Biologia dello sviluppo

BIOLOGIA DELLO SVILUPPO

Disciplina biologica che studi i processi che riguardano lo sviluppo

scienza che cerca di spiegare in che modo la struttura degli organismi si modifica nel tempo, dalla formazione del nuovo

individuo al suo sviluppo e accrescimento

Arco temporale compreso dalla formazione del nuovo individuo, al suo sviluppo e accrescimento

Molti dei processi di sviluppo sono fondamentali affinchè esso possa avvenire correttamente, altrimenti possono

verificarsi delle patologie

Nasce con Aristotele nel VI secolo a.C, fu il primo a occuparsi di come si formi un nuovo organismo

- teoria dell’epigenesi forze chimiche e fisiche formano il nuovo individuo

⇾

- teoria pre-formista ⇾ Malpighi, l’individuo è pre-formato e nasce come tale

cade con l’avvento del microscopio

Teoria della segmentazione

Weismann, XIX d. C.

Le cellule si originano per divisione cellulare dallo zigote e si differenziano per divisione ineguale dei determinanti

morfogenetici che stanno nel nucleo Nel corpo ci sono due tipi di cellule: quelle somatiche e quelle della linea

germinale (gameti)

Come i gameti fanno i gameti a dare origine a un nuovo individuo?

Le cellule germinali si dividono e separano i determinanti morfogenetici (determinanti genetici) che espressi in maniera

differenziale danno origine a tipi cellulari diversi

Ipotizza che questi determinanti si trovino nel nucleo morfologia cellulare differente a seconda della porzione del

⇾

nucleo nel quale si trovano teoria dei determinanti nucleari

Roux nel 1880-1890 conferma la di Wiesmann

Embrione di Xenopus

uovo fecondato allo stadio di due cellule:

una cellula bruciata con un ago rovente, una intatta

la cellula non bruciata dà origine a un embrione normale,

quella bruciata non dà origine a nulla

Driesch e Morgan

Confutano la teoria dei determinanti nucleari di Wiesmann e Roux: teoria dei determinanti citoplasmatici

la localizzazione dei determinanti non è nucleare ma citoplasmatica ⇾

Larva di riccio di mare

invece di bruciare una delle due cellule, vengono separate meccanicamente

separazione dei due blastomeri

una cellula muore, mentre l’altra ha uno sviluppo normale ma più ridotto

Sono i prodotti genici a dare i tipi cellulari diversi

Speeman e Mangold

Esperimento di trapianto del labbro dorsale del blastoporo organizzatore

⇾

dimostrazione del fenomeno dell’INDUZIONE

Induzione è il meccanismo attraverso cui le cellule vengono indotte a produrre determinanti specifici

Embrioni pigmentati in modo diverso, prelievo di una regione da un embrione

labbro dorsale del blastoporo (in Xenopus si trova vicino a una conca)

⇾

Questa regione (labbro dorsale) viene trapiantata in un altro embrione

La regione nuova genera un embrione accessorio più piccolo

le cellule hanno ricevuto segnali dall’embrione dal quale hanno avuto origine

hanno ricevuto induzione

⇾

segnali tra cellule vicine che inducono le cellule adiacenti

Divisioni cellulari della singola cellula uovo provocano la formazione di tante cellule diverse medianti il processo di

segmentazione, che avviene per distribuire i determinanti citoplasmatici

ricevono segnali e vengono indotte

Modello a mosaico: il destino di una cellula nello zigote è pre-determinato da quei fattori presenti nel citoplasma della

cellula uovo che vengono distribuiti in maniera non uniforme durante la segmentazione

Interazione cellulare: le cellule interagiscono le une con le altre attraverso il fenomeno dell’induzione

fenomeno per cui una cellula o tessuto dirige quello del tessuto o della cellula limitrofi

Il controllo dello sviluppo è dovuto a differenze dell’attività genica

sono i prodotti genici a dare origine alla diversità cellulare

principio dell’EQUILAVENZA GENETICA

Esperimento di Gurdon ⇾

Tutte le cellule contengono la stessa informazione genetica dello zigote, quindi le differenze tra le varie cellule dipendono

dall’espressione genica differenziale

Una volta che le cellule hanno ricevuto i segnali dalle cellule vicine, possono essere determinate

DETERMINAZIONE: cambiamento stabile della cellula dovuto a variazione delle attività geniche che provocano il

cambiamento delle proteine prodotte dalla cellula

Una volta che la cellula è determinata, questo cambiamento stabile viene ereditato dalle cellule che ne derivano (lineage)

Tutte le cellule che originano dalla cellula determinata, a loro volta sono determinate

A livello dell’embrione segmentato è possibile

individuare due regioni che si differenziano in tessuti

diversi

Una cellula della regione B viene trapiantata nella

regione A

- se non è stata determinata, si differenzia

come le cellule del suo intorno

- se è stata determinata, ha già acceso i geni

per diventare una cellula del tessuto B,

quindi si differenzia come il tessuto B

SPECIFICAZIONE: un gruppo di cellule si dice specificato quando, se isolato dal resto dell’embrione e coltivato in ambiente

neutro, si sviluppa secondo il destino che avrebbe seguito nell’embrione

I geni che dovevano accendersi, si sono già accesi, è già avvenuto un cambiamento nell’espressione genica

non serve la stimolazione da parte delle cellule circostanti

Cellule muscolari

Quando sono proliferati, sono dei mioblasti non sono ancora accesi

⇾

i geni che le porteranno ad assumere una capacità contrattile, non

vengono ancora espresse le miosine

Quando vengono indotte al differenziamento, le cellule smettono di

proliferare e accendono geni specifici

Fusione dei mioblasti per produrre i miotubi e i nuclei iniziano a spostarsi a livello periferico

Differenziamento finale, tutti i geni specifici sono espressi (espressione della miosina) differenziamento terminale con

⇾

contrazione spontanea

I segnali extracellulari di induzione vanno ad accendere l’espressione di geni

step separati che permettono la distinzione nella determinazione e nella separazione

RIPRODUZIONE

Processo di formazione di un nuovo individuo

Può essere:

- asessuata

un singolo genitore dà origine a un nuovo individuo (scissione, gemmazione o frammentazione)

tutte le cellule sono prodotte per mitosi e sono identiche a quelle del genitore

- sessuata

genomi aploidi dei gameti si mescolano dando origine a individui non identici ai loro genitori

unione di due nuclei di due diverse cellule aploidi che ripristina l’assetto diploide dell’organismo

meccanismi di ricombinazione genica

I gameti hanno un numero di cromosomi dimezzato (assetto aploide, n) rispetto al numero di cromosomi presenti nelle

cellule somatiche (assetto diploide, 2n) con la fusione dei gameti si ha il ripristino nello zigote dell’assetto diploide

⇾

Le cellule gametiche dimezzano il contenuto di DNA attraverso la meiosi

I gameti sono cellule aploidi che fanno parte delle cellule della linea germinale

Spermatozoo: la testa contiene il nucleo (unica parte che entra nella cellula uovo), i mitocondri si trovano alla base del

flagello che ne permette il suo movimento

nella parte anteriore della testa si trova una porzione detta acrosoma che contiene enzimi litici che lisano

la membrana che ricopre la cellula uovo

Cellula uovo: avvolta da una serie di membrane che la proteggono e impediscono polispermia

contiene sostanze che servono per l’immediato sviluppo delle zigote, RNA e proteine

durante la cellula uovo vengono sintetizzati attivamente e conservati nel citoplasma molecole di RNA con una

lunga emivita

questi RNA sono chiamati geni a eredità materna, lo zigote non ha tempo per fare la trascrizione, ma deve

continuare a dividersi, per questo gli RNA vengono forniti dalla cellula uovo

gli RNA servono per tradurre le proteine utili ai primi stadi di sviluppo: actina, istoni, tubulina

Imprinting genomico Alcuni geni vengono silenziati nell’oocita o nello spermatozoo e

restano spenti durante le prime fasi di sviluppo dello zigote

per questo motivo i genomi paterno e materno contribuiscono in

maniera diversa allo sviluppo embrionale

Fenomeno transiente, normalmente deve esserci un equilibrio tra

i geni materni espressi/silenziati e i geni paterni

Imprinting ginogenico: annessi embrionali di ridotte dimensioni

Imprinting adrogenico: crescita embrionale ritardata, annessi

embrionali molto sviluppati

La fecondazione è un processo nel quale i gameti si fondono e danno origine a un individuo con i potenziali genetici

derivati da entrambi i genitori

Tipi di fecondazione:

- interna (pesci cartilaginei, rettili, uccelli, mammiferi), più facile fecondazione

- esterna (anfibi, pesci ossei, molluschi, spugne), produzione di un elevato numero di nuova perché la probabilità di

fecondazione da parte dello spermatozoo è ridotta, le uova che vengono generate vanno incontro a un diverso

modello di sviluppo perché devono svilupparsi più velocemente (rischio dei predatori)

Fecondazione interna

Quando gli spermatozoi vengono depositati nel tratto riproduttivo femminile sono soggetti a CAPACITAZIONE

La prima barriera della cellula uovo dei mammiferi sono le cellule del cumulo ooforo

che vengono digerite dalla ialuronidasi presente sulla testa dello spermatozoo

La seconda barriera della cellula uovo è la zona pellucida, uno strato fibrosi di

glicoproteine che viene superato dallo spermatozoo grazie alla reazione acrosomiale

con rilascio di enzimi litici

Proteine della zona pellucida come ZP2 permettono il legame dello spermatozoo e la

sua penetrazione nella cellula uovo

Avviene la fusione delle membrane plasmatiche, entrata del nucleo dello

spermatozoo nel citoplasma della cellula uovo

Nel riccio di mare la prevenzione della polispermia si attua tramite una depolarizzazione della membrana plasmatica

dell’oocita seguita da un blocco lento della polispermia che consiste nella formazione di una membrana di fecondazione

impermeabile alla penetrazione

Nei mammiferi la prevenzione della polispermia si attiva con un meccanismo più lento nei 30-60 minuti successivi alla

fecondazione attraverso un rimodellamento della zona pellucida attraverso il rilascio per esocitosi dei granuli corticali al

di fuori della membrana plasmatica Il materiale dei granuli corticali e la membrana

formano la membrana di fecondazione che è

totalmente impermeabile

I granuli corticali rimanenti formano lo strato

ialino

Al momento della fecondazione, l’oocita viene attivato e si innescano una serie di eventi che determinano l’inizio del

processo di sviluppo dovuto a un rilascio massiccio di ioni calcio dalle riserve dell’oocita

⇾

Il punto di penetrazione dello spermatozoo determina il punto di attivazione dell’ondata di calcio

Lo zigote inizia il suo sviluppo Lo stadio filotipico è molto simile tra embrioni di specie diverse

Lo zigote deve andare incontro a un processo di SEGMENTAZIONE

Serie di divisioni mitotiche dello zigote in cui l’enorme volume del citoplasma dell’uovo viene a suddividersi in numerose

cellule nucleate più piccole blastomeri

⇾

La segmentazione dà inizio alla formazione di un individuo pluricellulare

La segmentazione dipende dal tipo di uovo

Il tuorlo serve a fornire i nutrimenti necessari all’embrione

In una cellula uovo con poco tuorlo (oligolecitica), la segmentazione avviene in tutto lo zigote

Uova mesolecitiche hanno una media quantità di tuorlo, il quale si trova maggiormente concentrato nella porzione

vegetativa, il tuorlo non viene segmentato perché serve solo come fonte di nutrimento

Uova telolecitiche hanno un’elevata quantità di tuorlo, la segmentazione avviene solo al polo animale (parte che formerà

embrione), mentre il polo vegetativo (tuorlo, materiale di nutrimento) rimane indiviso

L’obiettivo della segmentazione è quello di portare l’uovo a uno stadio pluricellulare

Morula è lo stadio in cui lo zigote si è diviso in 16/32 cellule

Al termine della segmentazione, l’embrione risulta formato da uno o più strati di cellule al cui

interno si trova un’ampia cavità (blastocele) la sferula cava prende il nome di blastula

⇾

La segmentazione segue uno schema preciso Il primo e il secondo taglio sono verticali

il terzo equatoriale

La segmentazione ha il compito di dividere i determinanti

citoplasmatici nelle diverse popolazioni cellulari che

formeranno l’embrione per dare origine alla diversità

⇾

cellulare

Allo stadio di blastula, si deve formare un buco (è una sfera cava), il passaggio successivo è la gastrulazione, le cellule si

devono spostare

I primi stadi di sviluppo dell’embrione sono determinati da fattori materni, mRNA e proteine sintetizzate e deposte

nell’uovo dalla madre

Quando inizia lo sviluppo, gli mRNA materni vengono tradotti e le proteine sintetizzate svolgono il loro compito di attivare

altri geni a cascata con una precisa regolazione spazio-temporale lungo gli assi corporei

Asse antero/posteriore e asse dorso/ventrale

Vengono determinati a seconda di dove vengono posti gli RNA materni

In Drosophila a seconda di dove sono posizionati i geni e come vengono accesi, determinano le varie parti dell’individuo

⇾

Un morfogeno è una sostanza la cui concentrazione varia in modo continuo ed è coinvolta nella formazione di un pattern

A seconda della sua concentrazione induce le cellule vicine ad accendere i geni

la porzione più vicina, riceve una concentrazione maggiore di morfogeno

Segnali chimici in grado di definire la struttura di un organismo già nella fase embrionale

in particolare, sono mRNA che vengono rilasciati dalle cellule uovo dopo che vengono fecondate

Essi riescono a diffondere per gradiente di concentrazione, spostandosi quindi da zone in cui si

trovano in elevata concentrazione a zone con minore concentrazione (ma non attraversano

tutto l’embrione)

La posizione di ciascuna cellula è definita dalla concentrazione di morfogeno

Il valore di posizione è interpretato

Proteine che mediante modificazioni della loro concentrazione locale o della loro attività, fanno

sì che il tessuto circostante assuma una particolare forma o struttura

RNA materno di bicoid è localizzato nella parte anteriore dell’embrione di Drosophila

dopo la fecondazione viene tradotto in proteina che si diffonde secondo gradiente con concentrazione maggiore nel polo

anteriore

è un esempio di morfogeno perché attiva geni diversi in base alla sua concentrazione lungo l’asse