Appunti di Embriologia (Istologia ed Embriologia)

Appunti di embriologia

Università degli Studi di Roma La Sapienza

Anno accademico 2019/2020 - Laurea triennale in biotecnologie - Esame di "Istologia ed Embriologia"

Spermatogenesi

I processi di sviluppo e le strutture a cui essi danno luogo presentano variazioni in base agli organismi considerati. La morfologia degli spermatozoi negli animali è differente. Per ciascun processo di sviluppo ci si deve riferire a organismi modello, in particolare la spermatogenesi è riferita a mammiferi.

Fasi della gametogenesi

• Fase mitotica: intensa proliferazione delle cellule germinali staminali con scopo di aumentare il numero delle cellule germinali
• Fase meiotica: riduzione del materiale cromosomico nelle cellule germinali (da 2n a n)
• Maturazione meiotica: specifica delle cellule germinali femminili, consente l'acquisizione di proprietà morfologiche durante il processo meiotico
• Maturazione post-meiotica: specifica delle cellule germinali maschili, consente acquisizione di proprietà morfologiche e funzionali specifiche

Maturazione = differenziamento, acquisizione di caratteristiche che rendono le cellule idonee al processo di fecondazione.

Fasi della spermatogenesi

La spermatogenesi è il processo che porta alla formazione degli spermatozoi a partire da spermatogoni. La prima fase è l'amplificazione mitotica, che inizia da precursori chiamati "spermatogoni di tipo A1". Gli spermatogoni di tipo A1 si dividono in modo asimmetrico: le due cellule figlie vanno incontro a un comportamento diverso. Una delle due cellule riforma un altro spermatogonio A1 (in modo da prevenire la perdita di precursori, che porterebbe all'arresto della spermatogenesi). L'altra cellula va incontro a differenziazione, diventando spermatogonio di tipo A2.

Gli spermatogoni di tipo A2 si dividono in modo simmetrico, generando due cellule che si convertono in spermatogoni di tipo A3. Il processo continua allo stesso modo attraverso divisioni simmetriche, producendo due cellule figlie uguali, le quali si modificano diventando spermatogoni di tipo A4, poi spermatogoni intermedi, fino a spermatogoni di tipo B. Le divisioni di tipo mitotico non alterano il contenuto genetico ma amplificano la popolazione di progenitori che daranno origine agli spermatozoi.

Le cellule che si dividono restano connesse da ponti citoplasmatici, che permangono anche nelle fasi successive della meiosi. I ponti servono a coordinare e sincronizzare la maturazione per le cellule che derivano da spermatogonio A1, costituendo un clone cellulare derivante dallo stesso progenitore.

Durante la meiosi, si verifica un dimezzamento del contenuto cromosomico e per ciascuna coppia di cromosomi omologhi viene ereditato solo uno dei due. In 22 coppie su 23 di cromosomi omologhi i membri delle coppie sono simili tra loro e contengono gli stessi geni. Essendo i cromosomi X e Y diversi, durante la meiosi si generano cellule X o Y con contenuto genetico diverso che codificheranno in modo diverso. I ponti citoplasmatici permettono la diffusione tra le cellule di RNA messaggero. Un precursore che alla meiosi eredita X sarà in grado di far diffondere i prodotti genici di RNA trascritto di cromosoma X alle cellule vicine, le quali avranno ereditato Y, e viceversa. Le cellule rimangono omogenee per i prodotti genici. I ponti citoplasmatici si romperanno al momento della maturazione finale. Gli spermatozoi non sono collegati fra di loro.

Può succedere che i ponti si interrompano precocemente: se si rompe dal passaggio A1 ad A4 e la cellula resta isolata, si interromperà la maturazione, tornerà indietro e riacquisterà le caratteristiche di A1, dando di nuovo inizio alla spermatogenesi. I ponti sono fragili e le cellule che si separano precocemente possono riacquistare lo stato staminale indifferenziato.

Nella divisione asimmetrica, una delle cellule figlie ridiventa A1, mentre l'altra va incontro a divisioni simmetriche in cui entrambe le cellule figlie progrediscono verso spermatogoni B e spermatogoni primari. Il motivo è ridurre il numero di divisioni a carico della cellula progenitrice al vertice, A1. Ogni volta che una cellula si divide, alla divisione è associata una probabilità di errore. Le cellule A1, essendo deputate alla trasmissione del patrimonio genetico, devono possedere un tasso di mutazione basso e quindi dividersi poco. Esse si dividono raramente, generando una delle figlie che amplifica la popolazione di progenitrici con divisione simmetrica.

La spermatogenesi avviene nei tubuli seminiferi, dove coesistono cellule germinali a diversi stadi di maturazione. Il processo avviene nelle pareti dei tubuli seminiferi. I gameti maturano nelle pareti e gli spermatozoi vengono rilasciati nel lume del tubulo. Le cellule meno mature, A1, si trovano in prossimità della parete esterna, a contatto con la lamina basale; man mano che le cellule maturano, si spostano in direzione del lume e vengono rilasciate nel lume.

Dopo la formazione di A1, A2, A3, A4, B si formano cellule diploidi: i spermatociti primari, che vanno incontro a una prima divisione meiotica dando vita a spermatociti secondari, i quali vanno incontro a una seconda divisione meiotica e si producono spermatidi. Gli spermatidi sono cellule aploidi ancora indifferenziate, non hanno le caratteristiche tipiche degli spermatozoi.

Nell'ultima fase della maturazione avviene la maturazione finale del gamete maschile. Queste non sono le uniche cellule della parete: ci sono anche le cellule del Sertoli.

Cellule del Sertoli

Le cellule del Sertoli sono cellule somatiche che non partecipano alla gametogenesi, non si dividono e sono arrestate permanentemente in G0 del ciclo cellulare. Sono molto grandi e attraversano la parete dal lamina basale alla superficie luminale. La loro superficie è frastagliata e ha introflessioni che accolgono le cellule germinali. Le cellule del Sertoli sono fondamentali poiché svolgono funzioni che favoriscono e regolano la maturazione.

Tra le cellule somatiche con ruolo importante ci sono le cellule del Leydig. Queste non si trovano all'interno del tubulo, ma negli spazi interstiziali tra un tubulo e l'altro, e sintetizzano testosterone, fondamentale per la spermatogenesi e la maturazione in senso maschile dell'organismo.

I tubuli seminiferi consistono in un epitelio pluristratificato che contiene una componente germinale e somatica (Sertoli). Le cellule germinali si trovano a contatto con le cellule del Sertoli, che formano una barriera emato-testicolare. Il contatto tra le cellule germinali crea giunzioni occludenti che separano le zone vicine alla lamina basale dalla parete più vicina al lume. Questa barriera è importante perché non permette l'accesso alla porzione luminale delle cellule del sistema immunitario che scorrono nei capillari della lamina basale. Queste cellule non devono accedere alla porzione luminale poiché qui avviene la maturazione finale e la produzione di spermatozoi. Gli spermatozoi sono cellule altamente specializzate, e sulla superficie esterna presentano molecole complesse che servono all'interazione con la cellula per la fecondazione. Queste molecole potrebbero essere riconosciute dal sistema immunitario, portando a una reazione autoimmune. La spermatogenesi inizia in pubertà e, siccome gli spermatozoi si formano dopo la formazione del sistema immunitario, quest'ultimo riconoscerà le cellule come non appartenenti all'organismo, attaccandole e causando sterilità autoimmune.

Le cellule del Sertoli svolgono altre funzioni: nutrimento e supporto delle cellule germinali, fagocitosi delle cellule germinali degenerate, produzione di sostanze endocrine e paracrine che regolano la gametogenesi, regolazione del rilascio degli spermatidi maturi nel lume dei tubuli, e creazione di una barriera emato-testicolare.

Nel corso del tempo si distinguono 12 fasi successive, corrispondenti a un processo di maturazione noto come ciclo dell'epitelio seminifero. La composizione della parete del tubulo cambia progressivamente nel tempo e segue fasi cicliche. Le porzioni del tubulo si trovano in fasi da 1 a 12, non sincronizzate, ma sfalsate di una fase, generando un'onda dell'epitelio seminifero.

Una volta generate le cellule aploidi, i prodotti spermatidi aploidi devono andare incontro a un processo finale di maturazione per produrre spermatozoi. Questa fase si svolge nella porzione più vicina al lume, durante la quale la morfologia delle cellule cambia radicalmente.

Il spermatide sferico si trasforma in uno spermatozoo con specializzazione morfologica e funzionale. La struttura adottata è finalizzata a garantire motilità e interazione con la cellula uovo. Nella regione della testa è presente un nucleo compattato e un cappuccio, la vescicola acrosomica, che contiene sostanze necessarie per la fecondazione. La coda contiene una struttura citoscheletrica, il flagello, capace di contrarsi e propellere lo spermatozoo, utilizzando l'ATP prodotto dai mitocondri.

Spermiogenesi e spermioistogenesi

La spermiogenesi o spermioistogenesi è la maturazione degli spermatidi in spermatozoi dopo la seconda divisione meiotica. Durante la maturazione post-meiotica, per muovere il flagello, si usa energia ATP prodotta dai mitocondri. I mitocondri dello spermatozoo si fondono per formare un mitocondrio a spirale unico che avvolge la parte iniziale del flagello. L'acrosoma contiene fosfolipidi, glicoproteine ed enzimi coinvolti nella fecondazione.

Durante la spermiostogenesi:

• Il nucleo si compatta (condensazione della cromatina nel nucleo)
• Si forma l'acrosoma
• Si sviluppa il flagello (formazione del mitocondrio a spirale)
• Si elimina il citoplasma mantenendo solo quello indispensabile (attraverso esocitosi)

Il differenziamento include:

• Morfologia: formazione della testa, zona intermedia, flagello
• Funzionalità: motilità, capacità di attraversare le membrane dell'uovo
• Nucleo: blocco della sintesi di DNA e RNA, compattazione

La spermioistogenesi si suddivide in 4 fasi principali:

• Fase del Golgi
• Fase acrosomiale
• Fase iniziale di maturazione
• Fase media di maturazione

La cromatina va incontro a disidratazione e compattazione. Il DNA è associato a proteine istoniche, 8 proteine (ottamero istonico) attorno al DNA si avvolgono, formando il nucleosoma avvolto su se stesso in solenoide, generando il cromosoma mitotico. Nello spermatozoo, il livello di compattezza è superiore grazie alla sostituzione delle proteine istoniche con le protamine. Gli istoni sono proteine basiche, ricche di lisina, capaci di interagire con il DNA con carica negativa. Le protamine sono proteine basiche con carica positiva, capaci di interagire con il DNA, ma ricche di amminoacidi con gruppi SH-S che formano ponti disolfuro. Cromatina e protamine formano una struttura ad anse sovrapposte, a ciambella, legata da ponti disolfuro, generando così un elevato livello di compattazione. La sostituzione di istoni con protamine è progressiva e può essere parziale (nell'uomo 15%).

Il significato funzionale della sostituzione è:

• Riduzione del volume nucleare (5% del volume di una cellula somatica)
• Protezione del DNA da danni fisici o chimici
• Ruolo nella riprogrammazione del genoma paterno

Ulteriori modificazioni si verificano nei tratti dell'apparato genitale maschile: nell'epididimo, la membrana plasmatica si arricchisce di colesterolo, riducendo la fluidità e prevenendo la fusione prematura dell'acrosoma (che deve avvenire durante la fecondazione). Le proteine di superficie vengono mascherate per evitare un attacco dal sistema immunitario femminile. Tali modifiche rendono lo spermatozoo incapace di interagire con il gamete femminile e dovranno essere rimosse nell'apparato genitale femminile.

La formazione dell'acrosoma è ritardata. Il flagello è composto da filamenti di microtubuli, che possono scorrere l'uno sugli altri, determinando contrazione e spostamento, e quindi movimento. I filamenti scorrono grazie alle dineine, capaci di far scorrere i microtubuli utilizzando l'ATP prodotto dal mitocondrio a spirale.

Regolazione ormonale della spermatogenesi

La spermatogenesi è regolata da ormoni prodotti dall'ipotalamo e dall'ipofisi. L'ipotalamo rilascia l'ormone GnRH, ormone di rilascio delle gonadotropine, che agisce sull'ipofisi (ghiandola pituitaria). L'ipofisi reagisce a GnRH producendo LH (ormone luteinizzante) e FSH (ormone follicolo stimolante), rilasciati nella circolazione sanguigna e raggiungendo le gonadi. LH agisce sulle cellule del Leydig, che producono testosterone, stimolando la progressione della gametogenesi.

Il testosterone può entrare nel circolo sanguigno e promuovere la maturazione in senso maschile dei tessuti somatici. Il testosterone è un ormone con struttura idrofoba, non interagisce bene con la matrice extracellulare presente nei tessuti. Per poter agire in maniera efficace, deve legarsi a una proteina trasportatrice: ABP (androgen-binding protein), sintetizzata dalle cellule del Sertoli sotto stimolazione di FSH. La gametogenesi è finemente regolata e avviene con tempistiche precise. Il ciclo dell'epitelio seminifero segue una tempistica precisa e il numero di gameti è costante per un meccanismo a feedback negativo. Le cellule del Sertoli, oltre a ABP, producono inibina sotto stimolazione di FSH, che viaggia nel circolo sanguigno fino all'ipofisi, inibendo il rilascio di GnRH. Se si verifica una produzione troppo elevata di GnRH, viene prodotta molta inibina, abbassando il rilascio di GnRH. Se GnRH è troppo basso, viene prodotta meno inibina, aumentando la produzione di GnRH.

Oogenesi

Il processo di oogenesi porta alla formazione della cellula uovo da precursori, ovvero gli ovogoni. La cellula uovo è una cellula molto specializzata, che va incontro a meiosi per produrre un genoma aploide e possiede specializzazioni morfologiche e funzionali. È la cellula più grande tra le cellule diverse, nello stesso ordine di grandezza.

Durante l'oogenesi, si verifica un processo di accrescimento della cellula, che può raggiungere dimensioni di millimetri negli anfibi e, nel caso delle uova di uccelli, dimensioni ancora più grandi. L'accrescimento e l'arricchimento di macromolecole specifiche serviranno sia all'ovogenesi sia a supportare lo sviluppo dopo la fecondazione. La cellula uovo è una vera fabbrica molecolare, che produce molecole molto specializzate. È caratterizzata da strutture specifiche visibili con analisi accurate: involucri, importanti per proteggere la cellula e permettere l'interazione con lo spermatozoo. È un processo di tipo differenziativo.

A seconda del gruppo di organismi considerati, ci sono grandi differenze. Nel caso di ovogenesi, la differenza è nel numero di gameti prodotti. Nella specie umana, è prodotto un gamete femminile alla volta, o un numero limitato; nei mammiferi può essere prodotta una coorte di gameti che maturano contemporaneamente. Gli anfibi producono centinaia o migliaia di gameti contemporaneamente. In funzione di questo fatto, ci sono differenze importanti nel processo di oogenesi.

Così come per la spermatogenesi, anche per l'oogenesi si individuano tre fasi principali:

• Moltiplicativa: mediante mitosi, i precursori ovogoni si dividono per mitosi per amplificare la popolazione di precursori che andrà incontro a fasi successive.
• Fase di meiosi: l'ovocita si divide per meiosi due volte, in modo da produrre gameti aploidi.
• Fase di maturazione e differenziamento: tuttavia, questa fase non è interamente post-meiotica, come nel caso della spermatogenesi (spermioistogenesi), durante l'oogenesi i fenomeni di maturazione avvengono già durante la fase meiotica, maturazione è meiotica.

L'ovocita primario e secondario, cellule che effettuano la prima e seconda meiosi, sono cellule già più grandi degli ovogoni. L'entità della fase moltiplicativa può variare notevolmente a seconda della specie considerata. Negli anfibi e nei pesci, la fase moltiplicativa continua per buona parte della vita dell'organismo, in modo che l'organismo possa produrre a ogni ciclo riproduttivo una grande coorte di gameti che vengono rilasciati. Nel caso dei mammiferi, vengono rilasciati un numero di gameti più basso, generalmente un singolo gamete maturo. Non serve una fase moltiplicativa molto estesa, nei mammiferi la fase moltiplicativa è limitata allo sviluppo embrionale.

C'è un picco intorno al 6^o mese dello sviluppo embrionale, la fase moltiplicativa cessa e il numero calerà progressivamente, parte dei precursori andranno incontro a degenerazione progressiva. Il numero decresce ma nella vita adulta è presente una quantità comunque elevata di ovogoni, largamente sufficienti a produrre gameti maturi. In tutti i casi, si verifica una forte diminuzione dal picco, alla nascita, e in maniera più lenta un'ulteriore diminuzione nella vita adulta.

Le divisioni meiotiche durante l'oogenesi sono caratterizzate da citodieresi ineguale che porta alla formazione di una cellula uovo e di due o tre globuli polari. La modalità della fase mitotica è diversa tra spermatogenesi e oogenesi e può essere diversa nell'oogenesi a seconda degli organismi considerati. Un'altra differenza è nella modalità della meiosi: mentre nella spermatogenesi la meiosi avviene per produrre 4 spermatidi da un precursore, nel caso dell'oogenesi viene prodotto solo un gamete aploide dal precursore. Questo perché le divisioni meiotiche sono divisioni asimmetriche, caratterizzate da citodieresi ineguale che porta alla formazione di una cellula che eredita tutto il citoplasma, ed una cellula più piccola che di fatto è un involucro che contiene solo il nucleo, il primo globulo polare.

Alla successiva divisione meiotica, la cellula con il citoplasma si dividerà ancora in modo ineguale generando una cellula che sarà gamete maturo e un secondo globulo polare derivante da seconda divisione asimmetrica. Alla fine, possono essere presenti un gamete maturo e due o tre globuli polari, dipende dal fatto che in alcuni organismi il primo globulo polare va incontro a divisione meiotica, saranno presenti tre globuli che poi degenereranno, in altri organismi il primo non va incontro a meiosi e quindi ne restano due.

Questa strategia di divisione ineguale ha la funzione di concentrare all'interno della cellula uovo una grande quantità di citoplasma e di organuli e nutrienti che serviranno a supportare lo sviluppo embrionale: il gamete maschile trasmette solo il nucleo e l'informazione genetica, il citoplasma è di derivazione materna.

Oltre alla differenza nella modalità di citodieresi, l'oogenesi si distingue dalla spermatogenesi per la tempistica: l'oogenesi di solito prevede blocchi della meiosi, che possono essere molto lunghi. In molti casi, si verifica un blocco a livello della prima divisione, prima della profase meiotica. Nel caso dei mammiferi, questo blocco insorge durante il periodo di sviluppo embrionale.