Biologia dello sviluppo

Biologia dello sviluppo

Lo sviluppo è un processo relativamente lento di cambiamento progressivo, che ha luogo negli organismi multicellulari. A volte gli organismi unicellulari si organizzano tra loro come componenti di un organismo multicellulare, in modo tale da comportarsi come un unico organismo in via di sviluppo. Alcune muffe si organizzano a formare un unico corpo complesso, seppur formato da singoli organismi unicellulari, mimando ciò che accade negli organismi multicellulari.

Lo zigote e l'embriologia

Lo zigote è una singola cellula, l’uovo fecondato, che si divide mitoticamente per produrre tutte le cellule dell’organismo. Rappresenta il punto di inizio dello sviluppo. L’embriologia è lo studio dello sviluppo animale dallo zigote alla nascita (rappresentata dal parto o dalla schiusa dell’uovo). Generalmente lo sviluppo continua anche dopo la nascita. Esistono alcuni organismi, ad esempio i pesci, che appena nascono sono già in grado di alimentarsi e vivere autonomamente; tuttavia, ne esistono altri, ad esempio i marsupiali, nei quali alla nascita l’embriogenesi è completa, ma lo sviluppo no (per questo il piccolo viene inserito nella tasca ventrale).

Nel caso dell’uomo, successivamente alla nascita prosegue lo sviluppo, soprattutto quello del sistema nervoso e degli organi sessuali (affinché i nostri gameti siano pronti per un nuovo ciclo di riproduzione è necessario aspettare l’età post-puberale).

I tipi cellulari formati nell'embrione

Lo zigote va incontro a segmentazione, processo di moltiplicazione cellulare che forma la blastula; ad essa segue la gastrulazione (formazione tubo digerente, bocca e ano), processo in cui vari gruppi di cellule si riassegnano tra loro a formare i foglietti germinativi: ectoderma, mesoderma ed endoderma; tali foglietti sono gruppi di cellule in fase di sviluppo. L’ectoderma è lo strato più esterno, l’endoderma è lo strato più interno e il mesoderma quello intermedio.

• Le cellule dell’ectoderma daranno origine alle cellule della pelle, costituite da epidermide; al sistema nervoso, che si forma per un processo definito neurulazione; alle cellule della cresta neurale, che danno origine a differenti tipi cellulari (gangli, ghiandole, melanociti).
• L’endoderma dà origine al tubo digerente, alla faringe e al tubo respiratorio.
• Dal mesoderma originano la notocorda, le cellule dei tubuli renali, le cellule del muscolo scheletrico, le cellule dei muscoli facciali, i globuli rossi.
• Le cellule germinali derivano, precocemente, dalla gastrula e non sono altro che le cellule che daranno origine ai nostri gameti, ovvero gli spermatozoi e le cellule uovo. Va sottolineato che nell’embriogenesi le cellule germinali sono messe da parte davvero precocemente.

Problemi della biologia dello sviluppo

Dal punto di vista evolutivo siamo dei “contenitori” di geni. I problemi della biologia dello sviluppo sono sei:

• Differenziamento (processo di diversificazione delle cellule).
• Morfogenesi (processo di diversificazione degli organi).
• Crescita (moltiplicazione delle cellule che porta da un embrione ad un organismo adulto).
• Riproduzione.
• Evoluzione (tale processo avviene grazie a mutazioni casuali, le quali sono tollerabili solo se consentono all’embrione di svilupparsi).
• Integrazione ambientale.

Approcci allo studio della biologia dello sviluppo

Tre approcci sono stati utilizzati nel corso dei secoli per studiare tali problemi:

• Anatomico.
• Sperimentale.
• Genetico.

I biologi dello sviluppo si sono sviluppati quando hanno potuto osservare i fenomeni dello sviluppo, con la nascita del microscopio all’inizio del seicento. Uno tra i primi studi al microscopio fu quello del 1672 sull’embrione di pollo, effettuato da Malpighi (che disegnava su carta ciò che osservava in quanto ancora non vi era la fotografia). Egli iniettò un colorante cellulare nel preparato per studiare i vasi sanguigni che nutrono l’embrione. Notò che in un embrione di uccello si sviluppano da subito un piccolo cuore e dei vasi sanguigni, necessari per scambiare nutrienti con il tuorlo. Nel 1908, Lillie studiò gli embrioni ma con immagini ricavate con camera lucida.

Per convenzione, tre colori definiscono i tre foglietti embrionali: blu (ectoderma), rosso (mesoderma) e giallo (endoderma).

Concetti teorici: Epigenesi e preformismo

Storicamente due sono i concetti teorici alla base dello sviluppo embrionale: Epigenesi e Preformismo. Aristotele coniò il termine di epigenesi, il quale significa: crescita a partire da, al di sopra di. Fu elaborato il concetto di epigenesi successivamente da Wolff nel 1767: le parti anatomiche dell’embrione derivano da strutture che non hanno controparti nell’individuo adulto (es. intestino); Aristotele definì questa forza trainante come la vis essentialis, dal momento che non era ancora noto il DNA. Kant e Bluemenbach tradussero tale forza essenziale in Bildungstrieb.

Il preformismo (in francese emboitment) fu un concetto portato avanti da Malpighi, von Haller e Bonnet. Sostenevano che l’embrione fosse in realtà un adulto in miniatura contenuto nelle cellule germinali; secondo tale teoria, un piccolo uomo già si trovava all’interno dei gameti. È stato chiaramente sviluppato successivamente che l’epigenesi è la forza trainante dello sviluppo.

Induzione e contributi alla biologia dello sviluppo

Anche se programmati per avere destini differenti, i tre foglietti germinali si influenzano collettivamente l’un l’altro, finché ciascuno non abbia raggiunto un appropriato livello di sviluppo. Questo tipo di influenza tra i foglietti è stata definita da Pander induzione (ad esempio, il mesoderma induce l’ectoderma di superficie a dare origine al sistema nervoso). Alcuni foglietti germinativi si influenzano nei punti di contatto tra loro, ma vi sono anche foglietti che rilasciano delle molecole segnale e sono in grado di comunicare a distanza. Pochi anni fa sono stati scoperti gli esosomi, piccole vescicole rilasciate dalle cellule, che si fondono con la membrana delle cellule adiacenti e rilasciano componenti di varia natura.

Karl Ernst von Baer diede un grande contributo alla biologia dello sviluppo delineando 4 leggi (definite appunto le 4 leggi di von Baer):

1. “Le caratteristiche generali di un vasto gruppo di animali appaiono prima nello sviluppo delle particolarità specializzate di un gruppo più piccolo” (se i mammiferi devono avere 1 testa, 4 arti, 1 coda, ciò appare precocemente negli embrioni; mentre ciò che differenzia le varie categorie di mammiferi tra loro avviene in fasi più avanzate dello sviluppo).
2. “Caratteri meno generali si sviluppano a partire da quelli più generali, finché all’ultimo momento appaiono le caratteristiche più specializzate”. (esempio primati: l’embrione di una scimmia antropomorfa e di un uomo sono identici se non per leggere differenze a livello del cranio. I peli che coprono il corpo, la dentatura tipica delle antropomorfe ecc. sono le ultime cose a svilupparsi).
3. “Gli embrioni di specie diverse, anziché passare attraverso gli stadi adulti delle specie inferiori, si differenziano fra loro sempre di più” (l’embrione dell’uomo non è MAI pesce).
4. “Quindi, l’embrione iniziale di un animale superiore non è mai simile ad un animale inferiore, ma simile al suo embrione”. (va ricordato che non esiste il concetto di animale superiore. I vertebrati hanno un embriogenesi costante durante le fasi dello sviluppo).

Le mappe presuntive

Nell’uomo non vi è tuorlo nell’embrione perché vi è una fecondazione interna e l’embrione può usufruire dei nutrienti della madre.

Esempio di zebra

ESEMPIO. Si riconoscono quattro specie di zebra: zebra imperiale, zebra di montagna, zebra comune e il quagga (ormai estinto). Le zebre sono animali bianchi a strisce nere (la pelle chiara viene ricoperta da pigmentazione di colore nero). Non è il colore a diversificare l’esistenza delle quattro specie, ma la distribuzione delle strisce. Il quagga nella regione posteriore non presenta strisce. La zebra comune e la zebra di montagna presentano strisce più rade rispetto a quella imperiale.

Analisi dell'embrione

Vi sono due approcci per l’analisi di un embrione:

• Valutarlo nell’insieme (al microscopio).
• Sezionare l’embrione (classico approccio della biologia dello sviluppo. Per sezionarlo bisogna prima fissare il contenuto in paraffina o in sostanze resinose, le quali si solidificano con la temperatura; lo strumento con il quale si seziona l’embrione è il microtono).

Uno strumento che i biologi dello sviluppo hanno messo a disposizione per riassumere il destino delle cellule embrionali nel corso dello sviluppo è la mappa presuntiva (della gastrula precoce); si tratta di un disegno schematico dell’embrione precoce in cui le varie porzioni sono colorate con colorazioni differenti (blu, rosso e giallo) a seconda del foglietto embrionale a cui daranno origine. Le mappe presuntive variano tra i differenti vertebrati.

Nell’embrione è possibile distinguere un polo anteriore, dal quale si formerà la testa, ed un polo posteriore, dal quale si formerà la coda. In uno zigote riconosciamo due poli che non corrispondono ancora a quello anteriore e posteriore. All’inizio dello sviluppo i due poli vengono definiti in maniera differente:

• Polo animale: regione della blastula precoce in cui le divisioni cellulari iniziano precocemente.
• Polo vegetativo: regione della blastula precoce che, a causa del grande contenuto di materiale accumulato durante l’oogenesi, subisce divisioni più lente.

Quando la gastrulazione inizia a definirsi, si distingueranno un polo anteriore ed un polo posteriore. La prima mappa presuntiva è stata fatta su un tunicato, la Styela partita. Lo studente Conklin fu il primo a descrivere una mappa presuntiva. Tale tunicato presentava le prime cellule embrionali caratterizzate da una pigmentazione gialla; queste cellule mantenevano una colorazione giallastra durante lo sviluppo embrionale. Conklin decise di lasciare sviluppare molti embrioni e valutare la colorazione delle varie cellule embrionali; si accorse che il giallo più intenso era contenuto in alcune cellule dell’embrione precoce che si differenziavano in determinati foglietti embrionali per poi, nel tempo, dare origine ad altre cellule, ancora pigmentate di giallo. Conklin sviluppò così una descrizione molto dettagliata del destino di ciascuna cellula.

Venticinque anni dopo, nel 1929, Vogt costruì una mappa presuntiva su un animale non pigmentato. Prese dei dischetti di agar e li mise a contatto con due soluzioni colorate (una viola scuro e una viola chiaro) per poi porli su un embrione di rana (Xaenopus laevis). Vogt prese un embrione precoce e ci posizionò 11 dischetti di agar con colorazioni alternate, viola chiaro e viola scuro, e seguì l’embrione nello sviluppo. Dopo aver applicato i dischetti aspettò che il colorante si diffondesse sulla superficie dell’embrione per poi toglierli. Lo strato esterno dell’embrione ruota ed entra all’interno dell’embrione stesso tramite il blastoporo per formare gli organi interni. Man mano che l’esterno dell’embrione ruota il numero di placche colorate su di esso diminuisce, fino a che tutte le macchie sono entrate dentro l’embrione. Il colorante, rimasto all’interno delle prime cellule distribuite nell’embrione, si suddivide all’interno delle cellule figlie ogni volta che avviene una divisione cellulare a carico delle prime cellule marcate o di cellule generate da esse. Vogt fu così in grado di seguire lo sviluppo delle varie cellule nel tempo.

Il limite fondamentale di tale tecnica è che il colore si diluisce nel tempo: a lungo andare nelle fasi successive dello sviluppo non si potrà seguire la marcatura. L’accoppiamento della rana avviene esternamente, quando essa ha raggiunto – grazie a temperatura e luce solare – la maturità sessuale, è pronta alla fecondazione. Il maschio si posiziona dietro la femmina e rilascia spermi contemporaneamente all’ovulazione, ovvero al rilascio degli oociti. Una volta che ciò è avvenuto il ricercatore prende l’ovulo fecondato e lo osserva in una piastra.

Nel 1966, Rosenquist inventò un tracciante naturale, differente dai dischetti colorati di agar utilizzati in precedenza da Vogt, per seguire lo sviluppo delle cellule nel corso del tempo. Si tratta di un tracciante fluorescente verde, che iniettò sulle cellule della superficie dell’embrione per poi seguire il suo andamento nelle cellule figlie. La fluorescenza presenta una maggiore capacità di visualizzazione rispetto all’agar ma può essere utilizzata solo su determinati tipi di embrione, come gli embrioni di pesce che restano trasparenti durante l’embriogenesi. Rosenquist creò così delle mappe presuntive.

La mappa presuntiva più sofisticata si è ottenuta, mediante tracciante cellulare esogeno trapiantato (espianto-impianto), in uccelli e mammiferi nel 1969 da Le Douarin. Egli prese due embrioni, uno di quaglia ed uno di pollo, entrambi di 24 ore; i due embrioni hanno uno sviluppo molto simile, tuttavia la quaglia presenta un determinato tipo di pigmentazione ed il pollo un altro. Le Douarin prese un tassello della superficie dell’embrione di pollo e lo inserì nell’embrione di quaglia, successivamente alla rimozione di un tassello anche dalla superficie di quest’ultimo. Si tratta di un esperimento di trapianto, ovvero espianto-impianto. Non vi è rigetto perché le cellule del sistema immunitario ancora non sono arrivate al termine dello sviluppo. Tutto ciò è stato eseguito con lo scopo di distinguere le varie cellule e la loro natura, non solo il loro percorso. La quaglia ed il pollo hanno molecole leggermente differenti, grazie a tale differenza si possono studiare sonde che riconoscono in maniera specifica molecole di quaglia e molecole di pollo. Le nuove cellule, una volta espiantate e impiantate, si adattano al nuovo ambiente e seguono uno sviluppo coerente.

Migrazione cellulare

È possibile prelevare cellule delle creste neurali da un organismo a pigmentazione nera e inserirle in un organismo a pigmentazione bianca. Un pulcino di pigmentazione bianca con impiantate delle cellule delle creste neurali di un pulcino a pigmentazione nera, presenterà una macchia di colore scuro sul ventre. Le cellule delle creste neurali sono le cellule migratorie per eccellenza, in quanto da sopra il tubo neurale migrano per andare a colonizzare i differenti organi e differenziarsi, in questo caso, in melanociti. Tra le cellule migratorie si annoverano anche le cellule della linea germinale e le cellule precorritrici del sangue. Tutti presentiamo cellule migranti nel nostro corpo, anche a livello adulto (cellule precorritrici del sangue, ad esempio i linfociti). Gli pseudopodi delle cellule costituiti da microtubuli si allungano e consentono il movimento della cellula nonché la sua migrazione.

Embriologia evolutiva

“Comunità di strutture embrionali rivelano comunità di discendenza”

Quella sopra citata è una frase di Darwin del 1859. I due organismi in figura sono gli embrioni di due crostacei (il Tetraclita e il Penaeus). Se si osservano gli individui adulti che derivano da questi due embrioni simili, essi sono totalmente differenti.

Omologia e analogia

L’analogia è un concetto funzionale, utilizzato per descrivere componenti che esplicano funzioni simili ma che non necessariamente sono anatomicamente simili tra loro. Ad esempio, gli arti di uomo, foca, uccello e pipistrello sono simili dal punto di vista osseo, quindi sono strutture omologhe, ma tra queste solo quelle di uccello e di pipistrello sono analoghe. Lo stesso discorso può essere applicato a geni e proteine.

L'importanza della biologia dello sviluppo

Perché la biologia dello sviluppo è così importante? La biologia dello sviluppo è di grande rilievo perché studia malformazioni dello sviluppo, le quali colpiscono il 2% dei neonati, i quali nascono con malformazioni congenite. Alcune malformazioni sono molto gravi, patologiche.

Ad esempio, la mutazione del gene Kit è responsabile delle mutazioni delle cellule della cresta neurale, per cui alcuni melanociti non raggiungono la destinazione: si determinano macchie non colorate (ciò è osservabile sia nei topi che nell’uomo). Inoltre, la malformazione del gene Kit porta anche ad un non completo sviluppo, soprattutto a livello dell’apparato escretore.

Vi è una ASSOLUTA similitudine omologa e analoga del gene tra uomo e topo. Tra uomo e topo le similitudini di tipo omologo sono enormi (oltre il 96% del genoma uguale) e molte sono anche di tipo analogo. Per questo il topolino è utilizzato come modello di studio, soprattutto per le malattie monogeniche; nelle malattie multigeniche tale similitudine tra uomo e topo si attenua un pochino.

Un topolino si accoppia, dopo 20 giorni nascono cuccioli in numero variabile da 4-5 a 18, nell’ambito di una stessa cucciolata. I cuccioli non sono gemelli in quanto il topo è una specie in cui esiste l’ovulazione multipla. La sera stessa del parto la femmina può riaccoppiarsi. Il topolino raggiunge la maturità sessuale, ovvero è pronto per accoppiarsi, in 30 giorni. Si tratta quindi di un modello sperimentale vantaggioso.

Teratologia

L’assunzione di determinate sostanze in un individuo adulto può causare danni alla progenie; di ciò si occupa una branca della medicina, detta teratologia embrionale. La teratologia è una scienza che studia le alterazioni dello sviluppo causate da agenti esterni. Il talitomite è una sostanza utilizzata negli anni 60, la quale aveva effetti enormi sullo sviluppo. Il talitomite era suggerito alle donne in gravidanza per evitare la nausea nelle prime settimane di gestazione. Tuttavia, l’esposizione a tale farmaco è dannosa, e lo è tanto di più quanto più precoce è l’embrione. Causò gravissimi danni ai figli di madri che la assunsero durante la gravidanza.