante il passaggio attraverso il tratto riproduttore femminile, subisce molte modificazioni mediante le quali acquisisce la capacità di fecondare (CAPACITAZIONE). Tali modificazioni consistono in cambiamenti a carico della membrana plasmatica dello spermatozoo, nell’aumento del suo metabolismo e della sua motilità.

Il contatto dello spermatozoo con l’uovo, mediato da recettori specie-specifici, induce due reazioni:

• Reazione acrosomiale consiste nella fusione dell’acrosoma con la membrana plasmatica dello spermatozoo favorendo l’emissione/il rilascio degli enzimi idrolitici per i rivestimenti esterni dell’uovo. Questi enzimi, situati all’interno dell’acrosoma, servono per creare un passaggio cosicché lo spermatozoo riesca a superare lo spessore delle membrane che si trovano intorno alla membrana plasmatica della cellula uovo stessa.
• Reazione corticale qua sono presenti i granuli della cortex: consiste in modificazioni a carico della membrana ovulare primaria che diventa membrana di fecondazione impedendo l’entrata di altri spermatozoi (polispermia)).

Reazione acrosomiale e reazione corticale nei mammiferi: esternamente alla membrana ovulare primaria (zona pellucida) si forma una serie di cellule follicolari (cellule di sostegno) che vanno a costituire una corona radiata. Lo spermatozoo deve crearsi un passaggio attraverso le cellule follicolari e superare la zona pellucida per far sì che la sua membrana plasmatica si fonda con la membrana plasmatica della cellula uovo. Il legame dello spermatozoo con recettori della zona pellucida provoca la reazione acrosomiale: l’acrosoma si fonde con la membrana plasmatica dello spermatozoo che comporta il rilascio degli enzimi che lo aiutano.