Biologia dello sviluppo, lezioni

Biologia dello sviluppo

Laboratorio di biologia dello sviluppo

Dipartimento di Biologia e Biotecnologie “Lazzaro Spallanzani”
Via Ferrata 9
E-mail: silvia.garagna@unipv.it
Tel 0382 986323
Ricevimento: su appuntamento via e-mail
Tutorato in date da definire
Esame orale:

• PPT su un argomento di biologia delle cellule staminali
• Domande sul programma di biologia dello sviluppo

Giudice et al., Biologia dello sviluppo, Piccin Editore, 2010
Articoli scientifici distribuiti durante il corso
Prima lezione 13 Ottobre 2014

Contenuti del corso

Il corso di biologia dello sviluppo verrà ristretto ai mammiferi ed il mammifero più utilizzato è il topo. Verranno studiate: spermatogenesi e oogenesi, la fecondazione (attraverso altro organismo modello che è il riccio di mare), la segmentazione e la gastrulazione. Si parlerà di rigenerazione, di clonazione e nelle ore di tutorato verranno mostrate attraverso filmati alcune tecniche di manipolazione.

Per quanto riguarda la parte sulle cellule staminali, verrà fatta un’introduzione e ne verranno definite le proprietà, i marcatori (le lezioni frontali saranno intervallate da seminari specifici condotti da ricercatori che parleranno della loro linea di ricerca e della loro esperienza). Queste cellule vengono anche utilizzate come modello cellulare per vari ambiti. Si ripercorrono in vitro le tappe differenziative che avvengono in vivo verso un tipo cellulare differenziato, si studiano i meccanismi che intervengono nel passaggio da una cellula indifferenziata ad una differenziata. Un accenno su cellule staminali da tessuti somatici. Si parlerà della plasticità ed infine della riprogrammazione cellulare che ha aperto un mondo alla ricerca, al punto tale che due anni fa è stato dato ad un giovane ricercatore (Shynia Yamanaka) un premio Nobel per due studi pubblicati su Cell.

Aneddoto del ricercatore giapponese

Un grande ricercatore giapponese si è da poco suicidato. Dirigeva un grande laboratorio, uno dei laboratori più importanti al mondo sulla riprogrammazione cellulare, biologia dello sviluppo e nell’ambito dell’ingegneria tissutale. Gli ingegneri sono molto importanti per i biologi nel campo ad esempio della bio-informatica o dell’ingegneria tissutale (verrà anche un ingegnere a fare un seminario). Sulla riprogrammazione cellulare, a parte Yamanaka, ci sono centinaia di laboratori al mondo che adottano strategie diverse cercando tecniche sempre più semplici e sicure per riprogrammare la cellula; il goal di Yamanaka in realtà è stato un punto di partenza.

Il ricercatore in questione è stato il tutor di una ragazzina che ha mandato negli Stati Uniti in un bellissimo laboratorio per studiare la riprogrammazione cellulare. La ragazzina si accorse che bastava sottoporre la coltura cellulare ad uno shock (un abbassamento del pH); ha pubblicato due articoli importanti su Nature, forse solo un po’ troppo avanti rispetto alle conoscenze generali. Dopo un po’ di tempo dalla pubblicazione, due ricercatori si sono accorti che una delle figure che veniva presentata nel lavoro di Nature, non era originale di quel lavoro ma apparteneva alla tesi di dottorato di quella ragazza.

Questa è frode. Per frode si sono rovinate delle carriere. La ragazzina è stata bandita e questo signore, dato che è co-autore, è stato ritenuto responsabile. La ragazzina è stata processata ed in Giappone (con cultura diversa da quella degli Stati Uniti), il ricercatore è stato minacciato di chiusura del suo laboratorio. La storia pubblicata su Nature racconta che un giorno lui andò come ogni giorno al laboratorio al mattino, la sera va a casa dà da mangiare ai figli piccoli, li mette a letto e torna in laboratorio; questa volta però si impicca. Questa storia è per farci capire quanto importante sia questo filone di ricerca finanziato con milioni di euro sia negli Stati Uniti che nel resto del mondo.

La professoressa consiglia di consultare il sito www.roars.it, sito di protesta dei ricercatori.

La biologia dello sviluppo

Cosa studia la biologia dello sviluppo? Studia i meccanismi cellulari e molecolari che portano alla formazione di un nuovo individuo. Così come uno scultore dal marmo con opera di destrezza ed immaginazione pian piano tira fuori la propria statua, così la natura dalla massa indistinta di un uovo fecondato, deriverà quei milioni di cellule in un processo non solo moltiplicativo, ma proprio in un processo di scultura che porterà a definire una forma pezzo per pezzo.

Quindi lo sviluppo si può definire come quell’insieme di processi che portano alla formazione dell’individuo pluricellulare, differenziato, autonomo e autosufficiente; l’autosufficienza è una condizione imprescindibile: lo sviluppo embrionale termina nel momento in cui non solo il soggetto acquisisce il fenotipo specie-specifico, ma è capace anche di una vita autonoma. A tutto ciò bisogna aggiungere che l’individuo sia in grado di riprodursi. L’individuo non solo raggiunge il fenotipo finale ed è in grado di vivere autonomamente, ma vi è una parte di esso che avrà dal punto di vista embriologico una vita completamente diversa e porterà in sé quel patrimonio che porterà alla generazione di un altro individuo.

Immagine di uovo fecondato: Si può affermare che un uovo è fecondato quando si vedono i due pronuclei (quello femminile più piccolo e quello maschile più grande). Sviluppo: insieme dei processi che portano alla formazione di un individuo pluricellulare, differenziato, autonomo ed autosufficiente, originato da esseri simili attraverso la riproduzione. Si parla finalisticamente anche se la natura non ha una fine. La varietà infinita della materia vivente viene selezionata dall’ambiente e vengono fuori quella serie di caratteri più adatti all’ambiente stesso.

Due obiettivi principali

• Produce la diversità e l’organizzazione ordinata delle cellule ad ogni generazione (obiettivo ontogenetico)
• Assicura la continuazione della vita (obiettivo filogenetico)

Due problemi fondamentali

• In che modo l’uovo fecondato dà origine ad un nuovo organismo
• In che modo l’organismo adulto genera un altro organismo

Tutto ciò avviene tramite regolazione ed organizzazione di questi 4 eventi:

• Riproduzione: spermatozoi, oociti→ nuova generazione
• Differenziamento: diversità cellulare
• Morfogenesi: formazione di strutture cellulari ordinate
• Accrescimento: regolazione della divisione cellulare

Con la Riproduzione spermatozoi e oociti si fondono dando vita ad una nuova generazione. Con il Differenziamento, dallo zigote (oocita fecondato) che è una sola cellula, si avranno milioni di cellule che dovranno prendere vie diverse al fine di generare tipi cellulari diversi con funzioni diverse. Questo differenziamento che genera diversità cellulare, in realtà genera anche situazioni organizzate cellulari come tessuti ed organi che acquisiscono una forma: Morfogenesi. La morfogenesi è la formazione di strutture cellulari ordinate, coordinate funzionalmente fra loro affinché l’individuo abbia una vita propria. Con l’Accrescimento si ha regolazione della divisione cellulare; sostanzialmente si parla di cicli vitali.

Ogni organismo trasmette ai discendenti un piano specifico di sviluppo e così assicura la continuità della specie. Un ciclo vitale banalmente si può descrivere così: due individui adulti generano cellule specializzate che danno origine ad uno zigote e con un processo di sviluppo embrionale abbiamo formazione di un nuovo individuo ed il ciclo ricomincia. Il ciclo vitale si può descrivere dal punto di vista dei cromosomi. L’alternanza di cicli aploidi a cicli diploidi hanno ruoli diversi in organismi diversi. Ogni specie ha un numero cromosomico specifico e affinché questo numero cromosomico rimanga costante nella specie, è necessario che le due cellule deputate alla formazione del nuovo individuo abbiano la metà del numero cromosomico. Questo ciclo si può descrivere come un’alternanza di situazioni cellulari in cui il soma è sempre quello e solo le cellule germinali dimezzano il loro contenuto cromosomico per assicurare il mantenimento del numero cromosomico specifico. Questo è vero nei vertebrati, negli organismi animali, ed è un po’ meno vero nei vegetali che sono una storia a parte.

Comunque che si parli di animali o vegetali, la modalità riproduttiva può essere descritta con due diversi tipi: una riproduzione sessuata o una riproduzione asessuata (senza intervento di cellule specializzate). Quando si parla di riproduzione sessuata siamo davanti a due tipi cellulari:

• Oocita: Cellula più grande dell’organismo con una superficie con microvilli tranne una regione che è liscia; i motivi per cui vi è un’area liscia sono due: un motivo si scoprirà più avanti e l’altro è perché dalla protuberanza verrà espulso il globulo polare. Lo spermatozoo entra nell’oocita e attiva il metabolismo dell’uovo. Quindi semplicemente su una base morfologica si può già individuare la regione in cui verrà espulso il globulo polare.
• Spermatozoo: È la cellula più piccola del nostro organismo. Anche questa è morfologicamente molto diversificata. Indipendentemente dalla specie, una caratteristica dello spermatozoo è la motilità che avviene sostanzialmente attraverso il flagello. Se gli oociti hanno una morfologia identica nel mondo animale, anche se cambiano le dimensioni (e all’interno cambia anche l’organizzazione di una serie di elementi), nello spermatozoo invece la morfologia cambia talmente che possiamo dire se uno spermatozoo è di uomo o di topo solo guardandolo. Addirittura, gli zoologi utilizzano come carattere classificatorio proprio la morfologia dello spermatozoo.

Nell’uomo l’oocita fecondato dà vita a 250 tipi cellulari distinguibili con circa cellule. La fecondazione è sostanzialmente l’unione del materiale genetico proveniente da due gameti. La prima domanda alla quale i biologi devono rispondere è: quali interazioni permettono a uovo e spermatozoo di portare alla formazione di un nuovo individuo? Queste 2 cellule si devono riconoscere e poi lo spermatozoo deve penetrare all’interno dell’oocita. In seguito alla penetrazione, questa nuova singola cellula che si è formata deve dare vita a cellule. Nei metazoi (quel gruppo che a noi interessa), osserviamo questo particolare momento della vita che è l’Embriogenesi: Sequenza di stadi di sviluppo che portano dalla cellula singola indifferenziata, all’individuo maturo. Quindi le domande sono: -Come può una singola cellula dare origine ai diversi tipi di cellule che compongono l’individuo adulto? –Come si formano gli organi? Nei metazoi la formazione di tutte queste strutture ordinate avviene attraverso vari stadi. Abbiamo così: fecondazione zigote inizio della segmentazione gastrulazione e così via. L’embriogenesi è un processo continuo che viene frammentato per scopi didattici. L’embriogenesi è il processo chiave che differenzia i metazoi (pluricellulari) dai protozoi (unicellulari).

La blastocisti è quella struttura che si origina al termine della segmentazione. La blastocisti è ancora dentro la zona pellucida che è uno degli involucri dell’uovo che protegge l’embrione attraverso la discesa attraverso le tube fino al terzo superiore dell’utero dove si impianterà. Per impiantarsi la blastocisti deve uscire, “sgusciare” dalla zona pellucida, degenererà e l’embrione si impianta. La blastocisti è costituita sostanzialmente da due tipi cellulari che sono: trofectoderma e massa cellulare. Il trofectoderma riveste la struttura sferica e delimita una cavità che è il blastocele ed una zona in cui vi è una massa cellulare che si chiama proprio massa cellulare. Quindi al termine della segmentazione, abbiamo già il differenziamento di due tipi cellulari: trofectoderma e la massa cellulare. Questi due tipi cellulari avranno due destini differenti.

Il ciclo vitale può avvenire all’interno del corpo materno o all’esterno. Siamo nei metazoi, nel gruppo dei vertebrati e si può descrivere un ciclo vitale che sarà segmentato in modo diverso perché alcuni organismi passano da uno stadio larvale, vanno incontro a metamorfosi per originare un individuo adulto. Una prima differenza si può descrivere nel ciclo vitale a seconda che ci sia o meno lo stadio larvale però gli attori sono sempre gli stessi (cellule germinali, fecondazione, ecc..).

La biologia dello sviluppo utilizza diversi organismi modello per i suoi studi, sia nel campo dei vertebrati che degli artropodi, molluschi e recentemente anche vermi (come il C.Elegans, la Planaria per gli studi sulla rigenerazione). La cosa importante è che lo studio comparato ci ha permesso di verificare che molti di questi mattoni che compongono la vita sono evolutivamente conservati. Per cui i geni e le proteine che vengono descritti per un organismo, possono essere utilizzati come base di partenza per studiare altri organismi. In questo ci aiuta il fatto che dopo il sequenziamento del genoma umano, c’è stato un fiorire di linee di ricerca che sono gemmate da questo. Il sequenziamento del genoma umano è stato una delle opere più grandiose dal punto di vista della biologia e dal punto di vista tecnico ha richiesto molti anni e la collaborazione di molti laboratori di tutto il mondo che si sono costituiti in consorzi per sequenziare il genoma umano. Sembrava un punto di arrivo e invece, come accade spesso in biologia, era un punto di partenza. Da lì sono fiorite varie linee di ricerca che hanno portato ormai al sequenziamento di centinaia di organismi. Ciò permise la comparazione di sequenze fra diversi tipi di organismi. L’organismo modello per i mammiferi più usato è il topo; poi vengono usati anche il pollo, fra i pesci abbiamo lo Zebrafish, vi sono due organismi nell’ambito degli anfibi che sono lo Xenopus e la Salamandra, Caenohabitis, Planaria e poi ovviamente la Drosophila che è l’organismo che ha generato per molto tempo le maggiori conoscenze.

È possibile classificare il mondo vivente con parametri della biologia dello sviluppo. Si può suddividere il mondo animale a partire dai protisti coloniali che possiamo porli alle radici perché da essi si sono evoluti tutti gli altri. Considerando solo parametri della biologia dello sviluppo, possiamo suddividere quindi il mondo animale in tre grandi gruppi: Deuterostomi, Protostomi e organismi Diblastici. Questa classificazione deriva dal fatto che durante lo sviluppo embrionale, all’inizio della gastrulazione, dalla regione in cui iniziano ad invaginarsi le cellule, regione chiamata Blastoporo, può originare per primo l’ano e siamo nei Deuterostomi, se invece origina per prima la bocca siamo nei Protostomi. All’interno dei Protostomi abbiamo snodo che dà vita a blastomeri con una simmetria a spirale, oppure alla schiusa (molting) con stadio larvale. Sia Protostomi che Deuterostomi, presentano durante lo sviluppo embrionale tre foglietti embrionali e questo è un altro snodo rispetto ai Diblastici. Ctenofori e Cnidari sono diblastici. Snodo ulteriore, e qui siamo proprio agli arbori, è quello dei Poriferi. Tutti gli snodi sono legati a diverse modalità di segmentazione e gastrulazione e sulla generazione di due o tre foglietti embrionali. Quindi tutto il mondo vivente può essere classificato semplicemente osservando i primi stadi dello sviluppo embrionale.

Studi recenti hanno dimostrato che il foglietto embrionale evolutivamente più recente, che è il mesoderma, non esiste nei Diblasti come foglietto organizzato, ma come cellule che hanno caratteristiche assimilabili al mesoderma dei Diblasti. Indipendentemente dal gruppo che analizziamo, esiste uno stadio, chiamato “Stadio Filotipico” che è comune a tutti. In questo stadio gli embrioni hanno definito gli assi corporei (destro-sinistro, anteriore-posteriore, dorsale-ventrale), il tubo neurale, i somiti, la notocorda, la struttura della testa. Durante questi primi momenti dello sviluppo, fondamentale è la conformazione dei patterns, quello che darà vita sostanzialmente alla morfologia finale. Si riconosce anche una simmetria del corpo che però non è poi così perfetta.

Ecco cosa verrà studiato

Al termine della Segmentazione abbiamo due tipi cellulari diversi: trofectoderma e cellule della massa cellulare. Un altro momento clou del differenziamento cellulare, è quando si distinguono le cellule germinali, quel gruppo di cellule che darà origine al patrimonio riproduttivo dell’individuo, rispetto le cellule somatiche. Le cellule germinali si originano in una regione extraembrionale, poi migreranno all’interno dell’embrione. Da queste cellule si origineranno gli spermatozoi o gli oociti; quelle quattro-cinque cellule in origine daranno vita a milioni di altre cellule. La cosa straordinaria ed esclusiva delle cellule germinali (e che le differenzia anche rispetto le cellule somatiche), è che...