Appunti Biologia dello sviluppo 2°anno

Biologia dello sviluppo embrionale

La biologia dello sviluppo si interessa dello sviluppo embrionale, ovvero tutto quell’insieme di meccanismi che portano dall’uovo fecondato, una sola cellula, all’organismo pluricellulare. Questo organismo è formato da milioni di cellule le quali formeranno vari organi, strutture complesse e diverse tra di loro. Costruire un embrione non è facile, da una cellula se ne formano tante diverse che avranno anche compiti diversi.

L’embrione, da subito, da uovo fecondato, deve già cominciare a funzionare, pensare come organizzarsi e come formare strutture diverse e nel posto giusto. Lo sviluppo embrionale non è uguale in tutte le specie, cambia in struttura e in complessità. Si parla di variabilità riguardo a:

• Durata dello sviluppo
• Numero di gameti che una specie può produrre
• Numero di uova che possono essere fecondate in relazione alla garanzia dello sviluppo dell’individuo: più gameti produce un organismo maggiore sarà la probabilità di morte di questi ultimi

Esiste anche uno sviluppo post-embrionale, è il periodo che va fino alla maturità sessuale dell’organismo. Lo sviluppo embrionale è lento, ma con cambiamenti progressivi continui, dall’inizio fino alla nascita dell’organismo.

Due funzioni principali della biologia dello sviluppo

1. Generare diversità (differenziamento cellulare) e organizzazione ordinata delle cellule in ogni generazione.

In questo punto si prende in considerazione il differenziamento cellulare, la morfogenesi (la forma dell’organismo cambia e si crea nel tempo; per forma si parla non solo dell’esterno dell’organismo, ma anche dell’interno). Per ultimo l’accrescimento: l’embrione durante il suo sviluppo, deve accrescersi.

2. Assicurare continuità della vita da una generazione alla successiva. Questo punto è definito riproduzione: l’organismo, una volta che ha raggiunto la maturità sessuale, deve produrre i gameti da cui riparte il ciclo. Bisogna assicurare la riproduzione della specie.

• Come le cellule, che derivano da un uovo fecondato, diventano diverse?
• Come si organizzano in strutture diverse altamente organizzate?
• Com’è stabilito che le strutture diverse siano collocate nella posizione giusta? Si parla di coordinate spaziali per collocare gli organi nella loro posizione giusta.
• Come i geni dell’uovo fecondato dirigono i processi dello sviluppo?

Fino ai primi del ‘900 si credeva che la genetica e l’embriologia fossero due discipline separate, in realtà sono strettamente collegate: i geni controllano i meccanismi dello sviluppo. Finché non furono identificati i primi geni dello sviluppo in Drosophila. Da questo punto iniziò la genetica dello sviluppo.

Principali attività cellulari nello sviluppo

• Proliferazione cellulare: da una cellula ne dobbiamo ottenere tante, per questo motivo le cellule si dividono e si parla di proliferazione cellulare.
• Specializzazione cellulare: si parte da cellule uguali, che in seguito si differenziano, si specializzano.
• Interazione tra le cellule: nel corso dello sviluppo, le cellule comunicano tramite segnali che una cellula emette e l’altra risponde mettendo in atto un diverso comportamento: si muove, si divide, ecc.
• Movimento cellulare: le cellule cambiano posizione; l’embrione, allo stadio di una cellula, dopo la fecondazione, deve subito preoccuparsi di diventare pluricellulare; solo quando l’embrione è pluricellulare deve pensare a organizzarsi.

Sviluppo diretto vs sviluppo indiretto

Per sviluppo diretto si intende quando dallo sviluppo embrionale deriva un organismo che ha le sembianze di un adulto “in miniatura”; questo individuo che fuoriesce dall’uovo è simile all’adulto e deve solo accrescersi per diventare adulto e maturare. In seguito deve subire fase di accrescimento di alcuni organi per raggiungere la maturità sessuale. Le specie che compiono sviluppo diretto: rettili, uccelli e mammiferi.

In questo caso l’organismo non assomiglia all’organismo adulto. Deve comunque essere autosufficiente anche se ha una struttura e vive in habitat diversi rispetto all’adulto. In questo caso stiamo parlando di una larva. La larva dovrà subire un processo definito metamorfosi: si forma la struttura dell’adulto. Le specie che compiono sviluppo indiretto: artropodi, anfibi.

Perché si forma prima la larva e poi l’individuo adulto? Perché dipende dal tipo di uovo. La maggior parte delle uova, all’interno, possono contenere più o meno riserve nutritizie per la crescita dell’embrione. Queste riserve sono chiamate tuorlo. Se abbiamo poco tuorlo (uovo piccolo) lo sviluppo sarà indiretto: l’embrione si sviluppa poco.

Tipico ciclo vitale

Un individuo maturo, a livello delle gonadi, produce gameti (gametogenesi); ci saranno gameti maschili e femminili il cui unico scopo è quello di incontrarsi. Quando si incontrano, attraverso un processo chiamato fecondazione, si forma l’uovo fecondato: l’embrione ad una cellula. L’embrione dovrà svilupparsi mediante uno sviluppo diretto o indiretto.

Ovipari e vivipari

• Alcuni animali sono ovipari: pesci, anfibi, rettili, uccelli, ecc. Gli animali ovipari producono un uovo e lo sviluppo avviene all’esterno del corpo della madre. Gli individui possono poi svilupparsi in maniera diretta o indiretta a seconda del tipo di uovo.
• I mammiferi più primitivi sono ovipari; quelli più sviluppati sono vivipari: non depongono le uova. Le uova sono prive di tuorlo, sono tra le più piccole e lo sviluppo avviene all’interno del corpo della madre; è dipendente dalla madre, provvede a farlo respirare, a nutrirlo, a proteggerlo, ecc.
• Ci sono alcune specie che sono ovovivipari: le uova sono di grosse dimensioni, ricche di tuorlo, ma lo sviluppo avviene dentro al corpo della madre; c’è solo una dipendenza parziale dalla madre. Per il loro accrescimento e nutrimento dipendono ancora dal tuorlo all’interno dell’uovo.

Approcci sperimentali per studiare la biologia dello sviluppo

• Embriologia sperimentale. Si parla di esperimenti chirurgici avvenuti su embrioni di rane, ricci di mare, ecc. Questi esperimenti hanno consentito di scoprire quella che è chiamata induzione embrionale: nel corso dello sviluppo, dei segnali chimici controllano le vie di sviluppo stesso.
• Genetica dello sviluppo. Si sono scoperti i primi geni, grazie a mutazioni spontanee, che controllano lo sviluppo. Questi geni sono chiamati geni omeotici, da quel momento ne emersero molti altri.
• Biologia molecolare e cellulare. Disciplina in cui si studia l’interazione tra le varie cellule. I segnali che si scambiano le cellule nello sviluppo sono presenti anche nell’adulto. Spesso gruppi di molecole vengono utilizzati in momenti diversi per fare cose diverse.

La biologia dello sviluppo ha una posizione importante nella biologia moderna, unisce discipline diverse.

Rilevanza medica della biologia dello sviluppo

Le conoscenze dello sviluppo dei mammiferi, a livello cellulare e molecolare, sono alla base anche di molte innovazioni tecnologiche, ad esempio le tecniche di sviluppo in vitro (hanno consentito di risolvere problemi per coppie sterili). Un’altra applicazione è lo sviluppo delle cellule staminali per curare tessuti danneggiati, ma non solo. Si è arrivato a capire anche molto sulle malattie legate allo sviluppo: malformazioni legate a cromosomi. Molte delle quali sono dovute a geni che regolano lo sviluppo. Ci consentono anche di capire cosa accade in aborti prematuri.

La biologia dello sviluppo consente di capire anche la sensibilità dell’embrione a fattori ambientali, chiamati teratogeni, che possono causare difetti congeniti alla nascita. La biologia dello sviluppo permette di capire come funzionano le cellule, non solo nell’embrione, ma anche nei tessuti dell’adulto; i processi di sviluppo continuano anche nell’adulto, ad esempio il rinnovamento di tessuti nell’adulto (staminali). Le attività cellulari sono le stesse che avvengono nello sviluppo embrionale. L’embrione man mano che cresce diventa più complesso, per questo motivo è più facile studiare i processi cellulari nell’embrione che nell’organismo adulto.

Componenti cellulari e molecolari dello sviluppo

• Geni
• Molecole segnale: molecole chimiche che le cellule producono in vario modo e che fanno sì che le cellule si vadano a differenziare. Si possono chiamare “segnali istruttivi per comportamento delle cellule”.

Esempio di segnale induttivo: un segnale induttivo riguarda un segnale che una cellula invia ad una vicina che risponderà. Ci sono due file di cellule affiancate con due frecce che rappresenta il segnale che diffonde nello spazio vicino. Le cellule vicine infatti risponderanno; riescono a rispondere solo se hanno una “macchina” per rispondere. Le cellule, quando ricevono il segnale e di conseguenza rispondono, si diversificano dalla cellula originale.

Quanti tipi di segnali ci sono?

Induttori a corto raggio

All’inizio dello sviluppo dell’individuo non possiamo parlare di ormoni perché non ci sono ancora le ghiandole endocrine. La maggior parte delle interazioni nelle cellule sono segnali che avvengono a raggio breve, cioè vicino, alla cellula che li ha prodotti; si parla quindi di:

• Segnali paracrini: cellula che produce molecole segnale, queste molecole diffondono nell’ambiente fino alla cellula vicina che si modifica e risponde. Questi segnali sono prodotti da cellule e agiscono su cellule vicine. La maggior parte dei segnali sono ad azione paracrina. La cellula che risponde a questi fattori deve essere “competente”, ovvero deve avere il recettore specifico per rispondere a questo segnale.
• Segnale trasmesso tramite contatto cellula-cellula: in questo caso il segnale non diffonde in ambiente extracellulare, il segnale quindi sarà una proteina trans membrana, così come il recettore.
• Segnalazione autocrina: una cellula produce un segnale, ma ha anche il recettore per il segnale.
• Comunicazioni mediante giunzioni serrate: canali che mettono in comunicazione i citoplasmi di due cellule adiacenti.

Induttori a lungo raggio

C’è una modalità di comunicazione, che avviene mediante morfogeni: mediano la comunicazione a lungo raggio. La distanza è relativa perché parliamo di embrione, cioè organismo molto piccolo. I morfogeni hanno caratteristiche particolari: sono molecole prodotte dalle cellule, diffondono in ambiente extracellulare e, diffondendo nello spazio, formano dei gradienti di concentrazione. Il segnale prodotto dalle cellule, man mano che si allontana dalla sorgente, decresce di concentrazione rispetto all’origine.

Questi gradienti di concentrazione vengono a contatto con gruppi di cellule le quali, quindi, prendono contatto con concentrazioni diverse di questo segnale in base a quanto sono lontane dalla sorgente. In base alla lontananza delle cellule dalla sorgente, queste cambiano e si differenziano in modo diverso. Le cellule acquistano un’informazione in rapporto alla posizione della concentrazione di morfogeno. La produzione di gradienti di morfogeni è uno dei meccanismi proposti per determinare nelle cellule informazioni di posizione, cioè istruzioni che specificano la posizione delle cellule (anteriore/posteriore, dorsale/ventrale, destra/sinistra).

I morfogeni sono molecole coinvolte nella formazione di un “pattern” (modello). Il modello o pattern è un’organizzazione spazio-temporale del piano corporeo; nello sviluppo deve essere disegnato il piano corporeo. Le cellule nel corso dello sviluppo devono ricevere due informazioni:

• Destino istologico: che tessuto formeranno
• Destino spaziale: informazione di posizione che riguarda le istruzioni che le cellule ricevono per sapere che posizione avere nel corpo

La formazione del pattern richiede che venga disegnato il piano corporeo complessivo, cioè un’organizzazione generale dell’organismo, intorno agli assi principali dell’embrione. Gli assi definiscono delle polarità, degli estremi. Dopo la formazione del pattern avviene la morfogenesi, ovvero la “genesi della forma”, man mano che procede lo sviluppo, la forma (esterna e interna) si viene a creare. In un primo momento abbiamo solo abbozzi, che poi si vanno a definire.

I processi morfogenetici dovranno rispondere a delle domande:

• Come le cellule migrano per arrivare alla loro destinazione finale. All’inizio dello sviluppo le cellule non hanno la posizione corretta, ma la raggiungono dopo.
• Come i tessuti si organizzano in strutture sempre più complesse
• Accrescimento: il numero di cellule aumenta e quindi accresce l’embrione. L’accrescimento ha anche un componente morfogenetico, ovvero non è detto che nel corso dell’accrescimento tutte le parti del corpo si accrescano alla stessa velocità. Dopo 8 settimane dalla fecondazione, nonostante il piano corporeo sia ben strutturato e definito, fino alla nascita, l’embrione cresce di dimensione, in particolare di lunghezza. Ma durante il periodo di crescita e nel periodo fetale, anche le proporzioni delle varie strutture corporee cambiano (all’inizio il corpo e la testa hanno rapporti di proporzioni diverse) per arrivare a rapporti più omogenei.

Un altro evento nel corso dello sviluppo è la morte cellulare programmata, chiamata apoptosi, che avviene durante lo sviluppo di organi ed apparati. Esempi:

1. Quando si organizzano le dita: all’inizio si forma una lamina omogenea di tessuto e poi, per morte cellulare di cellule della lamina, avremo la rifinitura della mano e della morfologia con la conseguente perdita della lamina.
2. Nella rana abbiamo il girino con la coda, la rana invece non ce l’ha. Quindi nel corso della metamorfosi la coda dovrà sparire per morte cellulare.

Destino cellulare

Le cellule nel corso dello sviluppo, in modo graduale, diventano diverse. Prima del differenziamento visibile (processo che ci consente di determinare che un tipo cellulare ha una struttura e forma diversa da un altro tipo cellulare) c’è una programmazione precedente che dice qual è il destino della cellula: programmazione e determinazione del destino cellulare. Anche il destino cellulare è determinato in tempi diversi.

Questa determinazione cellulare o programmazione (assegnazione precoce dei compiti), avviene con due principali modalità:

1. Programmazione mediante distribuzione asimmetrica, nelle cellule, di molecole chiamate “molecole di pianificazione del destino” o “determinanti citoplasmatici”.
2. Programmazione mediante interazioni tra cellule mediante segnali extracellulari (induttori), che rendono le cellule differenti e ne guidano lo sviluppo. Queste molecole segnale vengono chiamate induttori: inducono un’altra cellula a diventare un determinato tipo cellulare.

Distribuzione asimmetrica, nelle cellule, di molecole chiamate “molecole di pianificazione del destino” o “determinanti citoplasmatici”: Con il tipo di programmazione determinato da determinanti citoplasmatici si sviluppa quello che è chiamato “sviluppo autonomo o a mosaico”: determinato da determinanti citoplasmatici o materni, chiamati in questo modo perché vengono formati all’interno dell’uovo nel corso dell’ovogenesi, quindi all’interno del corpo della madre. In questo caso parliamo di uova NON regolative.

In questo tipo di distribuzione, se ad uno stadio di 4 cellule (stadio precoce di sviluppo), vado a rimuovere una cellula, le 3 che rimangono non portano avanti lo sviluppo che si arresta. La cellula rimossa aveva dentro dei determinanti citoplasmatici importanti per lo sviluppo che vengono a mancare. Questo tipo di uovo è chiamato uovo non regolativo perché se viene a mancare una cellula (blastomero) non avviene lo sviluppo. I determinanti citoplasmatici o determinanti materni sono proteine già presenti nello sviluppo: queste proteine vengono distribuite in modo asimmetrico, non sono uniformemente distribuite in modo che solo alcune abbiano particolari tipi di determinanti, altre avranno altri destini. Una cellula uovo ha un numero di proteine all’interno (determinanti citoplasmatici) del citoplasma diverso, quando lo spermatozoo lo feconda e l’uovo si divide, le cellule derivanti non avranno uno stesso numero di proteine all’interno (asimmetrico).

Interazioni tra cellule mediante segnali extracellulari (induttori): In questo caso abbiamo lo sviluppo regolativo o dipendente da segnale. Questo sviluppo dipende da segnali chimici. Se prendiamo le 4 cellule all’inizio dello sviluppo e ne rimuoviamo una, le tre cellule che rimangono riescono comunque a regolare lo sviluppo, riescono a scambiarsi dei segnali regolativi, in modo da compensare la cellula che non c’è più. Lo sviluppo non si arresta, si sviluppano larve normali, un po’ più piccole rispetto al normale. Questo sviluppo è più evoluto rispetto a quello a mosaico. In questo caso si riesce a compensare tramite segnali.

Non esistono animali che si sviluppano solo a mosaico; questa modalità non riesce a far sviluppare un organismo in toto, poiché è molto complesso. I mammiferi sono organismi più regolativi: eventuali errori possono essere corretti mediante interazioni tra cellule. Nei mammiferi non sono noti determinanti materni responsabili del destino cellulare.

Organismi modello in biologia dello sviluppo

Gli organismi modello sono molteplici. Sono organismi più o meno complessi: invertebrati o vertebrati. Ne abbiamo bisogno per capire la biologia dello sviluppo perché studiare direttamente l’ampia gamma di processi biologici è di fondamentale importanza per comprendere le basi del funzionamento degli organismi viventi.