Biologia dello Sviluppo Animale

Introduzione

Lo sviluppo è un continuo divenire, un insieme di cambiamenti progressivi. Da un individuo unicellulare avvengono cambiamenti che portano alla formazione di un organismo, il tutto in un continuo succedersi di fasi.

Embrione

Parliamo di embrione dal momento della fecondazione fino alla fine dell'organogenesi; il primo embrione è l'uovo fecondato. Gli organi si stanno ancora formando.

Feto

Il feto invece ha tutto miniaturizzato ma gli organi sono completi.

Zigote

Lo zigote è l'embrione unicellulare, si origina dall'unione dei gameti.

Differenziamento

Il differenziamento è il processo che porta cellule che teoricamente possono diventare qualsiasi cosa alle specializzazioni.

Ciclo vitale

Ogni animale ha un ciclo vitale che va dalla nascita a quando i gameti vengono rilasciati; si chiude col raggiungimento della maturità sessuale. Ci sono animali con ciclo vitale rapido, altri più lenti: per capire come si sviluppano gli animali di un phylum basta scegliere un animale modello.

Per gli invertebrati, l'animale modello è il riccio di mare per gli insetti, la Drosophila melanogaster, il nematode Caenhorabditis elegans è utile perché è composto da pochissime cellule. Nei vertebrati, gli organismi modello sono il pollo (Gallus domesticus), l'anfibio Xenopus laevis, il zebrafish (Danio rerio) e il topo (Mus musculus) per i mammiferi.

La gametogenesi

È la formazione dei gameti, cellule contenenti la metà del materiale genomico rispetto alle cellule somatiche; i gameti maturano nelle gonadi ma si formano altrove. È la meiosi che dimezza il materiale genomico. Ci sono enormi differenze tra gametogenesi femminile e maschile.

L'uovo

L'uovo è la cellula più grossa che si trova nell'organismo; il suo citoplasma è quello che verrà ereditato dall'embrione e deve essere sufficiente per essere distribuito a tutte le cellule durante la segmentazione. La gametogenesi femminile è un processo lungo e complesso che prende inizio a livello embrionale, quasi tutti i mammiferi ovulano un uovo che deve finire la seconda divisione meiotica.

L'uovo è composto da citoplasma formativo (organelli, proteine, materiale che serve al funzionamento base, DNA, RNA) e nutrimenti. L'uovo può essere deposto in ambiente subaereo: uccelli e rettili depongono uova chiuse da gusci attraverso cui possono passare gas ma non nutrienti. Di solito puntano su poche uova piene di materiale di riserva, quindi bisogna metterle al sicuro o curarle.

Gli anfibi invece depongono centinaia di uova in ambiente acquatico e le lasciano a loro stesse, a ciascun uovo danno una certa quantità di materiale di riserva ma non tantissimo. L'ovaio ha un sacco di cellule nutrici che trasferiscono materiale nutritizio alla cellula uovo. Dall'oogone primordiale si assiste in un primo momento alla duplicazione, poi a una serie di divisioni del materiale genetico. Arriviamo a una sola cellula uovo, le altre celluline prodotte si formano come scarti, senza citoplasma e vengono scartate: prendono il nome di globuli polari.

La meiosi prevede strategie per arrivare a un corredo aploide e poi per aumentare la variabilità genetica. La membrana plasmatica dell'uovo, l'oolemma, è dotata di una membrana basale molto spessa e di una membrana vitellina, prodotta con l'aiuto delle cellule nutrici: è la membrana vitellina che avrà un ruolo importante durante la fecondazione. Il citoplasma formativo può avere metabolismo proprio, è capace di sintesi e di ottenere energia. Il vitello è solo una riserva di nutrienti che contiene tutto ciò che serve a un embrione incapace di procacciarsi i nutrienti. I mammiferi sono gli unici che non accumulano vitello perché per i nutrimenti sfruttano la madre.

La classificazione delle uova

La massa di vitello è inerte, dunque se è tanto non posso distribuirlo omogeneamente perché impedirebbe all'uovo di svolgere le funzioni metaboliche. Prima di tutto, classifichiamo le uova in base alla quantità di vitello:

• Uova alecitiche: senza vitello, sono comunque molto grandi, 120 µm. Tutto il contenuto è citoplasma formativo, solo le uova di mammifero sono così.
• Uova oligolecitiche: hanno poco vitello, possono distribuirlo omogeneamente. Non hanno polarità.
• Uova mesolecitiche: accumulano discreta quantità di vitello, ma passano a una fase in cui l'embrione saprà nutrirsi da solo. Raggiungono dimensioni di qualche mm; sono le uova di anfibi e pesci.
• Uova macrolecitiche: hanno enorme quantità di vitello, arrivano a misurare diversi cm. Sono le uova di uccelli e rettili.

La seconda classificazione è in base alla distribuzione del materiale di riserva:

• Uova isolecitiche: si trova raramente in uova che hanno poco vitello, è una distribuzione omogenea. Uova di riccio di mare e di anfiosso.
• Uova eterolecitiche (a gradiente): il polo animale accumula citoplasma formativo, andando verso il polo vegetativo la quantità di citoplasma formativo diminuisce e sarà occupato da vitello. Gli anfibi hanno uova mesolecitiche eterolecitiche.
• Uova telolecitiche: il citoplasma formativo forma una piccola goccia separata, hanno polarità marcata, il vitello forma una massa grossa ed inerte tutta ad una estremità. I pesci hanno uova mesolecitiche con distribuzione eterolecitica.
• Uova centrolecitiche: il vitello viene accumulato in un gocciolone centrale, il citoplasma formativo se ne sta in periferia. Queste uova sono polari ancora prima della fecondazione, il citoplasma formativo è distribuito in modo tale che da un lato verrà prodotta la coda e dall'altro la testa. Le uova di insetto sono macrolecitiche centrolecitiche.

Gli involucri esterni

A seconda del tipo di sviluppo che seguirà l'embrione o del tipo di fecondazione, attorno all'uovo possono essere aggiunti involucro esterni, che vengono prodotti negli ovidutti. Possono essere masse gelatinose che trattengono tutte le uova insieme, funzionale per la deposizione in ambiente acquatico, infatti possono anche contenere alghe simbionti; invece gli ovidutti degli uccelli sono particolarmente lunghi e con regioni specializzate: nella zona più vicina all'ovario avviene la fecondazione, scendendo si formano membrane esterne e il guscio calcareo. Le membrane hanno grossa rilevanza per far sopravvivere l'embrione.

Lo spermatozoo

È completamente diverso; il testicolo è progettato per produrre un sacco di spermatozoi piccoli e il più veloci possibile. Hanno autonomia di vita ridotta perché mancano di quasi tutti gli organelli canonici, sono costituiti da una testa, in cui è contenuto il corredo cromosomico aploide, la vescicola acrosomica, che è un derivato del Golgi; la coda invece è fatta dal flagello, contiene mitocondri che danno energia per il movimento. La forma dello spermatozoo è estremamente variabile.

Il suo scopo è di raggiungere l'uovo, superare la membrana vitellina e permettere la fusione delle membrane plasmatiche per consentire l'entrata del pronucleo.

La fecondazione

La programmazione di uovo e spermatozoi è mirata anche al riconoscimento dei gameti della stessa specie, è necessario soprattutto se la fecondazione è esterna. Appena lo spermatozoo riesce ad aprirsi un varco nella membrana plasmatica innesca la reazione corticale, che evita la polispermia.

Modello del riccio di mare

L'ambiente è acquatico, il riconoscimento avviene in due fasi.

• Membrana gelatinosa: a livello della membrana gelatinosa, siccome la vescicola acrosomale dello spermatozoo è interna, bisogna attivare lo spermatozoo. Nella massa gelatinosa dell'uovo viene accumulato fucosio solforato, una molecola specifica della specie, echinodermi di specie diversa accumuleranno un diverso tipo di fucosio solforato. Lo spermatozoo sulla membrana esterna ha dei recettori specifici per il fucosio solforato, dopo il riconoscimento lo spermatozoo espone la membrana acrosomiale verso l'esterno.
• Membrana vitellina: a livello della membrana vitellina. Qui si trova il recettore per la molecola bindina, lo spermatozoo deve rilasciarla.

Dopo i riconoscimenti, la membrana dello spermatozoo si fonde con quella della cellula uovo.

Subito dopo la fecondazione, avviene la reazione corticale per evitare la polispermia. Con la fecondazione cambia il potenziale d'azione della membrana a causa di un'ondata di ioni calcio; in questo modo viene promosso il rilascio di granuli corticali dal cortex, ovvero la regione di citoplasma subito sotto la membrana plasmatica. I granuli corticali si interpongono fisicamente tra membrana vitellina e membrana plasmatica. È resa inefficace la reazione corticale di qualsiasi altro spermatozoo che arriva.

Modello del mammifero

Il comportamento legato alla specie porta a riconoscersi a vicenda, evitando l'accoppiamento con specie diverse. La fecondazione nei mammiferi avviene nella ampolla delle tube uterine della femmina. Con l'ovulazione la cellula uovo viene rilasciata dall'ovario insieme alle cellule follicolari, chiamate cellule del cumulo ooforo.

• Zona pellucida: lo spermatozoo si lega alla zona pellucida, una zona spessa e densa in cui si trovano glicoproteine ZP, lo spermatozoo giusto avrà i recettori per riconoscere le proteine ZP specifiche della specie. La zona pellucida svolge un ruolo analogo alla membrana vitellina degli invertebrati.
• Reazione acrosomiale: può avvenire la reazione acrosomiale: si apre la membrana plasmatica, si apre la membrana dell'acrosoma e vengono secrete proteine litiche che permettono di penetrare la membrana plasmatica dell'uovo.
• Le membrane plasmatiche si fondono e il nucleo dello spermatozoo entra nel citoplasma dell'oocita.

Reazione corticale: Anche nel mammifero avviene la reazione corticale: vengono rilasciati i granuli corticali, enzimi che degradano le proteine ZP. Le distruggono tutte, nessuno spermatozoo troverà niente da riconoscere. È una reazione estremamente veloce. La membrana vitellina è sempre implicata nel riconoscimento, la polispermia è bloccata sempre dai granuli corticali.

Fecondazione significa proprio "costruire l'embrione". L'uovo fecondato è lo zigote; è la cellula uovo con membrana vitellina modificata, il citoplasma è quello materno, il contributo paterno è minimo: serve solo a rendere l'individuo geneticamente diverso dalla madre. Le vescicole contenenti i pronuclei infatti si fondono a dare un unico nucleo. Ha però enorme diversità rispetto alla cellula uovo: l'oocita è inerte, lo zigote ha metabolismo attivato al massimo. Prima di tutto deve capire dove si dovrà formare la testa, la coda, il dorso, che tipo di simmetria ha. Acquisisce polarità che è indice del suo asse corporeo.

La segmentazione

Segmentazione vuol dire suddividere il citoplasma dell'uovo in tante cellule diverse: si formano nuove membrane, si replicano i nuclei ma non si ha neosintesi di citoplasma. È un processo che deve avvenire rapidamente. È un processo a tappe e ordinato. La segmentazione chiaramente può realizzarsi dove c'è citoplasma formativo, solo se è distribuito omogeneamente si potrà avere segmentazione totale.

Il processo parte dal polo animale, metabolicamente più attivo; nelle uova isolecitiche ed eterolecitiche raggiungerà anche il polo vegetativo, invece nelle uova centrolecitiche e telolecitiche avremo segmentazione parziale.

I blastomeri sono le cellule dell'embrione, lo zigote è il primo blastomero.

Segmentazione oloblastica

È la segmentazione totale, avviene nelle uova isolecitiche (echinodermi, anfiosso) ed eterolecitiche (anfibi). I solchi di segmentazione sono dati dal progredire della sintesi di membrane e fino a quando un solco non si è completato non può partire il successivo.

• Primo solco: il primo solco di segmentazione parte dal polo animale e taglia in due lo zigote fino al polo vegetativo.
• Secondo solco: il secondo solco è perpendicolare al primo e passa ancora dal polo animale al polo vegetativo. Quando si è completato avremo quattro blastomeri.
• Terzo solco: il terzo solco taglia trasversalmente a livello dell'equatore, ma nelle uova eterolecitiche sarà più spostato verso il polo animale, dove c'è più citoplasma formativo. Al suo termine saremo allo stadio di otto blastomeri; negli anfibi avremo quattro cellule grosse con più vitello e quattro cellule più piccole piene di citoplasma formativo.

La segmentazione andrà avanti a ritmo cadenzato nelle uova isolecitiche, in quelle eterolecitiche chiaramente le cellule del polo animale si divideranno più velocemente. Al termine della segmentazione abbiamo lo stadio di morula; si deve formare una cavità ripiena di liquido per permettere il movimento delle cellule, avremo lo stadio di blastula e la cavità prende il nome di blastocele.

Segmentazione nel riccio di mare

Il riccio di mare è un modello per la segmentazione oloblastica eguale. Si formano blastomeri in tutto il citoplasma ma quelli che si trovano al polo animale hanno metabolismo più rapido, si originano cellule un po' più piccole. Al polo vegetativo accade che la segmentazione non è eguale: la punta origina cellule molto più piccole, la restante parte cellule più grosse. Nel riccio di mare il blastocele viene costituito nella porzione centrale.

Segmentazione negli anfibi

L'anfibio fa segmentazione oloblastica ineguale, nel polo animale abbiamo tanto citoplasma formativo, nel polo vegetativo tanto vitello. Alla prima segmentazione il dorso è composto da due blastomeri ciascuno con una parte di semiluna grigia, invece dopo il terzo solco avremo blastomeri con semiluna grigia e blastomeri senza. Quindi nell'anfibio la segmentazione porta alla formazione di blastomeri diversi per dimensione e per composizione del citoplasma. Ci saranno blastomeri spostati verso il polo vegetativo con semiluna grigia, altri nella parte opposta senza. La semiluna grigia contiene determinanti citoplasmatici fondamentali. Nell'anfibio abbiamo formazione di morula, poi per secrezione attiva di liquido si forma il blastocele spostato verso il polo animale.

Segmentazione meroblastica

Se le uova hanno confinamento di citoplasma formativo solo parte dello zigote riesce a segmentare.

Segmentazione discoidale

Nel caso delle uova telolecitiche (pesci, rettili, uccelli) avremo segmentazione discoidale limitata al polo in cui è presente citoplasma formativo. Si forma un disco di cellule separate tra loro appoggiato su una massa indivisa, circondata solo dalla membrana plasmatica dello zigote. Non si forma morula né blastula, ma l'embrione va a costituire il blastodisco.

Nei pesci, che hanno uova mesolecitiche telolecitiche, il blastodisco è direttamente appoggiato al vitello, c'è uno strato di cellule di confine, lo strato sinciziale ha ruolo di coordinamento dello sviluppo. Invece nei sauropsidi abbiamo quantità minima di citoplasma formativo, alla fine della segmentazione avremo consumo di una piccola parte del vitello sotto al blastodisco, le cellule costruiscono membrane ovunque. Lo spazio in cui è stato digerito il vitello prende il nome di cavità sottogerminale: è importante per il movimento dei blastomeri ma non è completamente vuota, è stata prodotta per consumo di molecole di riserva e non per secrezione di liquido.

Segmentazione superficiale

Avviene nelle uova centrolecitiche, tipiche degli insetti. All'interno rimane una goccia insegmentata di vitello. Prima si forma uno strato sinciziale, si costruiscono i nuclei che si dispongono in superficie: stadio di blastoderma sinciziale. Solo dopo molte divisioni nucleari si formano le membrane tra un nucleo e l'altro: la membrana cellulare si introflette tra un nucleo e l'altro, generando un blastoderma cellulare. Le cellule polari sono le future cellule germinali e sono localizzate al polo caudale dell'embrione; sono le prime che cellularizzano dopo la nona divisione, per la cellularizzazione delle cellule somatiche si dovrà aspettare almeno la tredicesima divisione nucleare.

Quindi al termine della segmentazione abbiamo morfologie diverse degli embrioni e conseguentemente nomi diversi: blastula, blastodisco, blastoderma. Abbiamo già cellule raggruppate in tre tipologie, i tessuti con cui vengono costruiti gli organi di base. A un certo punto della storia evolutiva tutti gli animali sono diventati triblastici: i tre tessuti andranno a costituire un guscio esterno, una regione interna ed una massa intermedia che si interpone tra altri tessuti. Questi tre tessuti sono:

• Ectoderma: epidermide e tessuto nervoso
• Mesoderma: tutti i connettivi, muscoli, vasi, strutture di sostegno.
• Endoderma: epitelio del tubo digerente etc.

Il problema è che al termine della segmentazione questi tre tessuti sono tutti nella posizione sbagliata. Con la gastrulazione verranno posizionati correttamente. La segmentazione non ha bisogno di contributo genomico dallo zigote, infatti si basa sugli RNA pronto uso che nella gametogenesi sono stati distribuiti dalla madre e permettono attività metabolica rapida. Maternal to Zygotic Transition (MZT) è proprio il nome che prende il passaggio dall'utilizzo di RNA di pronto uso materno alla neosintesi di RNA zigotici. Abbiamo la stessa strategia in animali filogeneticamente lontani: in Xenopus laevis avviene quasi quando la segmentazione è terminata, ciò accade anche in Drosophila, C. elegans, D. rerio e pollo. I mammiferi sono i primi che cambiano strategia.

Segmentazione nei mammiferi

La segmentazione nei mammiferi è oloblastica, lenta e rotazionale. I mammiferi derivano da rettili antichi ma hanno sviluppato tecniche di segmentazione uniche.