Anatomia comparata ed Embriologia

Dove la vita ha inizio

Tutto ha origine da una cellula totipotente: lo zigote. Un embrione umano dà origine a tessuti molto diversi l'uno dall'altro.

Sviluppo di un nuovo organismo

L'embriologia e la biologia dello sviluppo studiano lo sviluppo di un organismo. Negli animali pluricellulari la riproduzione è sessuata e avviene per mezzo di due tipi di cellule: spermatozoi e cellula uovo. La cellula uovo deve essere fecondata dallo spermatozoo per dare origine a un nuovo individuo.

Gametogenesi

La gametogenesi porta alla formazione dei gameti e avviene nelle gonadi a partire da cellule germinali primordiali che sono in grado di effettuare mitosi, meiosi e differenziamento.

Tappe dello sviluppo

• Gametogenesi
• Fecondazione
• Segmentazione
• Gastrulazione
• Organogenesi

In generale: l'embriogenesi prende avvio con la fecondazione e la formazione del primo stadio embrionale, lo zigote, e comprende tutti gli stadi successivi che portano alla formazione di organi apparati e dalla forma tipica dell'adulto.

La cellula uovo

La cellula uovo è costituita da una membrana cellulare, dal citoplasma contenente organuli. Due tipi di citoplasma: formativo (comprende forme implicate nell'omeostasi) e di riserva (vitello) dato dall'accumulo di riserve energetiche. A seconda della quantità di vitello le uova possono essere classificate in:

• Macrolecitiche
• Mesolecitiche
• Oligolecitiche
• Alecitiche

E in base alla sua distribuzione si distinguono in:

• Isolecitiche (vitello uniforme) (anfibi)
• Telolecitiche (vitello in un polo) (pesci)

Lo zigote è un organismo unicellulare con il corredo cromosomico tipico della specie.

Spermatogenesi

La spermatogenesi avviene nei testicoli in associazione a cellule somatiche. È un processo di meiosi. I gameti si formano per gametogenesi a partire da cellule germinali diploidi dette spermatogoni. Implica 2 eventi:

• Meiosi che dimezza i cromosomi
• Differenziamento in cellule di forma e dimensioni diverse

Dapprima ogni spermatogonio si divide per mitosi producendo due cellule diploidi: una cellula staminale indifferenziata e uno spermatocita primario che andrà incontro a meiosi. Lo spermatocita primario si sposta poi verso il lume del tubulo e va incontro alla prima divisione meiotica formando due spermatociti secondari, ognuno contenente un cromosoma della linea paterna e uno della linea materna. I 2 spermatociti aploidi completano la seconda divisione meiotica originando 4 spermatozoi aploidi, che migrano verso il lume dei tubuli seminiferi e passano nell'epididimo, dove completano il differenziamento diventando spermatozoi.

Dopo il differenziamento avviene la spermiogenesi dove gli spermatidi vanno incontro a maturazione morfologica per diventare spermatozoi. Da spermatidio a spermatozoo avviene la spermiogenesi al termine di questo processo si forma la vescicola acrosomiale (acrosoma vescicola che contiene enzimi litici fondamentale per la fecondazione). Si assiste poi alla formazione dell’assonema, struttura portante del flagello. Gli spermatozoi maturi vengono immagazzinati nell'epididimo (lungo condotto).

Oogenesi

L'oogenesi prende avvio dagli oogoni (processo ciclico che produce un numero limitato di cellule uovo). Gli oogoni si trasformano in oociti primari (cellule ferme alla profase 1) e con la pubertà si trasformeranno poi in oociti secondari (in questo stadio il follicolo è costituito da una struttura cellulare esterna follicolo di Graff).

• Gli oociti primari sono nell'ovaio.
• Circa una volta al mese 6/12 oociti primari iniziano a maturare, si forma così un follicolo.
• L'oocita è nutrito dalle cellule follicolari che producono anche estrogeni.
• Dopo una settimana solo un oocita primario continua lo sviluppo e la divisione meiotica prima dell'ovulazione produce l'oocita 2.
• All'ovulazione il follicolo scoppia rilasciando l'ovulo.
• Le cellule follicolari rimaste formano il corpo luteo che produce progesterone e estrogeni.
• Se non c'è gravidanza il corpo luteo degenera.

Follicolo ovarico

L'associazione tra oocita e cellule somatiche regola il processo di maturazione. Le cellule follicolari sostengono lo sviluppo dell'oocita ed hanno anche attività ormonale nei vertebrati. La cellula uovo ha un abbondante citoplasma con un nucleo molto voluminoso.

L'oogenesi oltre alla meiosi comprende specifici processi per determinare:

• Accrescimento volumetrico (auxocitosi): la cellula uovo riceve citoplasma complesso.
• Formazione di involucri per regolare il processo della fecondazione e proteggere l'embrione nelle prime tappe dello sviluppo.

Perché il citoplasma si accresce? Perché c'è un accumulo di vitello prodotto a livello del fegato materno (vitellogenina). Inoltre si accumulano subunità ribosomiali e RNA transfer e RNA messaggeri che rimarranno quiescenti fino a fecondazione avvenuta. Troviamo poi fattori morfogenetici che sono molecole che dirigono il differenziamento localizzate in regioni specifiche dell'ooplasma. Troviamo poi sostanze protettive come filtri per radiazioni UV e il vitello che è il materiale nutritizio.

Cellula uovo

Le uova, od ovociti, rappresentano i gameti femminili e sono prodotte in particolari organi deputati alla riproduzione sessuale, detti ovaie. Il processo di formazione dei gameti femminili avviene a partire da cellule immature, gli oogoni, i quali, come tutte le cellule somatiche che costituiscono l'organismo adulto, possiedono un corredo cromosomico diploide (cioè due copie di ciascun cromosoma). Al termine della loro fase di maturazione, gli ovociti completano la prima divisione meiotica, che porta alla segregazione di una copia dei cromosomi bivalenti nel primo globulo polare. La cellula uovo matura è, quindi, caratterizzata dalla presenza di un primo globulo polare, che contiene un complemento di 23 cromosomi bivalenti materni. Questa struttura può essere rimossa dalla cellula uovo e utilizzata per eseguire il test genetico. La cellula uovo è provvista di due membrane o involucri protettivi distinte in 2 categorie in rapporto alla loro origine:

• Involucro primario (membrana primaria) si formano nell'ovaio, la loro formazione deriva da un'interazione tra la cellula uovo e le cellule follicolari. Assume diverse definizioni in base alla specie (involucro vitellino anfibi; zona pellucida uomo)

La zona pellucida è una membrana glicoproteica che avvolge l'uovo nei mammiferi. In particolare si tratta di un involucro primario (prodotto dall'oocita stesso durante l'oogenesi) posto tra la membrana plasmatica della cellula uovo e le cellule follicolari. Contiene i recettori per gli spermatozoi e contribuisce al blocco della polispermia. Inoltre serve a proteggere l'embrione durante la segmentazione, induce la liberazione degli enzimi litici presenti nell'acrosoma e garantisce la specie-specificità della fecondazione. Involucro fibroso formato da glicoproteine essenziali per la fecondazione. Grazie a questa membrana avviene il legame specifico uovo-spermatozoo, avviene poi la reazione acrosomiale e l'entrata dello spermatozoo, con successivo blocco della polispermia (il successo riproduttivo viene garantito da un pronucleo femminile e uno maschile, gli altri spermatozoi non devono interagire in un secondo momento con la cellula già fecondata).

Uovo xenopus laevis:

• Involucri secondari: esempio vertebrati terrestri (specie ovipare) sono prodotti dalle vie genitali femminili durante il passaggio delle uova.

L'involucro secondario è uno strato gelatinoso negli anfibi, mentre nei rettili e negli uccelli si parla di albume, membrane testacee e guscio. La cellula uovo possiede caratteristiche che la rendono capace di poter interagire con lo spermatozoo e di regolare lo sviluppo di un nuovo organismo.

Modello animale che prenderemo in considerazione: anfibio. La membrana plasmatica è capace di fondersi con la membrana dello spermatozoo e di regolare il flusso di specifici ioni al momento della fecondazione. Sotto la membrana plasmatica troviamo il cortex, uno strato di citoplasma contenente actina globulare e i granuli corticali. I granuli corticali: contengono enzimi e mucopolisaccaridi che impediscono la polispermia, ovvero l'ulteriore interazione tra cellula uovo e spermatozoi, una volta avvenuta la fecondazione. Inoltre troviamo anche glicoproteine ialine e di adesione che fungono da sostegno durante la fecondazione. Cellula uovo anfibi: l'uovo presenta un'organizzazione diversa nelle sue varie regioni.

Negli anfibi si distinguono:

• Polo animale: origina strutture che mettono in relazione il nuovo organismo con il mondo esterno.
• Polo vegetativo: origina strutture della vita vegetativa.

L'asse polare idealmente congiunge i due poli e darà origine ai primi due blastomeri. La polarità di queste cellule determina una distribuzione parziale del deutoplasma e assumeranno al momento della fecondazione una disposizione diversa... polo animale verso alto e vegetativo verso il basso (durante la fecondazione le cellule quindi si orientano). Di conseguenza il nucleo risulterà spostato verso il polo animale e gli mRNA e fattori morfogenetici possono essere distribuiti in modo non omogeneo.

Spermatozoo

Lo spermatozoo flagellato si caratterizza per la distinguibilità del suo corpo in due parti differenti: la testa, di circa 5-10 µm di lunghezza, e la coda, lunga circa 60 µm. La testa dello spermatozoo è composta da due parti: il nucleo, contenente cromatina fortemente addensata ed un corredo aploide, e l’acrosoma, contenente lisosoma primario di notevoli dimensioni che incappuccia il nucleo per 2/3 della sua lunghezza il cui compito è quello di aprirsi un varco nella parete dell’ovulo grazie ad enzimi litici in esso contenuti e liberati al momento opportuno.

La condensazione della cromatina è resa possibile da un tipo di istone, detto istone germinale ricco di arginina, proteina basica, che si sostituisce all’istone tradizionale ricco di lisina, in questo modo si ottiene una riduzione delle dimensioni nucleari che facilita il moto degli spermatozoi e l’inattività del genoma in esso contenuto durante il tragitto che porterà pochi spermatozoi nei pressi dell’ovulo da fecondare. Sulla membrana nucleare non sono presenti pori nucleari. L’acrosoma trae origine da una grossa cisterna dell’apparato del Golgi ricca di enzimi litici che successivamente va ad incappucciare il nucleo cellulare.

Reazione acrosomiale: durante la fecondazione, l’unione dello spermatozoo con l’ovocita secondario, innesca la liberazione degli enzimi idrolitici responsabili della digestione della membrana extracellulare dell’oocita, facilitando così l’accesso dello spermatozoo alla membrana plasmatica dell’oocita stesso. Questo processo prende il nome di reazione acrosomiale.

La coda dello spermatozoo è costituita da un flagello molto lungo (intorno ai 50-60 µm circa) che termina poco prima della testa in corrispondenza di una particolare zona chiamata piastra basale. Nel loro insieme coda e testa sono rivestite dalla membrana plasmatica. La coda presenta caratteristiche morfologiche differenti lungo il suo decorso, caratteristiche che rendono necessaria la suddivisione della struttura in quattro parti:

• Il collo
• Il tratto intermedio
• Il tratto principale
• Il tratto terminale

Coda dello spermatozoo: il collo

Il collo presenta un diametro leggermente maggiore di qualsiasi altra parte della coda e contiene i residui citoplasmatici dello spermatide, precursore aploide dello spermatozoo. Tra gli elementi importanti contenuti nel collo c’è un centriolo in posizione trasversale rispetto all’asse di simmetria dello spermatozoo, chiamato centriolo prossimale, l’altro centriolo, il centriolo distale, è scomparso dopo aver dato origine al flagello e una placca basale di materiale denso dove si ancorano 9 colonne segmentate fibrose a costituzione proteica che si continuano per tutta la coda.

Coda dello spermatozoo: il tratto intermedio

Il tratto intermedio è costituito dalle 9 colonne segmentate che circondano il flagello interno costituito dalla tipica struttura microtubulare 9 + 2 (9 coppie esterne di microtubuli e 2 microtubuli centrali). Il reperto più importante del tratto intermedio rimane tuttavia la cosiddetta guaina mitocondriale, tanti mitocondri si pongono tra la membrana plasmatica e le nove colonne fibrose a formare un rivestimento che fornisce energia per il movimento dello spermatozoo. Il tratto intermedio termina con una struttura proteica ad anello chiamata annulus posta subito oltre la fine della guaina mitocondriale.

Coda dello spermatozoo: il tratto principale

Il tratto principale è caratterizzato dal flagello rivestito dalle colonne striate: in particolare due delle colonne striate si continuano con una struttura circolare che avvolge le altre sette colonne rimanenti; tale struttura non è continua lungo il decorso del flagello, ma si interrompe a intervalli regolari. La sua interruzione definitiva segna l’inizio del tratto terminale.

Coda dello spermatozoo: il tratto terminale

Il tratto terminale è costituito dalla sola struttura microtubulare rivestita dalla membrana plasmatica.

Fecondazione

Attraverso la fusione dei due gameti si ricostruisce il corredo cromosomico completo di un organismo. La fecondazione è un evento che porta alla formazione dello zigote. Per fecondare l’oocita gli spermatozoi devono compiere un lungo percorso, se è presente nelle tube di Falloppio una cellula uovo nello stadio di oocita 2 può avvenire la fecondazione.

• Riconoscimento specifico tra i gameti (spermatozoo entra in contatto con il rivestimento gelatinoso dell’oocita).
• Attivazione spermatozoi: l’acrosoma contiene enzimi e altre proteine ed è situato nella parte anteriore della testa dello spermatozoo, quando lo spermatozoo entra in contatto con i recettori della zona pellucida dell’oocita, la membrana dell’acrosoma si fonde con la membrana dello spermatozoo e l’acrosoma rilascia gli enzimi all’esterno.
• Fusione membrane plasmatica uovo e spermatozoo e ne consegue:
  • Membrana plasmatica diventa impenetrabile
  • Distacco tra membrana plasmatica e membrana di fecondazione
  • Aumento attività metabolica oocita
• Attivazione oocita (granuli corticali si fondono con la membrana plasmatica)
• Nucleo dello spermatozoo penetra nell’oocita

Deve avvenire la reazione acrosomiale per rilasciare gli enzimi litici e esporre le molecole di bindina perché possano interagire con i recettori specifici della bindina che stanno sull’involucro vitellino. Questa interazione garantisce il riconoscimento specie specifico e innesca la reazione acrosomiale.

La fecondazione garantisce la ridistribuzione delle molecole citoplasmatiche della cellula uovo. Lo spermatozoo entrando nella cellula uovo trascina verso il basso di 30 gradi la regione corticale che lascia scoperto la porzione di citoplasma corticale che nell’uovo non fecondato era ricca di pigmento e si forma così la regione della semiluna grigia. Due regioni: ventrale e dorsale (nell’embrione). Le distribuzioni citoplasmatiche che danno luogo alla semiluna grigia portano a contatto diverse regioni citoplasmatiche e si stabilisce una simmetria bilaterale con l’asse dorso-ventrale. Il movimento del citoplasma determina anche un asse destro-sinistro.

La riorganizzazione del citoplasma nello zigote innesca la determinazione delle future cellule: cambia la distribuzione di determinati segnali per lo sviluppo, beta catenina e glicogeno sintetasi chinasi 3 (GSK3). La beta catenina e GSK3 sono uniformemente distribuiti nel citoplasma della cellula uovo non fecondata. La distribuzione al polo vegetativo si dispone una proteina che se attivata inibisce GSK3. Quando avviene la fecondazione le vescicole localizzate al polo vegetativo migrano e vanno ad occupare la futura regione dorsale dell’embrione. Successivamente la GSK3 nella futura regione dorsale viene inibita, le altre molecole di GSK3 invece localizzate sul versante opposto non risentono l’azione delle molecole rilasciate dalle vescicole che inibiscono GSK3. La beta catenina viene mantenuta solo nella regione dorsale dell’embrione e regolerà la struttura dorsale dell’embrione stesso. Lo zigote va poi incontro a segmentazione che porta all’acquisizione dello stadio di blastula.

Segmentazione

Obiettivo: dare origine ad una pluricellularità. Durante la segmentazione non si ha un accrescimento cellulare. Consiste in una rapida serie di divisioni cellulari che si susseguono, che si attiva circa 24/30 h dopo la fecondazione. Ad ogni divisione il numero delle cellule raddoppia. Le prime divisioni cellulari producono una massa detta morula costituita da cellule totipotenti dette blastomeri. I blastomeri si separano poi in due gruppi. La massa cellulare interna si trasforma in embrione, mentre le cellule dello strato più esterno formano un rivestimento detto trofoblasto, le cui cellule producono un fluido che viene raccolto in una cavità detta blastocele. In questo stadio si può parlare di blastocisti (blastula per gli animali). Quando la blastocisti arriva nell’utero il trofoblasto aderisce all’endometrio (rivestimento interno) e inizia il processo di impianto. Le cellule del trofoblasto producono molecole che... (il testo continua)