Biologia dello sviluppo

PRINCIPI DI BASE DEL DIFFERENZIAMENTO CELLULARE E DELLO

SVILUPPO

All'interno di organismi pluricellulari i gruppi di cellule si specializzano per determinate funzioni,

perdendo l'autonomia.

Blocco in G (quiescenza): le cellule differenziate non si dividono ma possono rientrare nel

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ciclo in determinate circostanze fisiologiche. Molte cellule tumorali nascono perchè le

cellule staminali si trasformano in cellule tumorali. Alla fine della M, le cellule possono

uscire dal ciclo e entrare in G , transitoriamente (=fase di quiescenza, durante la quale le

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cellule sono uscite dal ciclo ma potrebbero rientrarci) o permanentemente (=le cellule si

differenziano e non entrano più nel ciclo).

Cellule staminali: permettono all'organo di crescere e rigenerarsi

• determinazione: processo che indirizza le cellule verso una via differenziativa; non è la

• differenziazione

differenziamento: processo che induce un gruppo di cellule a esprimere i caratteri fenotipici

• propri di un tessuto

Una cellula è determinata se incanalata irreversibilmente verso un destino differenziativo ma non

manifesta caratteristiche morfologiche tipiche di un tessuto; è differenziata se esprime tratti

morfologici e funzionali terminali e specifici. Eritroblasto è la cellula determinata che può solo

diventare eritrocita. L'eritrocita ha una grande quantità di Hb e non possiede nucleo; l'eritroblasto ha

nucleo, per cui ha ancora le caratteristiche di una cellula indifferenziata. Per sapere che una cellula è

determinata, ci sono degli esperimenti, compiuti a livello embrionale: ho un embrione allo stadio

iniziale, se non lo modifico, una data parte mi dà origine a una zona dell'organismo (libro fig. 16.7).

Se trasferite in un posto diverso, se si sono differenziate come se fossero rimaste al loro posto,

allora eran determinate.

QUALI SEGNALI E QUALI MECCANISMI REGOLANO DETERMINAZIONE E

DIFFERENZIAMENTO?

Le due cellule dopo la prima divisione dello zigote sono totipotenti, se separate, ma, se rimangono

insieme, si scambiano segnali che inibiscono la totipotenza, perchè una dà origine a metà organismo

e l'altra all'altra metà. Se uccido uno dei due blastomeri, senza staccarlo, si origina un

emiorganismo, che non sarà vitale.

Un teratoma è un embrione umano che ha perso la giusta disposizione geometrica, ci sono tutti i

tessuti ma sono disposti in modo scorretto.

INDUZIONE PERMISSIVA DELL'ECTODERMA NELLA DETERMINAZIONE DEL

MESODERMA DELL'ARTO

Ad un certo punto nell'embrione si vedono gli abbozzi degli arti, in cui ci sono due tipi di tessuto: 1

determinato e staccato, cioè l'ectoderma che originerà l'epidermide; e il mesoderma, che darà

origine a cellule muscolari e tessuto osseo. Perchè l'arto sia funzionante, le ossa e i tessuti si devono

formare nel modo giusto. Se, quando comincia a formarsi l'abbozzo, tolgo lo strato più ext

(ectoderma), l'omero si forma, ci sono radio e ulna ma basta. Questo esperimento dice che

l'ectoderma ext influisce sul mesoderma, perchè se tolgo l'ectoderma il mesoderma non differenzia

bene.

Induzione permissiva significa che l'ectoderma è essenziale per lo sviluppo del mesoderma interno

ma l'induzione non costringe il mesoderma a differenziare in un certo tipo, bensì manda dei segnali

al mesoderma che permettono lui di differenziare. L'ectoderma non dice al mesoderma cosa fare ma

dà segnali per sviluppare il mesoderma.

L'induzione istruttiva invece costringe a differenziare in un certo modo.

DETERMINAZIONE ED INDUZIONE NELLO SVILUPPO

L'ectoderma induce lo sviluppo del mesoderma: se tolgo l'ectoderma, si blocca il processo di

determinazione. Il mesoderma è già determinato. Per sapere se una regione è determinata, prendo

una parte di abbozzo di tessuto e lo trasferisco: se il tessuto non era ancora determinato, il tessuto

che si formerà sarà simile a quello in situ di dove l'ho trapiantato; se si forma qualcosa di diverso

(es. ala invece che zampa), allora il mesoderma era già determinato.

I meccanismi che regolano l'induzione sono simili tra specie diverse.

INDUZIONE PERMISSIVA NELLO SVILUPPO DEL CRISTALLINO

La parte ext dell'epidermide, interagendo con il mesoderma, dà origine al cristallino: mesoderma ed

ectoderma si mandano dei messaggi.

Segnali induttivi di tipo permissivo stimolano lo sviluppo di cellule già determinate (cioè

cellule in cui uno specifico corredo genetico è stato già fissato)

Segnali induttivi di tipo istruttivo stimolano lo sviluppo di cellule non ancora determinate

(regolano lo stabilirsi di uno specifico corredo genetico)

INDUZIONE ISTRUTTIVA NELLO SVILUPPO DELL'ARTO

Le dita si raddoppiano perchè ci sono 2 regioni e non più 1 da cui si originano i segnali.

SVILUPPO DELL'EMBRIONE DI MAMMIFERO

Dopo la formazione della morula, si forma la blastocisti: una parte delle cellule che han formato la

morula si distendono e formano una cavità, con uno strato spesso di cellule più in alto. Queste

cellule prendono il nome di inner cell mass. Il trofoblasto dà origine a strutture extraembrionali.

SVILUPPO DELLA BLASTOCISTI

Tra le cellule in alto si forma una cavità che sarà l'amnios. Alla fine si forman 3 strati: questo

processo di invaginazione delle cellule ectodermiche avviene lungo tutto l'embrione e, man mano

che le cellule penetrano all'interno, si formano 3 strati e abbiamo la gastrula, che ha i 3 foglietti

determinati, che daranno origine ai diversi tessuti.

CAPACITA' REGOLATIVA DELLE ICM

precoce separazione (entro il 4° giorno di sviluppo o prima della formazione del trofoblasto)

• di blastomeri della ICM → gemelli monozigoti dotati ognuno di corion

separazione di blastomeri tra 5° e 9° giorno (dopo la formazione del trofoblasto ma prima

• della formazione dell'amnios) → gemelli monozigoti con corion comune ma amnios

separato

separazione dei blastomeri dopo il 9° giorno → rischio di gemelli siamesi con corion ed

• amnios comuni

NEURULAZIONE

L'ectoderma dà origine ad un'invaginazione verso l'interno. Le cellule ectodermiche formano prima

la doccia neurale, cavità che poi si chiude completamente diventando tubo neurale. All'esterno del

tubo neurale ci sono cellule ectodermiche che formeranno l'epidermide. Quindi nello strato più

superficiale c'è l'epidermide, nella parte interna c'è il tubo neurale, lungo tutto l'embrione. Inizia

dove ci sarà la testa e finisce nella zona caudale. Nei mammiferi, il tubo neurale contiene la

notocorda al di sotto del tubo neurale. Tutti i processi di ulteriore determinazione avvengono in

contemporanea, sia la neurulazione che la formazione dei primordi dei vari tessuti. Il cuore inizia a

battere dal 24° giorno. La neurulazione è una fase durante la quale si formano il tubo neurale e gli

abbozzi di tessuti negli altri due foglietti. Dai somiti originano buona parte dei muscoli della zona

dorsale, le ossa, la cartilagine e il derma. Dopo la neurulazione si parla di organogenesi, in cui i vari

organi maturano e acquisiscono un funzionamento. Infatti dopo la neurulazione si parla di feto.

LO SVILUPPO COME PROGRAMMA GENETICO

Nel caso dei mammiferi, lo sviluppo embrionale avviene all'interno, per cui l'influenza ambientale

non è diretta ma passa per l'organismo materno.

Il programma genetico dello sviluppo embrionale è stato compreso a partire dal modello drosophila.

I geni omeotici della drosophila sono presenti anche nei mammiferi e nell'uomo: sono gli stessi geni

che regolano lo sviluppo embrionale.

L'embrione di drosophila si forma in 24h, poi si forma una larva, che dopo 5 gg origina una

struttura con dei segmenti (detta UPA). Poi c'è la metamorfosi.

Alla fine della prima fase di divisione cellulare, le cellule sono già determinate, cioè danno origine a

regioni specifiche dell'organismo. Queste strutture determinate sono distribuite nell'embrione senza

una correlazione con la figura adulta. L'uovo di drosophila ha una cellula uovo circondata da cellule

che devono fornirle il nutrimento. Nei mammiferi, la cellula uovo si divide; nella drosophila, il

nucleo si divide ma la cellula no, per cui inizialmente c'è un'unica cellula uovo che diventa

polinucleata. Alla fine nella cellula uovo ho un migliaio di nuclei all'interno dello stesso citoplasma;

quindi, l'informazione genetica che ho nel nucleo, per essere tradotta in proteine, necessita di fattori

di trascrizione, che, trovandosi nel citoplasma, devono essere distribuiti tra le zone. I fattori di

trascrizione, essendo presenti in punti diversi dello stesso ambiente, provocano la risposta di geni

diversi, che saranno attivati in una zona e non in un'altra. Questa è la grossa differenza tra

drosophila e mammiferi.

Studiando questo processo si è scoperto che esistono 3 tipi di geni (=fattori di trascrizione) che

regolano lo sviluppo:

1. materni: non derivano dalla fecondazione ma dalla maturazione dell'uovo. Sono presenti

all'interno dell'unico citoplasma, all'inizio dello sviluppo, sotto forma di mRNA. Questi geni

sottoforma di mRNA non sono distribuiti in maniera omogenea dentro del citoplasma unico

ma sono più concentrati alcuni nella regione che sarà la testa, altri nella regione dorsale e

altri nella regione ventrale. Quindi, il citoplasma è unico ma al suo interno c'è una

localizzazione tale per cui si hanno fattori di trascrizione di origine materna presenti in

misura diversa in regioni diverse. Man mano che ci si allontana dalla zona in cui è più

concentrato, diminuisce gradualmente. Sono i primi geni a condizionare lo sviluppo. Sono i

fattori di trascrizione che determinano l'asse del futuro embrione (l'asse ant e l'asse post,

ventrale e dorsale), determinano dove deve nascere la testa e dove la coda. Sono fattori di

trascrizione, per cui agiscono sui geni i cui prodotti daranno origine alla testa o alla coda.

Sono presenti in misura maggiore in una regione del citoplasma comune. Stimolano la

sintesi della II classe di geni.

2. zigotici: derivano dalla fecondazione, quindi sono di origine materna e paterna; restringono

sempre di più la determinazione di una regione; sono di 3 classi:

(1) GAP: sono espressi in territori molto lunghi ma non in una zona

(2) EVEN-SKIPPED: sono espressi in un segmento sì e in uno no dell'embrione di

drosophila

(3) DELLA POLARITA' SEGMENTALE

3. geni selettori omeotici: sono sotto controllo dei geni precedenti. Sono espressi nei singoli

segmenti in modo segmentale. Sono fattori di trasc