Appunti biologia dello sviluppo

Biologia dello sviluppo

Teorie embriologiche

Aristotele = epigenesi → Teoria embriologica secondo la quale tutte le cellule (blastomeri) di un embrione precoce hanno simili potenzialità morfogenetiche e si differenziano gradualmente nei successivi stadi dello sviluppo. Egli individuò anche le due modalità di divisione cellulare con cui si formano gli embrioni:

• La segmentazione oloblastica = in cui l'intero uovo si divide in cellule più piccole, come nelle rane e nei mammiferi. È tipica di uova isolecitiche e si divide in: radiale, bilaterale e rotazionale.
• La segmentazione meroblastica = in cui solo una parte dell'uovo è destinata a diventare l'embrione e il resto, il tuorlo, funge da nutrimento. È tipica delle uova telolecitiche e si divide in bilaterale e discoidale e delle centrolecitiche dove è superficiale.

Malpighi = preformismo → Teoria avversa all'epigenesi, secondo la quale gli organi dell'embrione sono già presenti in miniatura nell'uovo.

Contributi di scienziati

Von Baer = notocorda/leggi di Von Baer:

• Nello sviluppo le caratteristiche generali di un gruppo ampio di animali compaiono più precocemente delle caratteristiche specifiche di un gruppo più piccolo.
• Dalle caratteristiche più generali si sviluppano quelle meno generali, fino a quando compaiono quelle più specifiche.
• L'embrione di una data specie, anziché passare attraverso gli stadi adulti di animali inferiori, se ne allontana sempre più.
• L'embrione iniziale di un animale superiore non è mai simile a un animale inferiore, ma soltanto simile all'embrione iniziale di questo.

Rawles = dimostrò che i melanociti del pollo, cellule pigmentate, si originano nella cresta neurale.

Definizioni importanti

Strutture omologhe = organi la cui basilare somiglianza è data dall'essere derivati da una struttura ancestrale comune.

Strutture analoghe = organi la cui somiglianza deriva dallo svolgere una funzione simile.

Omologia embrionale = cartilagine bronchiale dei pesci, orecchio medio dei mammiferi, mandibola dei rettili.

Scoperte e teorie

Pander = Scoperta dei foglietti embrionali:

• Ectoderma o foglietto esterno, dà origine all'epidermide, forma l'encefalo e il sistema nervoso.
• Endoderma è il foglietto più interno, dà origine all'epitelio del tubo digerente e agli organi associati.
• Mesoderma, si inserisce tra l'endoderma e l'ectoderma. Forma sangue, cuore, reni, gonadi, ossa, muscoli e tessuti connettivi.

Wilhelm Roux = iniziatore dell'embriologia sperimentale. Esperimento: in un uovo fecondato di rana viene inserito un ago rovente. Viene ucciso un blastomero e come conseguenza una parte dell'embrione diviene necrotica mentre l'altra parte continua con il suo sviluppo. Da qui nasce la teoria dello sviluppo a mosaico secondo la quale un embrione è formato, come un mosaico, da parti indipendenti che si differenziano in modo autonomo.

Hans Driesch = continuò su questa linea di pensiero e si interessò agli embrioni di riccio di mare poiché in essi lo sviluppo è esterno e quindi di facile osservazione. Egli notò che se uno dei due blastomeri veniva rimosso si formava una piccola morula che dava origine a un organismo più piccolo del normale. → sviluppo regolativo.

Induzione (1924) = i due studiosi Hans Spemann e Hilde fecero degli esperimenti in cui prelevarono delle cellule dal labbro dorsale del blastoporo e le trapiantarono in un altro organismo in via di sviluppo e osservarono la formazione di un altro asse corporeo e la formazione di gemelli siamesi.

Pax 6 = è un gene presente nel genoma di molti animali, tra cui anche l'uomo, e trascrive per la proteina Pax-6 che è un fattore di trascrizione necessario e sufficiente per la formazione dell'occhio. Le funzioni della proteina Pax-6 sono altamente conservate nelle specie bilaterali, per esempio Pax-6 di topo, in Drosophila melanogaster, può indurre lo sviluppo oculare. Negli individui in cui è presente in singola copia si ha la formazione di occhi più piccoli, se mancano entrambi non si formano gli occhi.

Termini e processi chiave

Polo ricco di vitello = polo vegetativo.

Polo povero di vitello = polo animale, il nucleo dello zigote è spesso spostato verso di esso.

Commitment = Il processo attraverso cui le cellule vengono indirizzate verso un certo destino differenziativo. Si divide in due fasi:

• Specificazione = la cellula (o il tessuto) è in grado di differenziare autonomamente in ambiente neutro (in vitro).
• Determinazione = la cellula (o il tessuto) è in grado di differenziare autonomamente anche se posta in un'altra regione dell'embrione.

Mappa del destino

Si prende l'embrione e si colorano le singole cellule con coloranti vitali che non danneggiano lo sviluppo della cellula, o con il trizio marcato. Il metodo con il trizio prevede che l'embrione venga fatto crescere nel trizio, poi se ne preleva una cellula e la si trapianta in un altro embrione per seguirne lo sviluppo. Oggi si usano coloranti vitali fluorescenti o mRNA che codificano la GFP.

Mappa di specificazione = ci dice se quelle cellule sono già specificate o meno. Si ottiene prelevando le cellule dall'embrione e facendole crescere in vitro. Poi dal confronto con l'altra mappa si può capire se danno origine alle stesse cellule o meno. Ad esempio, le cellule del sistema nervoso, se prelevate, danno luogo all'epidermide.

Differenziamento

Specificazione autonoma = modello a mosaico. Le cellule vengono indirizzate verso un destino da determinanti che vengono ripartiti in vario modo durante la segmentazione. Questo è il modello più rappresentato nelle ascidie.

Specificazione condizionale = modello regolativo. Sono le interazioni tra le cellule che determinano il loro destino.

Determinanti morfogenetici = proteine o mRNA localizzati in differenti regioni del citoplasma dell'uovo e vengono ripartiti tra le differenti cellule mano a mano che l'embrione si divide.

Whittaker = fornì un'evidente conferma biochimica della segregazione citoplasmatica dei determinanti. Colorò i blastomeri che presentavano acetilcolinesterasi, che si trova nel tessuto muscolare, e rese i muscoli larvali in grado di rispondere a impulsi nervosi ripetuti. Era allora noto che solo un paio di blastomeri dell'embrione a 8 cellule è in grado di dare i muscoli della coda (semiluna gialla). Una volta asportate queste due cellule, esse formavano tessuto muscolare che si colorava per la presenza di acetilcolinesterasi. Allora egli trasferì un poco del citoplasma di queste cellule in quelle che dovevano produrre ectoderma di un embrione a 8 cellule e osservò che in queste ultime si aveva la normale produzione di ectoderma e di tessuto muscolare.

Un altro esperimento che conferma questo fatto è quello in cui si prende un embrione allo stadio di 8 cellule e il terzo piano di divisione è equatoriale. Si usa un ago come se fosse una bacchetta e si adagia sui due blastomeri vegetativi al confine con la semiluna gialla e la parte vegetativa. Si applica una pressione e si fa in modo che il citoplasma giallo venga spinto verso zone più animali e si fa regredire il terzo solco di divisione. Grazie al fatto che non c'è più una netta divisione tra polo animale e vegetale il citoplasma giallo si sposta più facilmente. L'embrione viene lasciato riposare e ritorna allo stadio di 8 cellule ben separate. Si applica di nuovo una pressione, questa volta al livello del solco della 3° divisione. Si separano i 4 blastomeri vegetali dai 4 animali. In seguito alla prima pressione adesso i 4 blastomeri animali hanno un po' di citoplasma giallo e loro anche se avrebbero un destino ectodermico adesso formano anche tessuto muscolare.

Vertebrati

Placca neurale = parte dell'ectoderma dorsale le cui cellule sono colonnari e che sono destinate a divenire ectoderma neurale.

Tubo neurale = viene formato dal tessuto della placca neurale con il processo di neurulazione.

Cresta neurale = è formata da cellule che si trovano nella regione di connessione del tubo neurale all'epidermide. Successivamente migreranno in altre sedi e daranno luogo ai neuroni periferici e le loro cellule gliali. SOLO NEI VERTEBRATI

Introduzione alla segmentazione

Processo che consiste in una serie di divisioni mitotiche con le quali l'enorme volume del citoplasma dell'uovo è suddiviso in numerose cellule nucleate più piccole chiamate blastomeri. In molte specie il ritmo di tali divisioni e la collocazione di queste cellule sono guidati da proteine e mRNA accumulati dalla madre nell'oocita e il transito dalla fecondazione a questa fase è dato dal fattore di promozione della mitosi o MPF. Esso in particolare agisce nella fase M delle cellule in divisione.

Nel caso di uova isolecitiche, ovvero quelle in cui il vitello è scarso, si ha una segmentazione oloblastica ovvero l'asse di segmentazione interessa tutto l'uovo. Gli individui che si originano, proprio a causa del poco vitello, o formano una larva vorace oppure vengono nutriti dalla madre come nel caso dei mammiferi. Nel caso di uova ricche di vitello si ha una segmentazione meroblastica nella quale la divisione interessa solo una parte del citoplasma.

Nelle uova centrolecitiche, in cui il vitello è localizzato vicino al centro, le divisioni si trovano in periferia, e si parla perciò di segmentazione superficiale. Nel caso di uova telolecitiche si ha solo una piccola regione priva di vitello e le divisioni avvengono qui con un tipo di segmentazione definito discoidale.

Introduzione alla gastrulazione

Consiste nell'attuazione dei movimenti in cui le cellule della blastula vengono ridistribuite ed è a questo stadio che si stabilisce il piano del corpo pluristratificato dell'organismo. Si formano i tre foglietti embrionali. Di solito tale processo è una combinazione dei seguenti movimenti:

• Invaginazione = ripiegamento all'interno di una regione di cellule.
• Embolia = introflessione con scorrimento all'interno di uno strato esterno in espansione in modo tale da distribuirsi sulla superficie interna di quelle rimaste all'esterno.
• Trasferimento all'interno = migrazione di singole cellule dallo strato superficiale all'interno dell'embrione.
• Delaminazione = divisione di una lamina di cellule in due o più lamine parallele.
• Epibolia = movimento di lamine di cellule epiteliali che si distendono come un gruppo unito a racchiudere gli strati interni dell'embrione.

Assi

Gli embrioni devono stabilire tre assi fondamentali:

• Asse anteroposteriore o cefalocaudale = è la linea che va dal capo alla coda o dalla bocca all'ano.
• Asse dorsoventrale = è la linea che va dal dorso all'addome.
• Asse destra-sinistra = è una linea tra i due lati del corpo.

Ciclo vitale della rana pipiens

La gametogenesi e la fecondazione in molte rane sono eventi stagionali. Una combinazione di fotoperiodo e temperatura informa l'ipofisi della femmina della rana leopardo che è primavera. Gli ormoni prodotti da tale ghiandola stimolano l'ovaio a produrre gli estrogeni. Essi possono indurre il fegato a produrre le proteine del vitello che poi verranno trasportate dal sangue agli oociti. Il vitello in particolare è trasferito maggiormente nella parte inferiore dell'uovo che viene chiamata emisfero vegetativo. La metà superiore invece, che ne contiene di meno, viene chiamata emisfero animale. Interviene anche un altro ormone, il progesterone, che si occupa di far ripartire la prima divisione meiotica nell'uovo. Una volta che essa è stata completata l'uovo viene rilasciato. In alcune specie le uova sono contenute in un involucro gelatinoso che ne accresce le dimensioni e le protegge dai batteri.

I maschi producono gli spermatozoi in estate e in autunno per la primavera successiva. In molte specie la fecondazione è esterna ed avviene quando la femmina depone le uova. A quel punto può avvenire la seconda divisione meiotica e l'uovo acquisisce così un pronucleo aploide. In seguito si ha l'unione dei due pronuclei, il citoplasma dell'uovo si muove e acquisisce nuove posizioni ed infine vengono attivate le molecole necessarie per la segmentazione e il successivo sviluppo.

Nella segmentazione il volume dell'uovo rimane lo stesso ma la cellula si divide in decine di migliaia di cellule ed in particolare l'emisfero animale si divide più velocemente di quello vegetativo. (uova mesolecitiche con segmentazione radiale ineguale). Nell'emisfero animale si forma una cavità piena di liquido che è chiamata blastocele. Le divisioni sono così rapide perché in queste cellule la fase G1 e G2 del ciclo cellulare sono omesse. Poco prima che la segmentazione finisca vengono reintrodotte e il ciclo torna normale prima che inizi la gastrulazione. Tale fase si chiama mid-blastula transition.

A questo punto si ha la gastrulazione, che ha inizio in un punto che è diametralmente opposto a quello dove si è avuto l'ingresso dello spermatozoo e si ha la comparsa di una fossetta detta blastoporo. Inizialmente si forma una piccola fessura e le cellule che migrano attraverso il labbro dorsale del blastoporo vanno verso il polo animale, esse formeranno il mesoderma dorsale. Il blastoporo si estende formando un solco circolare e le cellule che migrano attraverso i labbri ventrale e laterale formeranno il mesoderma ventrale e laterale. Le cellule che restano fuori formeranno l'ectoderma, che si estende verso il polo vegetativo racchiudendo tutto l'embrione. Infine le cellule ricche di vitello che restano nel polo vegetativo diventeranno l'endoderma.

• Ectoderma = formerà epidermide e sistema nervoso e si trova sulla superficie esterna.
• Endoderma = formerà l'intestino e si trova all'interno.
• Mesoderma = formerà sangue, scheletro, gonadi e reni e si trova tra i due strati precedenti.

Si hanno poi, la neurulazione in cui si forma il sistema nervoso, che inizialmente si presenta come un tubo con vescicole che poi si staccano, e l'organogenesi. L'organogenesi ha inizio quando la notocorda, un cordone di cellule del mesoderma che si trovano nella parte più dorsale dell'embrione, invia alle cellule che si trovano sopra di essa il messaggio che porta l'informazione necessaria per non farle diventare epidermide. Esse infatti formano un tubo che poi sarà il sistema nervoso. Siamo allo stadio di neurula.

Piano piano si forma a partire da questi elementi il tubo neurale e le future cellule del dorso lo ricoprono. Le cellule che lo connettevano all'epidermide divengono le cellule della cresta neurale (che la si può quasi definire un quarto foglietto embrionale). In seguito il mesoderma vicino alla notocorda si segmenta e origina i somiti che sono i precursori dei muscoli del dorso, delle vertebre e del derma dorsale. L'embrione poi sviluppa un orifizio buccale e uno anale e si sviluppa nella forma di girino, che è lo stadio larvale. La metamorfosi è avviata da ormoni prodotti dalla tiroide.

Riccio di mare

La segmentazione dei ricci di mare è del tipo oloblastica radiale, di cui le prime divisioni sono stereotipiche ovvero sono le medesime per organismi che appartengono alla stessa specie. Le prime due divisioni sono meridiane e perpendicolari l'una all'altra. Il terzo piano di divisione, è invece, equatoriale e perpendicolare ai primi due. La quarta divisione è diversa dalle altre perché è una divisione meridiana che si verifica al polo animale, dove si formano così otto cellule dette mesomeri. Le cellule del polo opposto subiscono una divisione ineguale da cui derivano 4 cellule più grandi, dette macromeri, e 4 cellule più piccole dette micromeri. Dopo lo stadio a 16 cellule i mesomeri animali si dividono in due strati posti uno sopra all'altro chiamati an1 e an2. Le cellule dello strato animale prendono il nome di mesomeri.

In seguito le divisioni si invertono: equatoriali nel polo animale e meridiane nel vegetativo, poi si invertiranno ancora fino ad arrivare allo stadio di morula. La blastula si raggiunge quando si ha lo stadio a 128 cellule. Esse formano una sfera cava la cui cavità è il blastocele. A questo punto le cellule sono tutte di uguali dimensioni poiché i micromeri hanno diminuito la velocità di divisione. Sono tutte a contatto con il liquido del blastocele all'interno e all'esterno con lo strato ialino. Le divisioni continuano fino alla nona o decima divisione e al loro termine le cellule sviluppano le ciglia sulla loro superficie apicale, la blastula comincerà così a ruotare nella membrana di fecondazione.

Le cellule al polo vegetativo poi si ispessiscono e formano la piastra vegetativa mentre quelle del polo animale producono un enzima che digerisce la membrana di fecondazione. La blastula a questo punto è formata e nuota libera.

Numerosi studi, grazie a dei coloranti iniettati negli embrioni, hanno dimostrato che allo stadio di 60 blastomeri il destino delle cellule embrionali è per la maggior parte specificato ma le cellule non sono commissionate in modo irreversibile. L'emisfero animale dà sempre origine all'ectoderma, mentre lo strato veg1 produce cellule che possono poi formare organi ecto o endo-dermici. Infine lo strato veg2 dà origine a cellule che possono formare 3 strutture: endoderma, celoma o il mesenchima secondario mentre quello primario è formato dalla prima fila di micromeri. I micromeri che formano lo scheletro sono gli unici ad avere un destino costante infatti, formeranno sempre spicole scheletriche. Essi producono un segnale che è in grado di riorganizzare l'embrione. La molecola segnale che si occupa della specificazione dei micromeri è la β-catenina.