Biologia dello sviluppo - I parte embriologia

Biologia dello sviluppo

La biologia dello sviluppo è una disciplina che studia i meccanismi cellulari e molecolari che guidano l’embriogenesi, i quali determinano l'acquisizione di specifici destini differenziativi da parte delle cellule embrionali. Per sviluppo si intende l'insieme di successivi cambiamenti che portano alla formazione di un individuo; mentre l’embriologia è una disciplina che studia le fasi che caratterizzano la formazione di un nuovo individuo, cioè dalla fecondazione allo stadio adulto.

Esistono correlate all’embriologia, due discipline: l'embriologia sperimentale e la biologia molecolare. Una terza disciplina correlata alla biologia dello sviluppo è la biologia evoluzionistica dello sviluppo (EVO-DEVO), la quale studia come l'embriogenesi possa influenzare la conservazione di caratteri o la comparsa di cambiamenti evolutivi. I cambiamenti evolutivi sono frutto di cambiamenti di espressione di geni regolatori dello sviluppo (variazioni quantitative, mutazioni, variazioni spazio-temporali).

L'organismo si modifica anche dopo la fine dell’embriogenesi, grazie alla presenza di determinate cellule, chiamate cellule staminali. Le cellule staminali, quindi, contribuiscono al rinnovamento dei tessuti adulti. Il differenziamento cellulare è quel processo per cui un'unica cellula totipotente, cioè lo zigote, dà origine a molti tipi di cellule specializzate.

Sistemi modello della biologia dello sviluppo

I sistemi modello della biologia dello sviluppo, per la ricerca sperimentale, sono 6:

• Nematode (C. Elegans)
• Drosophila
• Zebrafish
• Xenopus
• Topo
• Pollo

Riproduzione e gametogenesi

Riproduzione

La riproduzione può essere sessuata o asessuata; per riproduzione si intende la capacità di generare nuovi organismi, garantendo la continuità della specie. La riproduzione asessuata è quel meccanismo che porta alla formazione di nuovi organismi del tutto identici alla madre (scissione binaria, gemmazione) ed è tipica dei procarioti, protisti e in alcuni organismi pluricellulari (idra).

La riproduzione sessuata, invece, è quel meccanismo che porta alla formazione di nuovi individui con caratteristiche diverse da quelle dei genitori. Per realizzarsi è necessario che si formino cellule altamente specializzate, chiamate gameti. La riproduzione sessuata è tipica degli organismi pluricellulari e garantisce una maggiore variabilità genica. Il processo che porta alla formazione dei gameti è chiamato gametogenesi.

Gametogenesi

I gameti sono cellule altamente specializzate che garantiscono il fenomeno della fecondazione, consentendo quindi, la formazione del nuovo individuo. La gametogenesi che avviene nella linea maschile è detta spermatogenesi, mentre quella che avviene nella linea femminile è detta ovogenesi. I due processi si differenziano fra di loro per tempi e modalità di svolgimento.

La gametogenesi, quindi, è quel processo che precede la fecondazione ed implica la maturazione dei gameti maschili e femminili e durante questa fase le cellule sessuate acquisiscono l’aploidia e la maturità morphologica.

Nei vertebrati, nella riproduzione sessuata, generalmente, le cellule germinali, o gameti, hanno un corredo cromosomico aploide, mentre le cellule somatiche hanno corredo cromosomico diploide. I gameti acquisiscono l’aploidia durante il processo meiotico e la diploidia verrà ricostituita alla fecondazione con l'incontro dei due gameti.

Differenze fondamentali tra mitosi e meiosi

Mitosi: è il processo di divisione del corredo cromosomico durante la divisione di cellule somatiche. Ciascuna cellula figlia eredita una copia dei cromatidi paterni e materni.

Meiosi: è il processo di divisione del corredo cromosomico durante la formazione dei gameti. Per ciascun cromosoma, ciascun gamete riceve un solo cromatidio paterno o materno. Durante la meiosi, i cromosomi omologhi vanno incontro ad un processo che assicura lo scambio di materiale genetico, detto crossing-over, nella profase I.

Alterazioni nel processo meiotico possono condurre ad anomalie cromosomiche nello zigote, con una perdita o un'acquisizione di un cromosoma (aneuploidie). Le aneuploidie possono verificarsi sia nei gameti maschili che femminili, e molto spesso la loro frequenza di insorgenza è correlata all’età.

Gametogenesi maschile e femminile

Le gametogenesi maschile e femminile avvengono con una diversa cinetica temporale; la meiosi nell’oogenesi inizia durante il periodo fetale, si arresta alla nascita e riprende con la pubertà, mentre la meiosi maschile inizia con la pubertà. Inoltre, le gametogenesi maschile e femminile differiscono fra di loro per il numero di gameti prodotti.

Fasi della gametogenesi

• Fase mitotica: Si ha un'intensa proliferazione delle cellule germinali staminali con lo scopo di aumentare il numero delle cellule germinali.
• Fase meiotica: Riduzione del materiale cromosomico nelle cellule germinali (da 2n a n).
• Maturazione meiotica: È specifica nelle cellule germinali femminili e consente l’acquisizione di proprietà morphologiche durante il processo meiotico.
• Maturazione post-meiotica: È specifica delle cellule germinali maschili e consente l'acquisizione di proprietà morphologiche e funzioni specifiche.

Gametogenesi maschile o spermatogenesi

È il processo che porta alla formazione degli spermatozoi a partire dagli spermatogoni. Si svolge attraverso tre fasi nel testicolo:

• Fase moltiplicativa: Divisione mitotica degli spermatogoni.
• Fase meiotica: Formazione delle cellule aploidi (spermatidi).
• Fase differenziativa: Gli spermatidi si differenziano in spermatozoi.

Struttura macroscopica della gonade maschile

L'unità fondamentale è il testicolo, il quale è racchiuso in una capsula connettivale fibrosa, detta tunica albuginea. È diviso in 100-200 lobuli da setti connettivali che si formano da prolungamenti della tunica albuginea. Ognuno di questi lobuli contiene i cosiddetti tubuli seminiferi nei quali si formano gli spermatozoi. Gli spazi intertubulari sono costituiti da tessuto connettivo lasso che contiene vasi sanguigni e vasi linfatici. Nel testicolo viene prodotto anche l'ormone principale maschile, ovvero il testosterone. Il testicolo infatti è una ghiandola endocrina che produce gli ormoni androgeni.

Luogo della spermatogenesi

La spermatogenesi ha luogo nei tubuli seminiferi; l’epitelio seminifero è una struttura dinamica costituita da cellule in continuo cambiamento. Nell'uomo, ogni 16 giorni ha luogo la spermatogenesi che dura circa 74 giorni. I gameti in maturazione rimangono uniti attraverso ponti citoplasmatici, i quali servono a sincronizzare la maturazione dei cloni cellulari derivati dallo stesso spermatogonio, ma servono anche a permettere lo scambio di molecole, ad esempio, molecole di RNA trascritti dai cromosomi X e Y. I ponti citoplasmatici generalmente sono fragili.

L’epitelio seminifero è un epitelio pluristratificato costituito da una componente germinale, che sono i gameti in maturazione, e da una componente somatica, che sono le cellule del Sertoli. Le cellule del Sertoli svolgono varie funzioni importanti e non sono mitoticamente attive, cioè non si dividono, in quanto sono arrestate in fase G0/G1 del ciclo cellulare. Queste cellule sono importanti per il nutrimento e per il supporto strutturale delle cellule germinali; convertono infatti, il glucosio ematico in lattato, il quale viene usato come substrato energetico delle cellule germinali.

Svolgono anche una funzione di fagocitosi di cellule germinali degeneranti e producono sostanze endocrine e paracrine che regolano i processi di gametogenesi. Infine, hanno anche una funzione regolatrice e creano la barriera emato-testicolare, isolando le cellule germinali in maturazione dalla rete vascolare e dal sistema immunitario.

Barriera emato-testicolare

La barriera emato-testicolare è impermeabile perché sono presenti giunzioni occludenti. Questa barriera ha il compito di separare i processi di formazione degli spermatogoni (compartimento basale) e degli spermatociti (compartimento adluminale). Le cellule germinali si trovano inizialmente nel compartimento basale, ma oltrepassano questa barriera all'inizio della meiosi e poi si differenziano nel compartimento adluminale.

Questa barriera svolge importanti funzioni:

• Suddivide l’epitelio seminifero in un compartimento basale e in un compartimento adluminale, entrambi caratterizzati da due microambienti diversi. Gli spermatogoni nel compartimento basale sono esposti al fluido interstiziale, prodotto dei vasi sanguigni, mentre gli spermatociti, spermatidi e spermatozoi nel compartimento adluminale sono isolati dal fluido interstiziale e sono esposti, invece, al fluido tubulare, prodotto dalle cellule del Sertoli.
• Agisce come barriera immunologica, perché essa isola i gameti in fasi avanzate del processo maturativo dal sistema immunitario, proteggendoli da reazioni autoimmuni.
• Successivamente, i gameti riescono ad oltrepassare questa barriera perché le giunzioni occludenti si aprono temporaneamente per permettere il loro passaggio. L'apertura temporanea e la riformazione delle giunzioni è regolata da segnali paracrini prodotti dalle cellule del Sertoli.

Struttura delle cellule del Leyding

Gli spazi interstiziali fra i tubuli seminiferi contengono le cellule del Leyding, le quali sono importanti per la produzione di testosterone. Quindi, la spermatogenesi è costituita da 7 fasi:

• Cellula germinale primordiale (entra nella gonade)
• Spermatogonio
• Spermatogoni 2n si dividono per mitosi all'interno del testicolo
• Spermatocita primario
• Spermatociti secondari
• Spermatidi
• Spermatozoi maturi

Processo di spermioistogenesi

Il processo di spermioistogenesi consiste in trasformazioni morfo-funzionali che portano al differenziamento degli spermatozoi, ed avviene in quattro fasi principali:

• Formazione dell’acrosoma; l’acrosoma è una vescicola che si forma dall'apparato di Golgi e si trova sulla testa dello spermatozoo perché serve per penetrare nella cellula uovo. Infatti, l’acrosoma contiene enzimi che riescono a digerire proteine e glucidi complessi, i quali servono appunto a lisare i rivestimenti esterni della cellula uovo.
• Sviluppo del flagello; il flagello è una struttura citoscheletrica fatta di microtubuli che permettono il movimento. La parte motrice principale del flagello è formata dall’assonema, composto da due microtubuli centrali circondati da una fila di nove microtubuli.
• Eliminazione del citoplasma
• Condensazione della cromatina nel nucleo

Lo spermatozoo è l'unico che riesce a raggiungere una compattazione maggiore del cromosoma in metafase, grazie alla presenza di istoni, i quali poi vengono sostituiti da protammine, che sono delle proteine basiche ricche di gruppi -SH. Il processo di maturazione degli spermatozoi continua durante il passaggio nell’epididimo, che è un dotto molto lungo (circa 6 m), in cui gli spermatozoi permangono per diversi giorni, tra i 2-6 giorni. L’epididimo presenta un epitelio pseudostratificato costituito da tre tipi cellulari: cellule basali, cellule principali e cellule chiare. Le cellule principali e chiare presentano microvilli.

L'epididimo ha una funzione importante nella secrezione e crea un ambiente ricco di proteine, ioni inorganici e piccole molecole organiche che regolano la maturazione degli spermatozoi. Inoltre, le cellule ependimali presentano giunzioni occludenti, che formano una barriera emato-epididimale, che isola l’ambiente luminale dal sistema vascolare. Inoltre, per impedire l'attivazione prematura degli spermatozoi, è necessario mantenere nell'epididimo un ambiente acido, grazie ad una pompa protonica ATPasi presente sulla membrana apicale delle cellule chiare. Questa pompa protonica viene stimolata da segnali biochimici. Infine, nell'epididimo la membrana plasmatica degli spermatozoi è ricca di colesterolo, il quale serve a ridurre la fluidità per prevenire la fusione prematura con l’acrosoma. Queste modifiche rendono temporaneamente lo spermatozoo incapace di interagire con il gamete femminile, ma dovranno poi essere rimosse durante il passaggio nei tratti nell'apparato genitale femminile.

Gametogenesi femminile o ovogenesi

L’ovogenesi è un processo che porta alla formazione delle cellule uovo. Il numero di uova prodotte può variare molto a seconda della specie. Nell’ovogenesi possiamo distinguere due fasi principali:

• La fase moltiplicativa, la cui entità può variare notevolmente a seconda della specie considerata (nei mammiferi è limitata allo sviluppo embrionale).
• La fase meiotica, le divisioni meiotiche durante l’ovogenesi sono caratterizzate da citodieresi ineguale, che porta alla formazione di una cellula uovo e di due o tre globuli polari.

Generalmente, in diversi gruppi di organismi si possono verificare una o due fasi di blocco del processo meiotico; il primo blocco solitamente si ha in profase I, dopodiché si ha la ripresa della meiosi e poi si ha un secondo blocco meiotico in metafase II.

Gli oociti in accrescimento trascrivono attivamente i geni i cui prodotti sono necessari per il loro metabolismo o per le prime fasi dell’embriogenesi; si ha infatti un'attività di sintesi nel nucleo, dove vengono sintetizzati RNA ribosomali e transfer, ed un'attività citoplasmatica, dove vengono sintetizzati gli organuli citoplasmatici, i granuli corticali e si ha l'accumulo di tuorlo. Negli oociti in accrescimento c'è una trascrizione attiva dei geni necessari per la crescita degli oociti. Non tutti gli RNA trascritti vengono tradotti immediatamente per produrre proteine; alcuni RNA vengono immagazzinati e tradotti solo dopo la fecondazione. Questo dipende da un controllo fine della stabilità e del processo di traduzione di questi RNA, in particolare mRNA, che dipende da modificazioni chimiche, dalla loro localizzazione nella cellula uovo e dalle caratteristiche del citoplasma dell’uovo che possono variare al momento della fecondazione, a causa del pH, ad esempio.

La cellula uovo è costituita da un citoplasma, il quale è racchiuso in una membrana plasmatica, che durante la fecondazione deve regolare il flusso di ioni e deve essere capace di fondersi con la membrana plasmatica dello spermatozoo. All'esterno della membrana cellulare si trova un rivestimento che forma attorno all'uovo una sorta di tessitura fibrosa implicata nel riconoscimento tra uovo e spermatozoo; negli invertebrati questa struttura di solito è chiamata membrana vitellina. La membrana vitellina contiene parecchie glicoproteine differenti, ed è fondamentale per il legame specie-specifico dello spermatozoo. Nei mammiferi invece, la membrana vitellina si trova sotto forma di una spessa matrice extracellulare, chiamata zona pellucida.

L'uovo dei mammiferi è inoltre circondato da cellule del cumulo ooforo, che sono cellule follicolari che forniscono nutrimento all’uovo al momento della sua emissione dall’ovaio. Lo strato più interno delle cellule del cumulo ooforo è chiamato corona radiata. Al di sotto della membrana plasmatica, è presente un sottile strato di citoplasma simile ad un gel, chiamato cortex. Nella cortex si trovano i granuli corticali, che sono delle strutture delimitate da membrana e sono omologhe alla vescicola acrosomica dello spermatozoo. I granuli corticali sono prodotti durante l’ovogenesi e sono richiesti per il blocco della polispermia. Molti tipi di uova presentano anche un involucro gelatinoso all'esterno della membrana vitellina, che serve solitamente ad attirare gli spermatozoi.

Nel citoplasma inoltre sono presenti proteine, ribosomi tRNA, RNA messaggeri e sostanze protettive. Nei primi mesi dello sviluppo embrionale, nei mammiferi c'è un grande sviluppo di ovogoni nell’ovario; dopodiché, la fase mitotica cessa e la maggior parte degli ovogoni va incontro a degenerazione, secondo un processo chiamato atresia.

Le membrane di rivestimento della cellula uovo possono essere di tre tipi:

• Primaria (vitellina, corion, zona pellucida, albume)
• Secondaria (strato gelatinoso, cumulo ooforo, membrana testacea)
• Terziaria (guscio)

Tipi di ovogenesi

• Ovogenesi solitaria: in questo caso il tuorlo viene sintetizzato soltanto dall’oocita.
• Ovogenesi follicolare: in questo caso il tuorlo viene sintetizzato dalle cellule follicolari, oltre che dall’oocita.
• Ovogenesi nutrimentale: in questo caso delle cellule particolari, dette nutrici, si fondono con l’oocita.

Ovogenesi negli anfibi

Nel caso degli anfibi, gli oogoni entrano in meiosi; l’oocita entra in blocco ed aumenta la dimensione. Dopo due anni, un segnale ormonale, da parte del progesterone, induce il completamento della prima divisione meiotica e l’ovulazione. Dopodiché, subentra un secondo blocco nella seconda meiosi che viene superato solo in caso di fecondazione.

La cellula uovo degli anfibi contiene il vitello, il quale a sua volta, contiene vitellogenina. La vitellogenina è una proteina molto grande prodotta nel fegato e trasportata nell'ovario attraverso la circolazione. Gli ormoni ipofisari (gonadotropine) stimolano le cellule follicolari a produrre estrogeni e progesterone; gli estrogeni promuovono la produzione di vitellogenina nel fegato, mentre il progesterone...