Biologia dello sviluppo, riassunto

Biologia dello sviluppo: i gameti

Nel 1887 si dimostrò che i gameti hanno un corredo aploide e che la diploidia viene ripristinata mediante fecondazione, creando lo zigote (diploide).

La meiosi

È il fenomeno alla base della riproduzione sessuata, ossia il processo di formazione dei gameti che si generano a partire dalle cellule germinali in organi differenti che sono rappresentati dall’ovaio, per i gameti femminili, e dai testicoli, per i gameti maschili.

Le cellule germinali sono cellule staminali prodotte dalla cresta neurale, da qui migrano successivamente nella cresta genitale dove si avrà lo sviluppo delle gonadi maschili e femminili, nonché la differenziazione in gameti.

La meiosi differisce dalla mitosi in quanto:

• Con la meiosi, si parte da una cellula diploide per ottenere 4 cellule aploidi, ossia con un contenuto genetico dimezzato e variato.
• La meiosi prevede due divisioni cellulari senza l’interposizione di un periodo di duplicazione del DNA:
• Nella prima divisione i cromosomi omologhi si uniscono per ricombinare e vengono poi separati in due differenti cellule in modo che ciascuna cellula riceva una sola copia del cromosoma.
• Nella seconda divisione meiotica invece vengono divisi i due cromatidi fratelli uno dall’altro. Di conseguenza, ciascuna delle quattro cellule formatesi dalla meiosi ha un’unica copia (aploide) di ciascun cromosoma.
• La mitosi, tipica delle cellule somatiche, parte da una cellula diploide per ottenerne due cellule perfettamente identiche alla cellula di partenza.
• A seguito dell’ultima divisione mitotica delle cellule germinali si verifica un periodo di sintesi del DNA, cosicché la cellula che inizia la meiosi ha duplicato il suo DNA nucleare. A questo punto ciascun cromosoma è costituito da due cromatidi fratelli uniti nel centromero (costituito da eterocromatina che non è trascritta ed ha funzione strutturale).

La maggior parte degli organismi è diploide come l’uomo che ha 46 cromosomi, ossia 23 coppie di cromosomi omologhi: nel caso dell’uomo ci sono 22 coppie di autosomi ed una coppia di cromosomi sessuali. Nel caso dei mammiferi la coppia di cromosomi sessuali del maschio è una coppia XY, mentre quella della femmina è XX, ma in altri organismi come gli uccelli e le farfalle la situazione è invertita, ossia i maschi sono XX e le femmine XY.

Meiosi I

Il DNA viene duplicato solo prima della prima divisione meiotica che può essere suddivisa in 4 fasi:

• Profase I: è la fase più complessa e più lunga di tutta la divisione meiotica e può essere suddivisa in cinque stadi:
  • Leptotene (dal greco, “filamento sottile”): la cromatina dei cromatidi è distesa ed estremamente sottile, per cui non è possibile distinguere i singoli cromosomi che solo in questo momento iniziano a spiralizzare; la duplicazione del DNA è comunque già avvenuta e ogni cromosoma è costituito da due cromatidi paralleli.
  • Zigotene (“filamenti accoppiati”): i cromosomi omologhi si appaiano longitudinalmente con un processo di sinapsi tipico della meiosi I ed assente in mitosi ed in meiosi II. Questo processo porta alla formazione della struttura bivalente (necessaria al crossing-over) che sembra richiedere la presenza della membrana nucleare e la formazione di un nastro proteico, il complesso sinaptonemico, una complessa struttura costituita da una serie di proteine, generalmente filamentose, necessarie a tenere unita per tutta la lunghezza la coppia di cromosomi. È presente anche una struttura globulare detta modulo di ricombinazione costituita da una serie d’enzimi per tagliare e cucire i frammenti di DNA scambiati tra cromatidi non fratelli dei cromosomi omologhi. L’osservazione al microscopio elettronico dei nuclei di cellule in meiosi fa ritenere che i cromosomi appaiati si leghino alla membrana nucleare e che l’involucro nucleare contribuisca all’unione. La configurazione formata dai quattro cromatidi e dal complesso sinaptinemale è la tetrade.
  • Pachitene (“filamento spesso”): i cromatidi s’inspessiscono e s’accorciano, divenendo distinguibili al microscopio ottico, e può verificarsi il processo di crossing-over. Per ogni coppia di omologhi si trovano in media 2-3 chiasmi, che possono essere concentrati in alcune regioni, probabilmente a causa della composizione in basi di queste regioni, inoltre si possono incontrare delle interferenze tra un sito di ricombinazione ed un altro, in modo tale che sia difficile trovare due chiasmi molto vicini tra loro. Il crossing-over è il primo evento di variabilità genetica presente nella meiosi, inoltre può proseguire nello stadio successivo: quando ha termine il crossing-over il DNA inizia a despiralizzarsi.
  • Diplotene (“filamento doppio”): il complesso sinaptonemico si disgrega e i due cromosomi omologhi cominciano a separarsi, rimanendo assemblati in vari punti, definiti chiasmi, che si ritiene rappresentano siti di crossing-over. Lo stadio di diplotene è caratterizzato da un alto livello di trascrizione.
  • Diacinesi (“separazione”): in questa fase i cromatidi si spiralizzano nuovamente ed i cinetocori iniziano ad allontanarsi l’uno dall’altro, per cui i cromosomi rimangono uniti solo alle estremità dei cromatidi.
• Metafase I: si verifica la disgregazione dell'involucro nucleare, la formazione del fuso mitotico e la migrazione dei cromosomi nella piastra metafasica, mediante la disposizione delle coppie di cromosomi omologhi lungo il piano equatoriale legati al fuso mitotico. Durante la metafase I avviene il secondo evento che genera variabilità genetica: i cromosomi a derivazione materna o paterna si dispongono casualmente sopra o sotto il piano equatoriale, creando numerose combinazioni. È stato calcolato che il processo può dare origine a 2²³ gameti differenti, a cui devono essere aggiunti quelli che subiscono modificazioni dal crossing-over. La profase I e la metafase I costituiscono circa il 90% della meiosi I.
• Anafase I: i microtubuli tendono ad accorciarsi, rompendo i chiasmi e trascinando con sé i cromosomi omologhi ai poli opposti della cellula; è da notare che in mitosi sono i cromatidi fratelli ad essere portati ai poli opposti della cellula.
• Telofase I: porta alla formazione delle due cellule figlie ciascuna contenente un cromosoma di ciascuna coppia di omologhi; si riforma quindi l’involucro nucleare.

Dopo una breve intercinesi, detta anche citocinesi, ha luogo la seconda divisione meiotica: in realtà, il processo di citocinesi non è presente in tutti gli organismi.

Meiosi II

Durante l’intervallo che intercorre tra intercinesi e profase II il DNA non viene replicato ed è questo il motivo per cui si verifica il fenomeno della riduzione cromosomica.

• Profase II: la membrana nucleare si disgrega mentre i cromosomi si condensano e s’attaccano al fuso mitotico neoformato.
• Metafase II: raggiungono la posizione sulla piastra equatoriale della cellula.
• Anafase II: i loro centromeri si dividono per consentire ai cromatidi fratelli di migrare ai poli opposti. A differenza della meiosi I, qui i cinetocori si muovono in maniera totalmente indipendente, permettendo la divisione dei cromatidi fratelli.
• Telofase II: i cromatidi separati raggiungono i poli e intorno ad essi si formano i nuclei. Ciascuno dei 4 nuclei figli, quindi, conterrà un corredo aploide di cromosomi.

La durata delle varie fasi della meiosi cambia tra specie differenti ma anche tra i sessi di una stessa specie, come nel caso dei mammiferi: nelle femmine si possono avere diversi stadi in cui la meiosi viene fermata per dare al tempo all’oocita di accrescersi, infatti al momento della nascita tutti gli oociti sono fermi a livello del diplotene della profase I. Sempre nelle femmine di mammifero, la meiosi I non si completa fino al raggiungimento della maturità sessuale, mentre la meiosi II si verifica solo nel momento in cui avviene la fecondazione.

Gli eventi della meiosi sono coordinati per mezzo di connessioni citoplasmatiche tra cellule che si stanno dividendo: mentre le cellule figlie che si formano alla mitosi normalmente si separano l’una dall’altra, i prodotti della divisione delle cellule in meiosi restano tra loro uniti da ponti citoplasmatici, ben osservabili nella formazione di spermatozoi e cellule uova in tutto il regno animale.

Altri meccanismi riproduttivi

Tutti gli organismi a riproduzione sessuata originano dall’unione di gameti (spermatozoo e cellula uovo appunto), e tutti i gameti derivano da cellule germinali primordiali, precursori delle cellule germinali. La riproduzione sessuata presenta dei vantaggi rispetto all’asessuata: la riproduzione sessuata grazie al meccanismo della meiosi determina un’enorme variabilità genetica che è alla base del concetto di successo evolutivo, mentre questo aspetto manca totalmente nella riproduzione asessuata, dove le cellule figlie sono identiche alla cellula madre, in quanto si riproducono per semplice mitosi.

In natura non sempre è necessaria l’unione di uno spermatozoo con una cellula uovo (fecondazione) per originare uno zigote (cellula a corredo cromosomico diploide): questo caso è rappresentato dalle specie animali che attuano la partenogenesi, ossia un processo mediante cui si selezionano un certo numero di oociti che vanno incontro ad attivazione senza la presenza degli spermatozoi, perciò manca la fusione tra i due nuclei. Rientrano in queste specie il Drosophila mangabeiraimoscerino, in cui uno dei globuli polari funziona da spermatozoo e feconda l’oocito dopo la seconda divisione meiotica, o ancora la lucertola Cneimidophorus uniparens, in cui gli oogoni raddoppiano il numero di cromosomi prima della meiosi, cosicché il dimezzamento dei cromosomi ristabilisce il numero diploide. Al contrario, i mammiferi non sono in grado d’attuare la partenogenesi. Frequentemente tuttavia lo stato diploide si presenta per un brevissimo tempo, al termine del quale la cellula va in mitosi e si ripristina l’aploidia tipica di questi organismi: le cellule aploidi, poi, prolifereranno per mitosi.

Gametogenesi

La meiosi è alla base della gametogenesi, il processo di formazione dello spermatozoo e dell’uovo. Lo spermatozoo e la cellula uovo hanno uguale componente nucleare aploide, ma differiscono in numerose altre caratteristiche strutturali, in quanto presentano diverse funzioni:

• Al termine della meiosi la cellula uovo è completamente matura a differenza dello spermatozoo.
• La cellula uovo ha un volume maggiore, in quanto durante le divisioni meiotiche conserva il citoplasma e tende ad accumularne ulteriore: l’ambiente della cellula uovo deve essere atto ad avviare ed a mantenere lo sviluppo e il metabolismo dell’embrione, pertanto la cellula uovo risulta essere una delle cellule più specializzate di tutto l’organismo, inoltre entro l’enorme massa di citoplasma si trova un nucleo voluminoso. Nonostante la specializzazione della cellula uovo è possibile riprogrammarla tramite esperimenti di manipolazione genetica, come nel caso della pecora Dolly: il nucleo dell’uovo è stato sostituito da quello di una cellula somatica, attivato tramite shock elettrico ed impiantato nell’utero di una pecora ospite. In alcune specie al momento della fecondazione il nucleo è già aploide (riccio di mare), mentre in altre specie (vermi e mammiferi) il nucleo dell’uovo è ancora diploide e lo spermatozoo entra prima che le divisione meiotiche dell’uovo siano completate. L’uovo è la cellula più grande dell’organismo, ma esistono uova di dimensione diversa nel regno animale: in riccio e uomo è 100µm, 1000µm per l’uovo di rana o pesce, in pollo e rettili è di diversi centimetri. La differenza di dimensione delle uova dipende dal fatto che in alcuni organismi lo sviluppo dell’embrione avviene all’interno dell’organismo, perciò i materiali nutritizi provengono dalla madre, mentre in altri organismi si ha lo sviluppo esterno, perciò l’uovo deve contenere tutti i materiali necessari allo sviluppo dell’embrione:
  • Il citoplasma contiene delle riserve nutritive sottoforma di vitello. Il vitello è costituito da proteine, glucidi e carboidrati: in alcuni organismi si sviluppa grazie al contatto con organi come il fegato.
  • La maggior parte del citoplasma dello spermatozoo viene invece eliminata durante la maturazione, formando una cellula di dimensioni ridotta dotata di un’efficace motilità e di capacità di trasferire il proprio corredo cromosomico aploide nella cellula uovo.

Oogenesi

I meccanismi dell’oogenesi variano da una specie all’altra, dal momento che le modalità di riproduzione presentano ampie variazioni fra le specie. Per esempio esistono specie, come ricci di mare e rane, in cui le cellule germinali (oogoni) s’autorinnovano per tutta la vita dell’organismo. Nei mammiferi gli OOGONI si dividono a formare un numero limitato di precursori cellulari di uova. Nell’embrione umano circa 1000 oogoni si dividono per mitosi tra il secondo e settimo mese di vita intrauterina, formando circa 7 milioni di cellule germinali; dopo il settimo mese la maggior parte degli oogoni muore, i restanti iniziano la prima divisione meiotica. Questi ultimi sono gli oociti primari, i quali procedono negli stadi della prima profase meiotica fino allo stadio di diplotene, e non procedono oltre fino a che la femmina non ha raggiunto la maturità sessuale. Durante questo periodo di latenza, gli oociti primari s’accrescono e producono sostanze come i granuli corticali, importanti per l’inibizione della polispermia.

Con l’inizio della pubertà gli oociti riprendono periodicamente la meiosi: l’oocito primario si divide e il suo nucleo, definito vescicola germinativa, si disgrega ed il fuso metafasico migra alla periferia della cellula. Alla telofase una delle due cellule figlie non contiene quasi affatto citoplasma (GLOBULO POLARE), mentre l’altra conserva pressoché l’intero volume dei costituenti cellulari (OOCITA SECONDARIO). Una citodieresi ineguale simile avviene nella seconda divisione meiotica, da cui si genera un uovo maturo contenente la maggior parte di citoplasma e un secondo globulo polare costituito da poco più di un nucleo aploide. Il citoplasma della cellula uovo contiene numerose sostanze: proteine (prodotte da altri organi, quali il fegato ed i corpi adiposi, e trasportati dalla circolazione sanguigna), ribosomi, tRNA ed mRNA (per la sintesi di nuove proteine, infatti, dopo la fecondazione c’è un’esplosione della sintesi proteica), fattori morfogenetici (molecole che dirigono il differenziamento cellulare, localizzate in punti diversi della cellula uovo) e sostanze protettive (filtri contro radiazioni, enzimi riparatori ed anticorpi). La membrana citoplasmatica della cellula uovo degli invertebrati (riccio di mare) è rivestita dalla membrana vitellina, un rivestimento fibroso contenente numerose glicoproteine che nei mammiferi media il riconoscimento tra uovo e spermatozoo; questo strato è molto più spesso e prende il nome di zona pellucida. All’esterno della membrana vitellina è presente uno strato gelatinoso che nei mammiferi ha il proprio omologo nel cumulo ooforo creato dalle cellule follicolari dell’ovaio. Sottostante la membrana plasmatica troviamo la cortex, uno strato di citoplasma di circa 5µm simile ad un gel, in cui troviamo i granuli corticali, strutture omologhe alla vescicola acrosomica degli spermatozoi: si tratta infatti di organelli derivanti dal Golgi contenenti enzimi proteolitici, mucopolisaccaridi, proteine d’adesione e proteine ialine, la cui funzione principale risiede nell’inibizione della polispermia. Il numero di granuli corticali può raggiungere il valore di 15.000.

Spermatogenesi

Lo spermatozoo è la cellula più piccola del nostro organismo, ossia è più piccola di 10-30µm delle cellule somatiche, infatti la maggior parte del citoplasma viene eliminata durante la maturazione. Ogni spermatozoo è costituito da un nucleo aploide, da un sistema di propulsione che genera movimento e da un sacco contenente enzimi che consentono la penetrazione del nucleo nella cellula uovo.

La spermatogenesi inizia nella cresta genitale dell’embrione maschile, dove le cellule germinali primordiali vengono incorporate nei cordoni sessuali, permanendovi fino alla pubertà. Il processo di maturazione sessuale nella pubertà prevede la formazione dei tubuli seminiferi a partire dai cordoni sessuali e la differenziazione dell’epitelio del tubulo in cellule del Sertoli, che forniscono nutrienti e protezione alle cellule spermatiche in spermatogenesi.

Giunti nella gonade gli spermatogoni si dividono per mitosi a formare spermatogoni di tipo A1, da cui si originano spermatogoni di tipo A2, quindi A3 ed infine A4: in ciascuna divisione lo spermatogonio riproduce una copia di se stesso e uno spermatogonio dello stato successivo. Lo spermatogonio di tipo A4 ha tre opzioni:

• Può formare una copia di se stesso per auto rinnovamento.
• Può andare in apoptosi.
• Oppure può differenziare nel primo tipo di cellula staminale preordinata a differenziarsi in spermatozoo.

Lo spermatogonio intermedio mediante mitosi origina lo spermatogonio di tipo B; gli spermatogoni di tipo B entrano in mitosi originando gli spermatociti primari, poi, ogni spermatocita primario attua la prima divisione meiotica dando origine a due spermatociti secondari, che compiono la seconda divisione meiotica. Le cellule aploidi che così si formano sono gli spermatidi, connessi tra loro da ponti citoplasmatici.