Biologia dello sviluppo (segmentazione e gastrulazione)

Biologia dello sviluppo

Lo sviluppo di un organismo cellulare inizia con una singola cellula, l’uovo fecondato o zigote, che si divide per mitosi dando origine a tutte le cellule del corpo. Lo zigote si divide tante volte a formare:

• La blastula
• Diventa poi gastrula in cui si hanno intensi movimenti cellulari e si formano i 3 foglietti embrionali: ectoderma, mesoderma ed endoderma.

La biologia dello sviluppo studia tutti i processi che riguardano lo sviluppo, a partire dalla cellula uovo fecondata fino alla nascita ed oltre. Embriologia: è lo studio dello sviluppo degli animali dalla fecondazione fino alla nascita. Lo sviluppo non termina alla nascita, negli ultimi anni si parla di biologia dello sviluppo come disciplina che studia i processi embrionali ma anche altri processi dello sviluppo.

Obiettivi dello sviluppo

Lo sviluppo realizza due obiettivi principali:

• Produce diversità (crossing over e segregazione dei gameti nella meiosi) e una organizzazione ordinata delle cellule (a ogni generazione cellule si dispongono in maniera ordinata a formare i tessuti).
• Assicura la continuità della vita da una generazione all’altra.

Periodi embrionali e fetali

Nell’embriologia si dividono due periodi:

• Periodo embrionale dalla fecondazione fino a 4 settimane di gestazione.
• Dall'ottava alla quarantesima settimana: periodo fetale.

Nel periodo embrionale si ha la formazione di tutti gli organi, dopo l'ottava settimana si deve solo accrescere fino alla nascita. L’embrione è dal 14esimo giorno in avanti. Prima (0-14 giorni) è stadio pre-embrionale e non è considerato una persona.

Campi di studio della biologia dello sviluppo

La biologia dello sviluppo si occupa di:

• Differenziamento cellulare
• Morfogenesi
• Accrescimento
• Riproduzione
• Evoluzione
• Integrazione ambientale

Differenziamento

Un’unica cellula, l’uovo fecondato, dà origine a centinaia di tipi cellulari differenti: cellule muscolari, nervose, endocrine ecc. Questa realizzazione della diversità cellulare è detta differenziamento.

Morfogenesi

Le cellule differenziate non hanno una distribuzione casuale: sono organizzate in tessuti e cellule. Gli organi che si formano sono disposti in un modo particolare: le dita sono sempre all’estremità delle mani, gli occhi sempre nel capo ecc. Questa realizzazione di una forma ordinata è detta morfogenesi.

Accrescimento

La divisione cellulare è strettamente regolata; le cellule sanno quando dividersi e sanno quando smettere di farlo.

Evoluzione

Dipende da modificazioni ereditarie dello sviluppo. Le modificazioni ereditarie sono quelle che garantiscono all’embrione di sopravvivere mentre si sviluppa. La comparsa della cavità amniotica (255 milioni di anni fa) ha permesso ai vertebrati di spostarsi sulla terra.

Integrazione ambientale

Lo sviluppo di molti organismi è influenzato da informazioni derivate dall’ambiente che circonda l’embrione. La biologia dello sviluppo negli ultimi anni, usando metodologie di biologia molecolare, genetica, e cellulare, è riuscita a trovare risposte a problemi irrisolti per anni.

Approcci della biologia dello sviluppo

La biologia dello sviluppo tiene conto di tre approcci fondamentali utilizzati nello studio dell’embriologia:

• Approccio anatomico (embriologia descrittiva): descrive lo sviluppo embrionale e talvolta post embrionale di un sistema e si pone la domanda: CHE COSA? diventerò COME?
• Embriologia sperimentale (approccio sperimentale): si agisce sperimentalmente sull’embrione manipolando, facendo esperimenti sugli embrioni.
• Approccio genetico/molecolare: si avvale della genetica molecolare.

Embriologia descrittiva

• Embriologia comparata: studia come l’anatomia si modifica nello sviluppo di organismi differenti.
• Embriologia evoluzionistica: studia come modificazioni dello sviluppo possono provocare modificazione nell’evoluzione. Darwin sosteneva che le somiglianze fra embrioni rivelano l’esistenza di una connessione genetica fra differenti gruppi di animali. La teoria dell’evoluzione di Charles Darwin rivoluzionò l’embriologia comparata e le fornì un nuovo obiettivo.
• Teratologia: studia le malformazioni e i difetti congeniti.

Storia

Lo studio dell’embriologia comparata è iniziato con Aristotele. La sua opera “La generazione degli animali” osservò le due differenti modalità di segmentazione (oloblastica e meroblastica). Aristotele fu sostenitore della teoria dell’epigenesi, secondo cui lo sviluppo embrionale si sviluppa in stadi successivi partendo da una struttura iniziale indifferenziata (lo zigote).

Nel 1600 Malpighi era il sostenitore della teoria del preformismo, che sosteneva che le diverse parti di un embrione fossero preformate fin dal suo inizio e che divenissero soltanto più grandi con lo sviluppo.

La fine del preformismo ebbe luogo nel 1820, grazie alle osservazioni di 3 validi studiosi:

• Pander: scoprì i foglietti embrionali e le interazioni tra i tessuti chiamate induzione: cellule vicine influenzano il comportamento di cellule adiacenti mediante fattori di induzione.
• Rathke: ricordato per la tasca di Rathke, rappresenta l’abbozzo embrionale dell’adenoipofisi e descrisse per la prima volta gli archi faringei negli embrioni dei vertebrati, che nei pesci diventano l’apparato branchiale e nei mammiferi diventano mascelle e orecchio.
• Von Baer: scoprì la notocorda, asse del mesoderma dorsale che suddivide l’embrione nella metà destra e sinistra, scoprì l’uovo dei mammiferi (più piccolo uovo del regno animale) e formulò i principi di Von Baer.

Pander dimostrò la fine del preformismo osservando che gli organi si formano grazie all’interazione tra cellule di foglietti diversi: induzione.

Foglie embrionali e loro derivati

• Endoderma: epitelio di rivestimento e ghiandolare del tubo digerente, fegato, vie biliari e pancreas, vie respiratorie, vescica, uretra, prostata, tiroide/para e timo, cellule delle linee germinali di ovociti e spermatozoi.
• Mesoderma: scheletro, muscolatura, tessuto connettivo, apparato cardiocircolatorio, apparato renale.
• Ectoderma: tessuto nervoso, epidermide e suoi derivati (peli, capelli, unghie, smalto dentario).

Principi di Von Baer

1. Nello sviluppo le caratteristiche generali di un gruppo ampio di animali compaiono più precocemente delle caratteristiche specifiche di un gruppo più piccolo.
2. Dalle caratteristiche più generali si sviluppano quelle meno generali, fino a quando compaiono quelle più specifiche.
3. L’embrione di una data specie, anziché passare attraverso gli stadi adulti di animali inferiori, se ne allontana sempre più.
4. L’embrione iniziale di un animale superiore non è mai simile a un animale inferiore, ma soltanto simile all’embrione iniziale di questo.

Tutti i vertebrati appaiono simili alla fine della gastrulazione. Con il progredire dello sviluppo essi diventano meno simili l’un l’altro. In molte rane la gametogenesi e la fecondazione sono eventi stagionali.

Tipi di cellule embrionali

Nel tardo ottocento gli embriologi si accorsero che le cellule non sono immobili nell’embrione né mantengono la stessa forma. Nell’embrione precoce ci sono due tipi di cellule:

• Cellule epiteliali saldamente connesse le une alle altre che formano lamine.
• Le cellule mesenchimali che non sono unite l’una all’altra e sono immerse in un’abbondante matrice extracellulare.

I due tipi cellulari nell’embrione garantiscono la morfogenesi attraverso la variazione e di processi cellulari:

1. Orientamento e numero delle divisioni cellulari: le cellule possono dividersi in maniera simmetrica o asimmetrica. Le cellule staminali si dividono in maniera simmetrica per generare due cellule staminali, in maniera asimmetrica una è la cellula figlia uguale alla cellula madre mentre l’altra prende la via differenziativa.
2. Modificazione della forma cellulare, importante per la creazione degli organi.
3. Migrazione cellulare per la produzione degli organi come le cellule del sangue (midollo osseo nel torrente circolatorio).
4. Accrescimento cellulare, aumento di dimensioni delle cellule. Gli ovociti precursori sono cellule molto piccole mentre successivamente acquisiscono numeroso prodotti nutritivi che fanno aumentare le dimensioni.
5. Morte cellulare, apoptosi, fondamentale nello sviluppo embrionale per il rimodellamento di determinati organi.
6. Composizione della membrana e prodotti secreti, la membrana cellulare presenta molecole che hanno la funzione di adesione e servono per far aderire le cellule fra loro.

Stadi dello sviluppo animale

Fecondazione

Contatto e penetrazione dello spermatozoo nella cellula uovo, fusione dei pronuclei e attivazione uovo.

Segmentazione

È una serie di divisioni mitotiche straordinariamente veloci, con le quali l’enorme volume del citoplasma dello zigote è suddiviso in numerose cellule più piccole. Queste cellule sono dette blastomeri e alla fine della segmentazione formano una struttura sferica detta blastula.

Gastrulazione

Dopo che il ritmo delle divisioni mitotiche è rallentato, i blastomeri vanno incontro a movimenti morfogenetici con i quali modificano le loro reciproche posizioni. Alla fine della gastrulazione l’embrione è costituito da tre foglietti embrionali (ectoderma, mesoderma e endoderma).

Organogenesi

Le cellule dei tre foglietti interagiscono tra loro e si riorganizzano per formare tessuti ed organi. Molti organi contengono cellule derivate da più di un foglietto, spesso la parte esterna di un organo deriva da un foglietto e quella interna da un altro (Es. lo strato esterno della cute: epidermide). Durante questo processo migrano dal loro luogo di origine alla sede definitiva.

Metamorfosi

Solo in alcune specie animali in cui nascono le larve che subiscono metamorfosi per diventare adulto.

Gametogenesi

Spesso avviene successivamente alla nascita. La divisione tra cellule germinali e somatiche è uno dei primi differenziamenti che si realizzano nello sviluppo animale. I gameti e le cellule che ne sono i precursori sono dette cellule germinali (le altre cellule dell’organismo sono dette somatiche). Le cellule germinali migrano nelle gonadi dove si differenziano in gameti: lo sviluppo dei gameti è detto gametogenesi e di solito non è completo fino a quando l’organismo non è diventato maturo. Alla maturità i gameti possono essere liberati e prendere parte alla fecondazione.

Stadio larvale

In molte specie l’organismo che esce dall’uovo o che è messo al mondo non è sessualmente maturo. Il giovane organismo è una larva che può apparire molto diversa dall’adulto: le larve costituiscono lo stadio della vita impiegato per la nutrizione.

Nelle farfalle del baco da seta, gli adulti hanno un apparato boccale ridotto e non possono nutrirsi. Le larve devono mangiare abbastanza perché l’adulto sopravviva e si possa accoppiare: molte femmine si accoppiano non appena escono dalla crisalide e volano una sola volta per deporre le uova, poi muoiono.

Embriologia evoluzionistica

Darwin riteneva che le somiglianze fra embrioni rivelano l’esistenza di una connessione genetica fra differenti gruppi di animali. La teoria dell’evoluzione di Charles Darwin rivoluzionò l’embriologia comparata e le fornì un nuovo obiettivo: descrivere l’evoluzione dei viventi.

Teratologia studia malformazioni genetiche e i disordini dello sviluppo. Studia le malformazioni genetiche e sindromi, che sono anomalie dovute ad eventi genetici. I disordini dello sviluppo sono anomalie dovute ad agenti esogeni, detti teratogeni.

Embriologia sperimentale

Cellule e tessuti di animali vengono rimossi, riarrangiati, trapiantati o cresciuti in isolamento, per scoprire il modo in cui si influenzano tra loro. L’embrione viene manipolato per capire come avvenivano determinati fenomeni. Vengono effettuati 4 esperimenti sull’embrione.

Esperimenti sull’embrione

1. Esperimento di distruzione: si distrugge una parte dell’embrione e si osserva lo sviluppo dell’embrione danneggiato. Uovo di rana fecondato, si aspetta la prima divisione mitotica, con un ago rovente si danneggia uno dei due blastomeri e quindi si produrrà un embrione.
2. Esperimento di isolamento: si asporta una parte dell’embrione e si osserva lo sviluppo dell’embrione parziale e quello della parte isolata. Con un ago si separa una coppia di blastomeri, si va a vedere quale sarà lo sviluppo dell’embrione parziale o mediante strozzature per separare l’uovo fecondato in due parti (se la strozzatura è verticale si producono due embrioni completi, se è equatoriale si produce un embrione completo e uno no).
3. Esperimento di ricombinazione: si osserva lo sviluppo dell’embrione dopo la sostituzione di una sua parte con una proveniente da un’altra regione. Nello stesso embrione si prelevano cellule da una regione dell’embrione e vengono trapiantate in un'altra regione dell’embrione e queste cellule cambiano il loro destino.
4. Esperimento di trapianto: si sostituisce una parte dell’embrione con una proveniente da un altro embrione. Può essere fatto intraspecie o interspecie (specie diverse). Trapianto di un pezzo dal polo animale dell’embrione e trapiantato in un'altra regione del ventre. In questo caso le cellule mantengono il loro destino. Si ha uno step reversibile dove le cellule possono cambiare il loro destino, quando siamo nello stadio più precoce (viceversa step irreversibile quando siamo in uno sviluppo più avanzato).

Esperimento trapianto interspecie (tritone e rana) di Hans Spemann e Hilde Mangold tra il 1920 e il 1924: dimostrarono che alcune zone della gastrula precoce non solo differenziano in maniera autonoma, organizzandosi spontaneamente, ma hanno il potere di influenzare il processo organizzativo in altre zone.

1. Essi espiantano da un embrione di tritone una regione della gastrula, il labbro dorsale del blastoporo che dà origine al tubo neurale, per impiantarlo in una diversa zona di un embrione di tritone di specie diversa.
2. Si ottiene che una zona che normalmente sarebbe diventata epidermide ventrale viene indotta dal tessuto innestato a differenziarsi in tessuto neurale. Successivamente dimostrano che le cellule del tessuto trapiantato non partecipano alla costruzione della nuova struttura, la quale deriva completamente dal riorientamento del tessuto ricevente.

Programmi di ricerca dell’embriologia sperimentale

1. Sviluppo in relazione all’ambiente: L’ambiente esterno di un embrione può essere una pozza d’acqua, uno stagno, il mare o un utero. L’embrione interagisce con l’ambiente e il suo sviluppo può essere guidato da informazioni provenienti da ciò che lo circonda.
2. Studio delle forze interne dell’embrione: che condizionano il differenziamento delle sue cellule (sviluppo della specializzazione cellulare). Le cellule si influenzano a vicenda per determinare lo sviluppo.
3. Studio del modo in cui le cellule si organizzano in tessuti e organi: morfogenesi e adesione cellulare.

Sviluppo in relazione all’ambiente

Il dimorfismo nelle farfalle Araschnia levana fa assumere un colore diverso in base al periodo di schiusura delle larve, quindi in base alla temperatura. Nei Viridis, i maschi vivono all’interno dell’apparato genitale femminile, dove fecondano le uova. Se le uova cadono lontano dalla proboscide diventano femmine.

Studio delle forze interne dell’embrione

Differenziamento

Il differenziamento: sviluppo di tipi cellulari specializzati che comporta modificazioni biochimiche e funzionali della cellula (da cellule staminali a differenziate). L’ambiente interno di una cellula embrionale è costituito dai tessuti circostanti all’interno dell’embrione e il destino di una data cellula spesso dipende dalle sue interazioni con gli altri componenti cellulari. Il differenziamento cellulare è preceduto da un processo commitment che ha come risultato il preordinamento della cellula per un determinato destino.

Commitment

La cellula non differisce fenotipicamente dal suo stato non commissionato ma il suo destino di sviluppo risulta limitato. Il commitment è suddiviso in due stadi:

1. Specificazione: le cellule sono in grado di differenziarsi in modo autonomo se vengono poste in ambiente neutro (una provetta). In questo stadio il loro destino può essere modificato (è lo stadio reversibile). Es. cellule intestinali trapiantate nella testa possono cambiare destino e diventare neuroni.
2. Determinazione: le cellule si differenziano secondo il loro destino anche se sono impiantate in un’altra regione dell’embrione. Il loro destino non può essere modificato, sono commissionate in modo irreversibile. Le cellule possono essere trapiantate in qualsiasi parte dell’embrione ma danno origine a quello a cui sono destinate.

Dopo questi due stadi abbiamo il differenziamento vero e proprio. Il commitment di una cellula può essere controllato.