Biologia dello sviluppo

Biologia dello sviluppo

Tutti gli animali, incluso l'uomo, sono caratterizzati da uno specifico ciclo che inizia quando l'uovo viene fecondato e si forma lo zigote. Lo zigote si sviluppa attraverso stadi embrionali e giovanili fino all'adulto. Una volta raggiunta questa fase adulta, i singoli individui iniziano la produzione di gameti, il che consente sia la conservazione che la riproduzione della specie. Quando i gameti si incontrano, inizia un nuovo ciclo vitale, mentre gli adulti, completato il loro ciclo vitale, la cui durata è specifica in base alla specie, muoiono.

Ogni ciclo vitale comprende la fase embrionale, la fase postembrionale e la fase adulta, ciascuna di queste fasi è poi suddivisa ulteriormente in altri stadi. Col termine embrione ci riferiamo all’individuo che va dalla fecondazione alla formazione dei tessuti. Il periodo dello sviluppo, detto embriogenesi, viene suddiviso in vari stadi: abbiamo la fecondazione, la segmentazione, la gastrulazione, la neurulazione, l'organogenesi e infine l'istogenesi.

Fecondazione e segmentazione

La fecondazione consiste nell'unione dell'uovo e di uno spermatozoo. L'uovo è una cellula molto più grande rispetto allo spermatozoo, carica di un insieme di sostanze nutritive che prende il nome di vitello, utilizzato dall'embrione incapace di procurarsi il nutrimento con mezzi propri. La maggior parte delle uova hanno almeno un asse di simmetria, detto asse animale-vegetativo. Il polo animale è quello più vicino al nucleo, mentre quello vegetativo si trova dal lato opposto. La segmentazione è caratterizzata dal fatto che gli zigoti vanno incontro a una serie di divisioni cellulari non seguite però da un accrescimento cellulare: infatti le cellule originate, dette blastomeri, sono sempre più piccole. Alla fine di tale processo, l'embrione prende il nome di blastula.

Gastrulazione e organogenesi

La gastrulazione consiste in una serie di movimenti morfogenetici; alla fine, l'embrione prenderà il nome di gastrula, e sarà formato da tre strati di cellule chiamati foglietti embrionali. Dall'esterno verso l'interno abbiamo l'ectoderma, il mesoderma e l’endoderma. Successivamente, questi tre foglietti vanno incontro ad altri movimenti morfogenetici. Tale processo è detto organogenesi e, al suo completamento, lo schema corporeo dell'embrione sarà tipico della specie a cui appartiene. La neurulazione porta alla formazione del sistema nervoso, infine durante l'istogenesi, le cellule che hanno finalmente raggiunto la posizione definitiva acquisiscono anche la struttura e la funzione finale.

Sviluppo embrionale umano

Nell'uomo, il periodo embrionale dura 8 settimane di gestazione, mentre successivamente, dalla nona settimana fino alla nascita, è detto periodo fetale e l'embrione prende il nome di feto. Abbiamo due tipi di sviluppo: uno diretto e uno indiretto. Parliamo di sviluppo diretto quando, durante il periodo post-embionale, gli individui di alcune specie appaiono come miniature degli adulti, mentre nello sviluppo indiretto, gli individui post-embionali somigliano poco all'adulto, come nel caso dei girini delle rane oppure i bruchi delle farfalle. Queste forme post-embionali sono chiamate larve, e il passaggio dalla fase larvale a quella adulta comprende una serie di eventi che prende il nome di metamorfosi.

Gametogenesi

Ovogenesi e spermatogenesi

Gli spermatogoni e gli ovogoni nella gonade vanno incontro a un complesso processo di differenziamento detto gametogenesi. Nella linea femminile viene indicato col nome di ovogenesi e porta alla formazione della cellula uovo o semplicemente uovo, mentre nella linea maschile il processo detto spermatogenesi porta alla formazione degli spermatozoi. Le gonadi sono organi che, oltre alla produzione dei gameti, sono impegnati anche nella produzione e nel rilascio di ormoni detti ormoni sessuali, a cui si deve lo sviluppo dei caratteri sessuali secondari che differenziano il fenotipo maschile da quello femminile. Col termine fenotipo indichiamo l'insieme delle caratteristiche morfo-funzionali che caratterizzano l'aspetto esterno di un individuo.

Sia nella spermatogenesi che nell'ovogenesi si riconoscono tre momenti fondamentali, ovvero: la fase proliferativa, durante la quale gli spermatogoni e gli ovogoni si dividono per mitosi; poi abbiamo la fase meiotica, durante la quale il corredo cromosomico si modifica sia perché da diploide diventa aploide sia perché va incontro a rimaneggiamenti che producono variabilità genetica; infine, abbiamo la fase differenziativa, caratterizzata da cambiamenti sia a livello nucleare che citoplasmatico, durante la quale si rendono evidenti i caratteri morfologici che contraddistinguono i due gameti. Queste tre fasi hanno durate e caratteristiche diverse nella linea maschile e in quella femminile e dipendono dal ciclo vitale dell'organismo preso in esame.

Esempio nella specie umana

Nella specie umana, ad esempio, la fase proliferativa del maschio dura per tutto il suo ciclo vitale, il che garantisce una produzione continua di spermatozoi per tutto l'arco riproduttivo, mentre nel caso della femmina, la fase proliferativa è limitata al periodo embrionale, infatti gli ovogoni non saranno più riscontrabili a livello dell'ovario al momento della nascita.

Spermatogenesi

La spermatogenesi può avere un andamento ciclico, come nelle specie che hanno un'attività stagionale legata al periodo degli amori, oppure un andamento continuo come nella specie umana, nella quale la produzione non è legata a un momento del ciclo vitale, ma avviene per tutto il periodo in cui gli individui sono fertili. La spermatogenesi si realizza nei testicoli, che nei vertebrati presentano due tipi di organizzazione: una cistica, che è tipica di pesci e anfibi, l'altra invece tubulare, tipica dei rettili, degli uccelli e dei mammiferi.

Nei testicoli ad organizzazione cistica, la spermatogenesi avviene in strutture rotondeggianti dette cisti, dove tutte le cellule germinali presentano lo stesso stadio di differenziamento. Nel testicolo invece con organizzazione tubulare, la spermatogenesi avviene in strutture dette tubuli seminiferi, che costituiscono le unità strutturali di tali testicoli. Qui, a differenza delle cisti, si trovano cellule germinali in tutti gli stati differenziativi, dagli spermatogoni agli spermatozoi.

I testicoli dei mammiferi sono rivestiti da una lamina connettivale detta tunica albuginea, che, nelle specie come l'uomo, forma dei setti verso l'interno, così il testicolo risulta suddiviso in lobuli, al cui interno sono localizzati i tubuli seminiferi. Le estremità di questi tubuli convergono verso l'ilio del testicolo, da dove prendono origine le vie genitali maschili. Lungo queste vie è attiva una serie di ghiandole, a cui si deve la secrezione di liquido spermatico, che con gli spermatozoi costituisce lo sperma. Lo spazio situato tra i tubuli è occupato da un tessuto connettivale.

La parete del tubulo è un epitelio pluristratificato in cui sono presenti due tipi di cellule: le germinali e quelle di Sertoli. Gli spermatogoni sono disposti alla base rappresentata dall'esterno del tubulo, mentre le cellule più differenziate, ovvero gli spermatozoi, si trovano localizzati a livello del lume disposto centralmente al tubulo. La parete del tubulo è completata alla periferia da una membrana basale esternamente alla quale sono localizzate le cellule mioidi, cioè cellule somatiche che, contraendosi ritmicamente, favoriscono la fuoriuscita degli spermatozoi dal tubulo verso le vie spermatiche, ma intervengono anche nella spermatogenesi grazie al rilascio di fattori che influenzano l'attività delle cellule di Sertoli.

Cellule di Sertoli e di Leydig

Le cellule di Sertoli si riconoscono per le maggiori dimensioni rispetto alle cellule germinali; inoltre, presentano un nucleo bilobato. Le cellule di Sertoli sono impegnate nella sintesi di differenti fattori:

• Ormone anti-Muller, responsabile durante lo sviluppo embrionale della regressione per apoptosi del Dotto di Muller.
• Inibina e attivina, due ormoni che regolano la produzione degli ormoni sessuali impegnati nella spermatogenesi.
• Attivatore del plasminogeno, che modifica la permeabilità delle giunzioni strette, permettendo così il passaggio delle cellule germinali dal compartimento basale a quello ad-luminale.
• Fattori di crescita che controllano il ritmo di proliferazione delle cellule.

Le cellule di Sertoli sono sottoposte a cambiamenti di forma, i quali sono importanti perché facilitano la progressione delle cellule germinali verso il lume man mano che queste si differenziano da spermatogoni a spermatozoi. Tra le cellule di Sertoli troviamo diversi tipi di interazioni cellulari, tra cui le giunzioni strette. Queste sono responsabili della costituzione della barriera emato-testicolare, una sorta di occlusione che garantisce la formazione di due compartimenti: il compartimento basale e quello ad-luminale o apicale. Nel primo compartimento si trovano gli spermatogoni e spermatociti primari, mentre nel secondo compartimento si trovano gli spermatociti secondari, gli spermatidi e gli spermatozoi. Questa barriera impedisce alle cellule germinali situate nel compartimento apicale, caratterizzate da antigeni diversi da quelli presenti sulle cellule del compartimento basale, di venire attaccate dal sistema immunitario.

Le cellule di Leydig costituiscono una componente del tessuto interstiziale situato nello spazio tra i tubuli seminiferi e sono riunite in piccoli gruppi intorno ai vasi sanguigni presenti in questo tessuto. Queste cellule sono responsabili della sintesi e della secrezione del testosterone.

Meiosi e differenziazione degli spermatogoni

Nel compartimento basale, possiamo trovare spermatogoni staminali oppure spermatogoni determinanti. I primi presentano i caratteri tipici delle cellule staminali e vanno incontro continuamente a divisioni mitotiche. Le cellule prodotte da questi spermatogoni possono presentare ancora i caratteri di cellula staminale oppure andare incontro a una serie di modificazioni che porterà gli spermatogoni detti determinanti a trasformarsi in spermatozoi. Gli spermatogoni determinanti si riconoscono da quelli staminali perché si dividono più rapidamente; inoltre, nel dividersi, rimangono collegati mediante dei ponti citoplasmatici. Tutte le cellule che si formeranno da questi spermatogoni durante la meiosi rimarranno sempre collegate da ponti citoplasmatici. La presenza di questi ponti è importante perché, oltre a garantire una sincronia nello sviluppo delle cellule, permette anche lo scambio di molecole e organuli citoplasmatici.

L’entrata in meiosi degli spermatogoni è dovuta alla secrezione da parte delle cellule di Sertoli del GDNF (fattore neurotrofico derivato dalle cellule gliali). Gli spermatogoni, prima di entrare in meiosi, duplicano il proprio DNA, subiscono una breve fase di accrescimento detta auxocitosi e si trasformano in spermatociti primari, riconoscibili dagli spermatogoni per le maggiori dimensioni. Questi spermatociti primari, subendo la prima divisione meiotica, danno origine agli spermatociti secondari, che risultano invece più piccoli e con una cromatina maggiormente addensata. La seconda divisione meiotica porterà ogni spermatocita secondario a dare origine a due spermatidi, che iniziano il processo di spermiogenesi, il quale li porterà a differenziarsi in spermatozoi.

Spermiogenesi

Da ogni spermatocita primario si originano quattro spermatidi, che sono cellule aploidi rotondeggianti. I cambiamenti a cui vanno incontro gli spermatidi interessano sia il nucleo che il citoplasma. Il nucleo, che inizialmente è rotondeggiante ed eucromatico, diventa allungato ed eterocromatico. Il cambiamento di forma è dovuto a un manicotto di microtubuli detto manchette, che si dispone intorno al nucleo, determinandone il progressivo allungamento. L’eterocromatizzazione è dovuta a una progressiva compattazione della cromatina, favorita dal fatto che gli istoni preesistenti vengono sostituiti dalle protammine, la cui funzione, oltre a quella di favorire la compattazione, è anche quella di salvaguardare il genoma dello spermatozoo da eventuali danni ambientali dopo l’eiaculazione.

A livello citoplasmatico si osserva soprattutto la formazione dell'acrosoma e del flagello, che si dispongono ai due poli opposti della cellula. L'acrosoma è un grosso lisosoma che si forma a partire dall'apparato di Golgi, che all'inizio della spermiogenesi risulta caratterizzato dalla presenza di numerosi granuli di secrezione detti granuli preacrosomici. Questi, fondendosi, danno origine all’acrosoma, che andrà a disporsi nella parte anteriore del futuro spermatozoo, ricoprendo per la maggior parte il nucleo, lasciando scoperta la parte posteriore. Contemporaneamente alla formazione dell’acrosoma, si verifica lo spostamento dei due centrioli: il prossimale e il distale verso la parte opposta a quella dove è localizzato l'acrosoma. Questa regione diventerà la parte posteriore dello spermatozoo, nella quale si organizza il flagello, la cui parte centrale è caratterizzata dalla assonema, ovvero una struttura microtubulare. La formazione dell'assonema avviene a partire dal centriolo distale, detto così perché localizzato più lontano dal nucleo. Man mano che si forma l'assonema, si verifica la deposizione di un materiale denso che si organizza intorno all'assonema. La formazione della coda è infine completata da una fascia di mitocondri, che vanno a disporsi esternamente al materiale denso. Alla fine della spermiogenesi, il citoplasma dello spermatidio, detto corpo residuo, viene allontanato dalla cellula e fagocitato dalle cellule di Sertoli. Con la spermiogenesi, si ha la perdita dei ponti intercellulari e quindi gli spermatozoi possono essere liberati nel lume del tubulo seminifero.

Spermatozoi

Gli spermatozoi sono delle cellule che hanno un'organizzazione strutturale diversa a seconda della specie. Più frequentemente, gli spermatozoi sono caratterizzati da una testa e una coda, detta anche flagello; per questo prendono il nome di flagellati. Oltre a questi, ne esistono altri tipi privi di flagello che si muovono emettendo pseudopodi e sono detti aflagellati. Lo spermatozoo dei mammiferi è distinto in una testa, un collo e una coda, a sua volta suddivisa in un segmento intermedio, uno principale e uno finale. La testa è caratterizzata dalla presenza del nucleo e dell'acrosoma. Il nucleo è fortemente eterocromatico, tranne che in alcune regioni dette vacuoli nucleari, è circondato da un involucro nucleare privo di pori ed è sormontato dall'acrosoma, che ricopre tutta la parte anteriore. L'acrosoma contiene diversi tipi di materiali, tra cui enzimi che intervengono al momento della fecondazione.

La parte posteriore del nucleo, priva di acrosoma, è caratterizzata dalla presenza di un materiale denso detto lamina densa post-acrosomiale, che gioca un ruolo importante al momento della fecondazione. Il collo costituisce una parte molto ristretta dello spermatozoo, caratterizzato dalla presenza del centriolo prossimale e da materiale denso organizzato in colonne, esso garantisce l'adesione della coda alla testa. Il flagello è la parte più estesa dello spermatozoo ed ha come struttura portante l'assonema. Ciò che permette di distinguere nella coda i tre segmenti è la presenza di un diverso tipo di materiale associato all’assonema.

Gli spermatozoi di specie a fecondazione esterna acquisiscono la loro motilità nel momento in cui vengono a contatto con l'acqua, mentre gli spermatozoi degli animali come i mammiferi che hanno fecondazione interna acquisiscono la motilità durante il transito nell’epididimo. Quando gli spermatozoi lasciano il testicolo, sono ancora delle cellule immobili e la loro progressione fino all’epididimo è garantita dalle cellule mioidi. Gli spermatozoi risultano caratterizzati dal movimento di tipo sinusoidale, paragonabile a quello di un serpente. Durante il passaggio nell'epididimo, gli spermatozoi non solo acquisiscono la capacità di muoversi, ma subiscono anche degli ulteriori cambiamenti indicati complessivamente con il termine di maturazione spermatica. Tali cambiamenti riguardano, ad esempio, la presenza di colesterolo a livello della membrana plasmatica, il che impedisce che si verifichino prematuramente dei fenomeni di fusione tra la membrana plasmatica e la membrana acrosomiale esterna.

Gli spermatozoi eiaculati non sono ancora in grado di fecondare la cellula uovo; tale capacità viene acquisita durante il passaggio attraverso le vie genitali femminili. Il complesso dei cambiamenti che si verificano viene indicato con il termine di capacitazione. La mancanza di capacità fecondante è maggiormente dovuta alla presenza di molecole che sono state legate sulla superficie degli spermatozoi durante il transito nelle vie genitali maschili. Queste molecole permettono agli spermatozoi di transitare liberamente lungo le vie genitali femminili senza essere attaccati dal sistema immunitario. Durante la capacitazione, le molecole di colesterolo vengono allontanate dalla superficie della membrana plasmatica; inoltre, le molecole precedentemente assorbite sulla superficie cellulare degli spermatozoi vengono ora allontanate e questo determina uno smascheramento di proteine di superficie che potranno interagire con la superficie dell’uovo al momento della fecondazione. Gli spermatozoi umani possono sopravvivere nelle vie genitali per circa 3 giorni, durante i quali possono prendere connessione con le cellule delle tube.

La regolazione della spermatogenesi

L'ipotalamo, centro neurosecretorio localizzato nella regione ventrale del diencefalo, secerne il GnRH, un ormone che determina il rilascio delle gonadotropine. Questo GnRH, tramite il sistema portale ipotalamo-ipofisario, viene rilasciato nella regione anteriore dell'ipofisi, detta adenoipofisi, dove stimola la secrezione delle gonadotropine ipofisarie, che sono l'ormone follicolo-stimolante detto FSH e l'ormone luteinizzante detto LH. Questi due ormoni sono attivi sia nel maschio che nella femmina. Nel maschio, l'FSH agisce a livello delle cellule di Sertoli, il cui corrispettivo nella femmina è rappresentato dalle cellule follicolari, mentre l'LH agisce a livello delle cellule di Leydig.