Biologia dello sviluppo animale

mercoledì 30 settembre 2020

Biologia dello sviluppo

Eventi chiave nello sviluppo animale

-organismo modello - riccio di mare che permette di analizzare lo sviluppo di un

animale in un ambiente non protetto vs mammiferi ambiente protetto (utero).

Fecondazione e sviluppo esterno (facile da studiare) vs predazione e promiscuità

(presenza nello stesso ambiente di gameti di diverse specie).

Organismi che si sviluppano in ambiente esterno hanno delle strategie riproduttive

per la sopravvivenza a differenza degli organismi a sviluppo protetto.

fecondazione= fusione dei nuclei maschile e femminile a formare lo zigote. La

cellula uovo ha molto citoplasma con tuorlo. La fecondazione attiva nella cellula

uovo la respirazione cellulare, trascrizione e traduzione. L’arrivo dello spermatozoo

attiva la cellula uovo.

Segmentazione= le cellule dell’embrione si dividono, lo scopo è creare la

multicellularita, la grandezza dell’embrione non aumenta a causa di veloci divisioni

mitotiche senza interfase. Quindi no aumenta troppo di volume ma c’è una

distribuzione di citoplasma alle singole cellule. Termina con la blastula composta da

blastomeri.

Le divisioni mitotiche della segmentazione hanno velocità diversa che dipende dalla

specie e dall’abbondanza di citoplasma. Ciclo cellulare m,g1,s,g2

g1-2 (interfase) che sono fasi preparative della s e m, quindi producono proteine

che servono durante le fasi successive.

Nello zigote quindi mancano le interfasi perché le proteine necessarie per s e m

sono fornite dal’oovocita. (TRASCRIZIONE MATERNA) perché questi devono essere

veloci nello sviluppo che è esterno.

Nei mammiferi la segmentazione invece è lenta perché dopo la prima divisione

avviene la trascrizione zigotica cioè lo zigote produce le proteine che servono per i

cicli s e m successivi. (TRASCRIZIONE ZIGOTICA)

La presenza di un citoplasma (vitello) più o meno abbondante condiziona sia la

velocità di segmentazione ma anche il piano di divisione.

La cellula prima fa cariocinesi e poi citodieresi, questi sono orientati da actina e

microtubuli, quindi a seconda della disposizione del fuso mitotico cambia il piano di

divisione. Quindi se il citoplasma è molto abbondante il fiso mitotiche è scansato e

la divisione avverrà solo ad un polo detto animale.

Estremità ricca di tuorlo= polo vegetativo

Estermita scarsa di tuorlo= polo animale

Segmentazione oloblastica(completa)= si divide tutto lo zigote

Segmentzone meroblastica (incompleta) = solo dove ce poco tuorlo

Uova con poco tuorlo distribuito uniformemente= isolecitico

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Uova con poco tuorlo al polo vegetativo= mesolitiche

Uova con tanto tuorlo uniforme= telolecitiche

Uova con tanto tuorlo in regione centrale= centrolecitico

Quindi l’ingombro del citoplasma influenza l’orientamento del fuso mitotico e quindi

l’asse di divisione.

-gastrulazione= le cellule migrano dall’esterno all’interno della blastula, il sito della

prima migrazione è chiamato blastoporo. Questa porta la formazione dei tre foglietti

embrionali. Avviene aumento di volume e divisione mitotica. Alla fine della

segmentazione abbiamo la blastula che avrà uno spazio interno all’interno della

quale si portano i plastomeri.

.I blastomeri assumono nuove posizioni e relazioni spaziali e si stabilisce il piano

dell’organismo.

Movimenti-

Invaginazione

Embolia

Ingresso

Delaminazione

Epibolia vedi lezione pdf

.Formazione degli assi principali del corpo, avremo dei piani di simmetria.

Durante lo sviluppo abbiamo il polo animale (testa animale) e polo vegetativo (parte

posteriore)

-morfogenesi= si formano e differenzieranno i tessuti

-organogenesi= si formano gli organi e apparati. Questo tramite migrazione

cellulare, vedi pdf

Come si studia lo sviluppo?

Attraverso organismi modello, che sono scelti diversamente in base a quello che si

vuole studiare, in base all’omologia genetica tra il modello e la specie di cui mi

interessa, la possibilità di modificarne il genoma creando quindi dei mutanti (knock-

out) cicli vitali e il costo di mantenimento.

-fecondazione

Funzione- trasmettere geni da genitori ai figli e dare inizio nel citoplasma dell’uovo a

quelle reazioni che consentono il procedere dello sviluppo. L’uovo attiva il

metabolismo dello spermatozoo e lui attiva il metabolismo dell’uovo.

Quindi prima della fecondazione non sono attivi metabolicamente.

-esterna

-interna

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.tappe fondamentali comuni

-Contatto e riconoscimento tra spermatozoo e uovo (importante sopratutto per

fecondazione esterna in cui abbiamo promiscuità)

-Regolazione dell’entrata dello spermatozoo nell’uovo (regolazione della

polispermia)

-Fusione materiale genetico

-

Spermatozoo= aploide, matura pian piano e metabolicamente solo quando si fonde

con l’uono (cromatina compatta), testa con nucleo e una vescicola acrosomale che

contiene enzimi che degradano i vari rivestimenti dell’uovo. Coda propulsiva che si

muove quando in prossimità dell’uovo. Flagello (9+2) microtubuli con dineina.

Nei mammiferi abbiamo capacitazione cioè possibilità di legarsi all’uovo e liberare la

vescicola acrosomale. Questa capacitazione avviene nelle vie genitali femminili.

Nei mammiferi l’uovo è fermo alla seconda fase meiotica che viene completata con

la fecondazione. Nel riccio di mare invece la meiosi è completa già prima della

fecondazione. L’uovo accumula nel citoplasma composti necessari all’embrione in

via di sviluppo.

La fecondazione quindi è uno scambio importante tra i due gameti.

-uovo del riccio di mare= membrana plasmatica circondata da diversi strati in base

alla specie. Abbiamo nel riccio una membrana vitellina (matrice extracellulare nei

mammiferi), ricca di glicoproteine , protegge la cellula uova ed è essenziale al

riconoscimento specie-specifico. Esternamente abbiamo strato gelatinoso (zona

pellucida nei mammiferi) serve ad attirare e attrarre lo spermatozoo.

Nell’uovo di mammiferi abbiamo le cellule del cumulo offro che danno nutrimento

alla cellula uovo.

La membrana plasmatica forma il cono di fecondazione e accoglie lo spermatozoo.

Strato gelatinoso strato profondo vs zona pellucida sottile perché al nutrimento

badano le cellule del cumulo ooforo (cellule follicolari dell’ovario)

Granuli corticali al di sotto della membrana plasmatica (dotata di microvilli) questi

contengono enzimi e proteine che impediscono la polispermia. Attivate dall’entrata

del primo spermatozoo. Degradano la matrice extracellulare.

Riconoscimento tra spermatozoo e uovo

Tappe fecondazione comuni

1. Chemioattrazione dello spermatozoo da parte dell’uovo tramite molecole solubili

secrete dall’uovo

2. Esocitosi della vescicola acrosomiale spermatica per rilasciare i suoi enzimi

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3. Il legame dello spermatozoo alla matrice extracellulare dell’uovo

4. Passaggio dello spermatozoo attraverso la membrana vitellina e zona pellucida

5. Fusione della membrana cellulare dell’uovo e dello spermatozoo

Spermatozoo riccio di mare vs mammifero

.Diversi strati

-Riccio strato gelatinoso esterno vs cumulo ooforo nei mammiferi

-Membrana vitellina (matrice extracellulare) questa nei mammiferi è la zona

pellucida.

-Membrana plasmatica

.Il processo acrosomale quando lo spermatozoo si avvicina alla cellula uovo

l’acrosoma dello spermatozoo dei mammiferi si allunga già a livello del cumulo

ooforo e la reazione acrosomale avviene solo al livello della zona pellucida.

(Mammiferi)

.il processo acrosomale (allungamento testa dell’acrosoma con modificazione nella

testa a forma di spada) e il rilascio degli enzimi proteolitici avviene già allo strato

gelatinoso. (Riccio di mare)

—riccio di mare esempio di fecondazione esterna, processi simili tra gli invertebrati

marini e vertebrati acquatici (rane). Le riccio abbiamo una fase di larva dalla quale

poi si svilupperà l’adulto.

-strategia riproduttiva a fecondazione esterna

I gameti vengono liberati nel loro ambiente ridotto o ampio

Problema:

1.Come possono gli spermatozoi e le uova incontrarsi in un ambiente diluito

2.Come evitare la fecondazione tra specie diverse (promiscuità)

3.Predazione (nei ricci risolta con segmentazione molto veloce che permette lo

sviluppo più veloce)

Nei ricci di mare gli spermatozoi acquisiscono mobilita appena fuoriusciti nell’acqua

di mare (strategia riproduttiva) vs spermatozoo mammiferi acquisisce mobilita solo

nell’utero materno.

-prima strategia, gli spermatozoi appena vengono rilasciati in acqua devono subito

essere mobili, questo grazie a variazioni del ph, il ph spermatico nei testicoli nei ricci

è 7.2 per elevata concentrazione di co2. Quando viene rilasciato il ph all’esterno

aumenta a 7.6 questo attiva l’attività atpasica della dineina del flagello. Questa

capacita di muoversi non da pero indicazione su dove devono andare quindi

l’attrazione tra spermatozoi e cellula uovo della loro specie è fondamentale

(Chemiotassi) seguendo un gradiente crescente di una sostanza chimica secreta

dall’uovo chiamata resact, piccolo peptide 14aa che è rilasciato dallo stato

gelatinoso ed è specie-specifico. Il resact è una guanilin ciclasi che lega il suo

recettore sulla membrana dello spermatozoo RGC che a livello del dominio

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citoplasmatico genera GMP ciclico (secondo messaggero) idrolizzando GTP in

grado di attivare dei canali del calcio. L’afflusso di calcio attiva la motilita

spermatica attivando la atpasi della dineina e guida lo spermatozoo verso l’uovo.

Resact e il suo recettore sono specie-specifici, questo permette di dare

riconoscimento selettivo in un ambiente promiscuo. Una volta che lo spermatozoo

sa dove andare deve superare le membrana che avvolgono l’uovo. Deve quindi

fondere la vescicola acrosomale tramite fusione con la membrana dell’acrosoma

rilasciando il suo contenuto. Quello che si forma è il processo acrosomale per cui la

testa dello spermatozoo si modifica andando a formare una struttura a spada. Si ha

la fusione della membrana acrosomale con la membrana plasmatica e vengono

rilasciati gli enzimi, internamente all’acrosoma si forma una sorta di asta tramite

polarizzazione di actina a formare una spada che allunga la testa dello spermatozoo

e riuscire cosi a farsi largo a livello della membrana dei diversi strati sia degradando

con enzimi sia attraverso questa struttura, che avrà al suo interno microfilmanti di

actina che polimerizza ed esternamente bindina, una proteina che medierà il

riconoscimento specie-specifico legandosi ad un recettore nella cellula uovo.

Questo processo è attivato dal contatto dello spermatozoo con la cellula uovo. Una

volta che lo spermatozoo è entrato attraverso i vari strati infine abbiamo la fusione

dell’acrosoma dello spermatozoo con la membrana plasmatica dell’uovo, questa

fusione favorita dalla cellula uovo che accoglie la testa dello spermatozoo formando

delle protusioni (grazie a polimerizzazione actina) dette cono di fecondazione. Lo

spermatozoo quindi entra ma senza la coda.

Una delle fasi più importanti della fecondazione è il blocco della polispermia,

ovvero evitare penetrazione di altri spermatozoi questo perché nella maggior parte

degli animali si ha la monospermia cioè uno spermatozoo deve fondersi con una

cellula uovo donando il suo nucleo aploide che va a fondersi con il nucleo aploide

della cellula uovo e fornisce anche un centriolo necessario per le divisione mitotiche

e segregazione cromosomi.

Se in una cellula uovo di riccio entrano due spermatozoi avremo invece del normale

assetto cromosomico di 36 cromosomi 54 cromosomi. Avremo quindi due nuclei

aploidi maschili, due centrioli e un nucleo aploide femminile. Fusione pronuclei da

54 che durante la divisione mitotica andranno a segregare in modo totalmente

random e quindi avremo cellule con un numero di cromosomi diversi e questo porta

ad aborti. Quindi il blocco della polispermia è molto importante.

Abbiamo due tipologie di blocco

-blocco veloce, procede quello lento, non tutte le specie animali hanno questo

blocco vs blocco lento che hanno tutte. Tipico di individui che si sviluppano in

ambiente esterno. Dura 1 minuto, avviene grazie a variazioni del potenziale elettrico

della membrana plasmatica dell’uovo dato da variazioni di concentrazione di na+ e

k+.

Nella cellula uovo dei ricci di mare il potenziale di riposo della membrana è di -70mv

(out: na alto, k basso- in: na basso k alto) entro 1-3 secondi dal legame del primo

spermatozoo il potenziale di membrana si modifica diventando positivo +20mv per

un lieve ingresso di na+ per osmosi. Gli spermatozoi possono fondersi solo con la

membrana plasmatica con un potenziale di riposo di -70mv. Quindi questo

cambiamento di potenziale rende impossibile il legame di altri spermatozoi.

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Potenziale di membrana ritorna a quello di riposo dopo circa 1 min la polispermmia

può quindi ancora avvenire.

-blocco lento, avviene in tutte le specie animali. Questo è un blocco meccanico

dove gli spermatozoi vengono scalzati dalla membrana vitellina tramite la reazione

dei granuli corticali, vescicole con enzimi che degradano la matrice. Queste proteasi

vanno a rompere i legami proteici tra membrana vitellina e membrana plasmatica e

tra la bindina dello spermatozoo e i recettori dell’uovo. Formazione della membrana

di fecondazione tramite legame dei componenti dei granuli con la membrana

vitellina. I granuli contengono glicosamminoglicani composti che assorbono acqua

e che per osmosi richiamano acqua separando cosi la membrana di fecondazione

da quella plasmatica. La membrana di fecondazione viene stabilizzata tramite

legami crociate tra proteine. Infine altre proteine dei granuli come la ialina forma un

rivestimento intorno all’uovo detto strato ialino che protegge lo zigote e evitare

impianto in zone diverse dall’utero.

-attivazione metabolismo cellula uovo.

Fecondazione importante per attivare il metabolismo dei due gameti dato che la

cellula uovo deve concludere la sua meiosi (nei ricci è già completata). Attivare il

metabolismo cioè consentire alla cellula uovo di produrre mrna materno che serve a

produrre proteine necessarie nelle prime fasi di segmentazione. L’ingresso degli ioni

calcio durante l’ingresso dello spermatozoo è determinante, questo infatti attiva dei

canali del calcio e il calcio regola dei processi rimuovendo inibitori dei messaggeri di

origine materna che erano immagazzinati nel citoplasma consentendo la traduzione

degli mrna materni. Inoltre rimuovo inibitori della divisione nucleare.

-segmentazione e gastrulazione riccio di mare

Per studiare sviluppo simile di animali marini. I ricci sono cordati per presenza di

notocorda e tubo neurale in posizione dorsale. Sono invertebrati ma modello di

studio valido per studi sullo sviluppo.

Segmentazione interessante perché ha delle strategie peculiari e diverse dalla

segmentazione dei mammiferi. La segmentazione genera la multicellularita tramite

divisioni mitotiche molto veloci, la singola cellula durante la segmentazione è detta

blastomero e la struttura finale è la blastula. Nel riccio di mare abbiamo divisione

molto veloce a causa della predazione, divisione mitotica senza fase g1 e g2,

bifasica. La segmentazione inoltre è condizionata da due aspetti, la quantità e

distribuzione delle proteine del tuorlo nel citoplasma e i fattori che nel citoplasma

influiscono sull’orientamento del fuso mitotico e sui tempi della sua formazione.

Questo influenza il piano di segmentazione.

Nei ricci la segmentazione è oloblastica completa in uovo isolecitico, viene detta

oloblastica radiale perché le prime due divisioni sono meridiane e perpendicolari tra

di loro. La terza divisione è equatoriale, perpendicolare alle prime due e separa

l’emisfero animale da quello vegetativo. Quarta divisione, cellule del polo animale si

dividono secondo un piano meridiano uguale dando mesomeri, quelle del polo

vegetativo secondo un piano equatoriale ineguale dando macromeri e micromeri.

Dallo stadio di 16 cellule in poi i mesomeri si dividono ugualmente con piano

equatoriale, i macromeri in modo uguale meridiano e i micromeri si divideranno in

modo ineguale formando 4 piccoli micromeri sotto 4 grandi micromeri. Alternanza di

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divisioni mediane e radiali forma una sorta di cerchio con divisione radiale. Alla fine

della segmentazione che nel riccio di mare termina con la blastula a 120 cellule

unite da giunzioni strette a formare una struttura epitelioide. Compare una cavita

interna detta blastocele importante per la gastrulazione. A questo stadio i

blastomeri sono specificati e le cellule esterne diventano ciliate. Cellule del polo

vegetativo si ispessiscono e formano la piastra vegetativa e le cellule del polo

animale secernano enzimi che digeriscono la membrana di fecondazione. Mappa

presuntiva, in cui tutte le cellule del polo animale andranno a formare l’ectoderma, i

macromeri del polo vegetativo daranno origine alle strutture mesenchimali,

endoderma e mesoderma. I micromeri non formano grosse strutture e tessuti ma

hanno più funzione di specificazione, ovvero la specificazione, cioè istruzioni che

dicono ai mesomeri e macromeri cosa devono diventare, queste informazioni

vengono fornite dai micromeri. I grandi micromeri si autospecificano tramite

specificazione autonoma (mesoderma primario) tramite molecole segnale presenti

nel citoplasma, rilasciano poi fattori paracrini o juxoparacrini che specificano le

cellule vicine (macromeri e mesomeri) attraverso quindi specificazione condizionale.

-gastrulazione, inizia in un punto ben preciso detto blastoporo, nel polo vegetativo e

vi è