Biologia dello sviluppo

Gametogenesi

La gametogenesi è un processo che porta alla formazione e al differenziamento dei gameti. I gameti, in tutti gli organismi, provengono da cellule precursori, indicate con la sigla PGC che sta per cellule germinali primordiali. Le PGC, sensibili a colorazioni come quella a base di fosfatasi acida, migrano con movimento ameboide verso le creste genitali dove si legano alle cellule creando legami con la fibronectina, nell’area di formazione delle gonadi. Le PGC che migrano nell’area di differenziamento delle gonadi vengono chiamate goni (ovogoni, spermatogoni). Durante il differenziamento delle gonadi, i goni si dividono numerose volte, moltiplicandosi per mitosi e vanno tendenzialmente incontro a meiosi in un secondo momento.

Spermatogenesi

La spermatogenesi è il processo di formazione dei gameti maschili e avviene nelle gonadi maschili, i testicoli. Esistono due tipi differenti di organizzazione testicolare che differiscono negli individui che si moltiplicano stagionalmente e quelli che si moltiplicano ciclicamente. Osservando infatti una sezione istologica dei testicoli di un individuo che si riproduce stagionalmente, si osserveranno tutti i tubuli seminiferi con spermatozoi tutti maturi o vuoti. In un individuo che si riproduce ciclicamente invece troveremo sezioni di tubuli seminiferi in cui si possono osservare spermatozoi a differenti livelli di maturazione. Tuttavia, il meccanismo di produzione dei gameti è lo stesso per tutte le specie.

L’apparato genitale maschile è formato da gonadi circondate da una capsula fibrosa che, al proprio interno, contengono tubuli seminiferi. I tubuli seminiferi, in cui avviene la spermatogenesi, sono provvisti di una membrana basale, di ghiandole endocrine chiamate cellule di Leyding, le quali producono testosterone, da cellule della linea germinale e da cellule del Sertoli. Le cellule del Sertoli sono cellule molto grandi, dotate di prolungamento, che oltre ad avere una funzione di sostegno possiedono recettori capaci di trattenere il testosterone affinché agisca sul differenziamento delle cellule. Una volta prodotto ed eiaculato lo spermatozoo non sarà ancora maturo in quanto la maturazione si completa nelle vie genitali femminili, dove si svolge la capacitazione. In particolare, gli spermatozoi non sono maturi perché i recettori che riconoscono le membrane della cellula uovo, sono ancora mascherati da glicoproteine e vengono scoperti solo dopo la capacitazione, che rende lo spermatozoo capace di fecondare la cellula uovo.

Gli spermatogoni si dividono per mitosi durante la vita dell’individuo finché il livello di BMBSb si accresce, di solito durante la pubertà, nel circolo sanguigno, andando a influenzare gli spermatogoni che iniziano a dividersi per meiosi e non più per mitosi. In base alla posizione gli spermatogoni si dividono in A1, A2, A3 e A4. Questi ultimi possono andare incontro a diversi destini: possono andare incontro ad apoptosi, possono autorinnovarsi per mitosi o, quando il livello di BMBSb cresce, possono appunto differenziarsi in spermatogoni intermedi da cui si sviluppano spermatogoni di tipo B e poi, sempre per mitosi, si formano spermatociti primari. Il differenziamento fra spermatogonio e spermatocita primario è regolato dai livelli di GDNF (fattore neurotrofico derivato dalle cellule della glia).

Quando il processo si innesca gli spermatociti vanno incontro a meiosi uno, che permette la produzione di due spermatociti secondari, che a loro volta si dividono per meiosi due, portando alla formazione di quattro spermatidi, non ancora maturi, legati fra loro da ponti citoplasmatici che permettono alle cellule di rimanere attaccate le une alle altre e permettono la sincronia della maturazione di tutte le cellule. Inoltre, osservati al microscopio, fino allo stato di spermatidio le cellule avranno un nucleo molto chiaro a causa della cromatina altamente spiralizzata, che indica un’intensa attività trascrizionale.

I quattro spermatidi, non ancora maturi, vanno incontro a spermiogenesi, che consiste nella produzione degli spermatozoi. Il processo può essere suddiviso in diverse fasi, durante le quali gli apparati del Golgi si spostano sulla parte sommitale della cellula e secernono vescicole preacrosomiali. Queste vescicole, fondendosi, daranno origine a un’unica vescicola, l’acrosoma, un grosso lisosoma ricco di enzimi litici che vengono rilasciati per sciogliere le membrane della cellula uovo e permettere così la fecondazione. La vescicola acrosomiale si sposta sulla sommità della cellula, al di sopra del nucleo. Successivamente nel nucleo avviene una sostituzione degli istoni per mezzo della protammina che provoca una forte compattazione della cromatina. La cromatina cristallizza e l’attività trascrizionale del nucleo viene così fermata. A mano a mano si forma il flagello per mezzo della modificazione dei centrioli. Il centriolo prossimale rimane invariato al posto di quello distale che, invece, si allunga, formando un flagello con organizzazione tipica microtubulare, 9 coppie + 2 con dineina. Infine il citoplasma viene quasi del tutto eliminato e vengono invece mantenuti i mitocondri. Le fasi possono essere indicate con i nomi di fase del Golgi, fase del cappuccio, fase dell’acrosoma e fase di maturazione.

Lo spermatozoo sarà quindi formato da una testa, un collo e una coda. La testa può essere arrotondata, piatta, allungata e spesso la morfologia della testa, insieme alla lunghezza della coda sono molto variabili e permettono di distinguere specie diverse, seppur nello stesso eiaculato si trovano spesso spermatozoi con teste di diverso tipo a causa di anomalie morfologiche. Al tempo stesso possono esserci spermatozoi anomali con un numero diverso di cromosomi. La coda è divisa in una porzione principale, una intermedia e una terminale. Gli spermatozoi perlopiù hanno un solo flagello e vengono chiamati nemaspermi. In rari casi possono essere biflagellati, come nei turbellari, o aflagellati o anemaspermi, come nei crostacei cladoceri.

Ovogenesi

Le cellule germinali primordiali rappresentano i precursori dei gameti perché durante le prime fasi dello sviluppo embrionale un gruppo di cellule, che prende origine in sedi differenti in base ai diversi organismi che prendiamo in considerazione, si stacca dalla zona in cui si trova, migra nella zona di differenziazione delle gonadi e dà origine ai goni, una volta all’interno della gonade. Nel caso degli individui di sesso femminile abbiamo una distinzione in base al tipo di riproduzione, gli individui che svolgono riproduzione stagionale nel periodo di calore avranno follicoli maturi, in altri periodi che non comportano l’accoppiamento troveremo solo fasi immature. Negli altri casi, in quelli di accoppiamento ciclico, osserveremo fasi diverse di maturazione dei follicoli.

Le PGC arrivano all’interno della gonade che si sta differenziando e prendono il nome di ovogoni, che dividendosi per mitosi daranno origine a tante cellule diploidi che rimarranno silenti finché non verrà innescato il processo di differenziamento. L’ovogenesi presenta una differenza rispetto alla spermatogenesi. Durante la spermatogenesi, il differenziamento del gamete maschile avviene alla fine della meiosi. Nel caso dell’ovogenesi, all’inizio della meiosi, in profase I, l’ovocita primario inizia ad aumentare di volume, ad accumulare RNA messaggero, proteine, lipidi, tuorlo, a raccogliere tutti quei fattori e organuli necessari nelle prime fasi dello sviluppo. Non appena l’ovocita raggiunge forma, caratteristiche e dimensioni tipiche della sua specie procede verso la fine della meiosi. Quindi il gamete femminile si differenzia all’inizio della meiosi in quanto durante l’ovulazione, durante la quale l’ovocita viene preparato per andare incontro alla fecondazione, la cellula uovo può non aver completato la meiosi. Il processo meiotico si blocca in diverse fasi, che variano al variare della specie. In alcune specie l’ovocita, all’inizio della fecondazione, si trova all’inizio della profase I, in altre all’inizio della meiosi II, in altre ancora la meiosi viene già completata all’inizio della fecondazione. Nella donna, alla nascita, gli ovociti sono bloccati in metafase II. Con il raggiungimento della maturità si ha la maturazione del follicolo ogni 28 giorni, l’ovocita che viene perso si trova nella metafase II e solo andando incontro a fecondazione viene completata la meiosi da parte dell’ovocita.

Nel momento in cui lo spermatozoo viene eiaculato è già differenziato e maturo, tranne per la capacitazione, mentre la cellula uovo può anche non aver ancora completato la propria maturazione. La cellula che inizia la meiosi si chiama ovocita primario. Durante il processo di meiosi nell’ovocita primario il fuso mitotico si sposta verso un polo della cellula, in modo tale che dopo la meiosi I si formi una cellula molto voluminosa, l’ovocita secondario, e una piccola cellula chiamata globulo polare che rimarrà vicino all’ovocita e non sarà mai fecondata. Negli insetti il globulo polare apporta nutrimento all’ovocita, da noi non hanno nessun valore. A volte i globuli polari vengono utilizzati per verificare l’esistenza di eventuali mutazioni genetiche, in quanto hanno lo stesso patrimonio genetico delle cellule uovo, se il genitore ha patologie riconosciute. L’ovocita primario si divide per meiosi dando un polocita e un ovocita secondario. Queste due cellule si dividono per meiosi II e dall’ovocita secondario si genera un polocita e la cellula uovo. Otterremo alla fine una cellula uovo che sarà fecondata e tre globuli polari che non saranno mai soggetti a fecondazione e potranno essere riassorbiti, andare incontro a degenerazione, ecc. Abbiamo quindi divisioni meiotiche di tipo asimmetrico.

La cellula uovo può accumulare al suo interno del vitello, o tuorlo, che non è altro che un insieme di macromolecole che si accumula all’interno del citoplasma della cellula, in quantità differenti, in base al quale classifichiamo le uova. Il tuorlo può essere prodotto per autosintesi a partire dalla stessa cellula uovo che, utilizzando i propri organuli, inizia a sintetizzare le grosse macromolecole accumulandole all’interno, come avviene per esempio negli insetti. L’autosintesi viene svolta, ad esempio, dai policheti. In altri casi la sintesi delle macromolecole avviene al di fuori della cellula uovo e raggiunge la cellula mediante il circolo ematico, come nel caso delle rane. Le rane, durante il processo di ovogenesi, producono vitellogenina che entra in circolo, raggiunge la gonade e viene incorporata mediante fagocitosi all’interno degli ovociti in via di differenziamento, per cui il tuorlo viene formato per eterosintesi. Verrà accumulato all’interno della cellula e fungerà come nutrimento durante le fasi di sviluppo dell’embrione. In base alle quantità del tuorlo si avrà un diverso periodo di sviluppo embrionale. Nel caso, per esempio, dei ricci di mare o delle rane, l’embrione si trova fuori dal tuorlo a causa della scarsa quantità, un pulcino ci mette una ventina di giorni a uscire.

Negli anfibi in particolare il tuorlo si trova sotto forma di placche vitelline e non di massa compatta, seppur abbondante, con piccole ali di citoplasma a circondarle. Questo prevede che la segmentazione negli anfibi non sia meroblastica, come in tutte le uova che possiedono il tuorlo, ma oloblastica e riguarda tutta la cellula in quanto fra le placche di tuorlo c’è del citoplasma attivo. È più lenta di solito e molto particolare in quanto il piano di divisione che taglia il fuso mitotico, inizia rapidamente e quando arriva a metà dell’uovo, dove ci sono le placchette, rallenta, tanto che prima che si completi la prima segmentazione, inizia già la seconda. Il tuorlo si può trovare sotto forma di granulazioni, cristalli, e in base alla quantità e la distribuzione classifichiamo quattro tipi di cellule uovo:

• Oligolecitiche: cellule uovo con poco tuorlo (ricci di mare)
• Mesolecitiche: cellule uovo con quantità di tuorlo moderata (anfibi)
• Telolecitiche e centrolecitiche: ricche di tuorlo, nei (pesci, rettili, uccelli e telolecitiche mammiferi come l’echidna o l’ornitorinco) abbiamo l’unica parte del citoplasma attivo spostato su un polo della cellula mentre nel caso delle (tutti gli artropodi) centrolecitiche abbiamo il nucleo al centro e il tuorlo distribuito uniformemente tutto attorno.

L’uomo ha una sorta di uovo oligolecitico anche se in alcuni casi viene considerato alecitico. Una delle particolarità avviene durante il processo di accrescimento nella meiosi I dove, oltre ad accumulare le sostanze di riserva, la cellula accumula molti mRNA, utili e necessari per le prime fasi dello sviluppo. Questo avviene perché il nucleo è cristallizzato (riprende solitamente la sua attività solo a gastrulazione avanzata) nelle prime fasi dello sviluppo e viene quindi sfruttato tutto il materiale accumulato nella cellula uovo. Le cellule uovo sono fortemente polarizzate e distinguiamo un polo animale, quella parte di citoplasma attivo dov’è localizzato il nucleo, e un polo vitellino o vegetativo, il polo opposto, ricco solitamente di sostanze di riserva. Al di sotto della membrana plasmatica troviamo una porzione di citoplasma con citoscheletro molto ricco e poco citoplasma attivo, molto compatto, chiamato cortex ovulare, e abbiamo poi tutto il resto del citoplasma, molto più fluido, chiamato endoplasma.

Nella zona corticale delle cellule uovo, oltre al citoscheletro, sono presenti strutture chiamate granuli corticali di origine Golgiana, le quali si sviluppano durante il differenziamento. Vengono prodotte tante vescicole che vanno a sistemarsi al di sotto della membrana plasmatica, circondando la cellula per intero. Questi granuli vengono utilizzati non appena avviene la fecondazione in seguito a una depolarizzazione di membrana, che evita l’ingresso di altri spermatozoi dato che le uova sono monospermiche (polispermiche per gli uccelli ma solo uno spermatozoo feconda, gli altri vengono utilizzati come sostanze di riserva dopo essere stati demoliti). La polarità viene subito ripresa e per evitare che altri spermatozoi vengano riconosciuti viene liberato il contenuto dei granuli, composto da lisosomi, che vanno a demolire le glicoproteine di membrana in modo tale che il recettore dello spermatozoo perda la parte glucidica, tagliando i residui saccaridici, così che il legame fra cellula uovo e spermatozoo non si traduca.

La cellula uovo della donna è ferma in metafase II quando viene a contatto con lo spermatozoo, la meiosi viene completata già prima del contatto con lo spermatozoo soltanto dai ricci di mare e dagli cnidari. Le cellule nutrici derivano dal citoplasma germinale e sono cellule che hanno la stessa origine della cellula uovo, sono ovogoni che cambiano il loro destino, non diventeranno infatti cellule uovo e forniranno nutrimento alle cellule uovo che si differenziano, mediante ponti citoplasmatici. Si trovano solo negli invertebrati. Le cellule follicolari sono invece cellule che non hanno origine germinale ma si trovano nel follicolo, dove si sta differenziando l’ovocita. Hanno origine somatica e proteggono l’ovocita durante il differenziamento. Sono molto più diffuse di quelle nutrici. In alcuni casi, come nel nostro, hanno una funzione ormonale durante una piccola parte dello sviluppo, durante la follicologenesi sono esse stesse a guidare la maturazione. Si trovano negli invertebrati e nei vertebrati.

Gli involucri ovulari sono delle protezioni, normalmente acellularizzate, di natura proteica o succosa, che rivestono le cellule uovo. Tutte le cellule uovo hanno un involucro denominato vitellino che sarebbe il glicocalice, l’insieme della componente saccaridica che sporge dalla membrana plasmatica, della cellula uovo. Si chiama così in tutte le uova tranne nei mammiferi euteri, dove prende il nome di zona pellucida, a causa della denominazione delle glicoproteine di cui sono formate, indicate con ZP1, ZP2, ZP3 e ZP4. Altri involucri che possiamo trovare sono il corion negli insetti, cumulo ooforo e corona radiata nei mammiferi euteri, unico esempio di involucro cellularizzato, che si formano tutti dentro l’ovaio. Ci sono poi altri involucri che si aggiungono come lo strato gelatinoso negli anfibi, l’albume, che è un involucro polare, le membrane testacee e il guscio.

Il corion degli insetti ha sculture molto particolari a mosaico, le impronte delle cellule nutrici e follicolari che durante la formazione della cellula uovo sono fortemente addossate alla cellula. Il corion è molto morbido per cui rimane l’impronta di queste cellule e man mano che scende si stratifica e si indurisce. Ci sono poi canali che servono allo spermatozoo per entrare all’interno di un uovo dell’insetto estremamente coraceo e sclerificato. Gli spermatozoi entrano all’interno del canale, vengono a contatto con l’involucro vitellino e il primo che viene riconosciuto va a fecondare l’uovo. Le calaze servono a tenere sospeso il tuorlo all’interno dell’albume, negli uccelli.

Fecondazione

La fecondazione è il primo processo dello sviluppo embrionale e può avvenire in due modi differenti. Distinguiamo infatti una fecondazione esterna da una fecondazione interna. Il processo è caratterizzato dal fatto che lo spermatozoo debba riconoscere la cellula uovo di un organismo appartenente alla stessa specie. Gli organismi che hanno fecondazione esterna presentano una ricerca delle cellule uovo da parte degli spermatozoi che in alcuni casi è stata risolta, come nel caso degli anfibi in cui la rana maschio rilascia gli spermatozoi direttamente sulla femmina, una volta rilasciate le cellule uovo. Per risolvere il problema è stato evoluto un meccanismo di chemiotassi. Le cellule uovo, come quelle dei ricci di mare, sono in grado di emettere una serie di peptidi nell’ambiente circostante, avente un’attività...