Biologia dello Sviluppo - studio sui meccanismi molecolari e fisiologici che controllano le varie fasi embrionali e la formazione di cellule, organi e tessuti differenziati

Biologia dello sviluppo

Generalmente lo sviluppo di un organismo pluricellulare inizia con una singola cellula (zigote) che si divide per mitosi dando origine a tutte le cellule del corpo. La biologia dello sviluppo studia tutti i processi di sviluppo (anche quelli embrionali), dalla cellula uovo fecondata fino alla nascita e oltre. L’embriologia è lo studio dello sviluppo degli animali durante quella fase della vita compresa fra la fecondazione e la nascita (segmentazione, gastrulazione, etc).

Obiettivi dello sviluppo

Lo sviluppo ha due obiettivi principali:

• Produce la diversità e l’organizzazione delle cellule in ogni generazione;
• Assicura la continuità della vita da una generazione all’altra.

Ex: Per capire gli obiettivi dello sviluppo analizziamo un ciclo vitale della rana leopardo. La gametogenesi e la fecondazione in molte rane sono eventi stagionali. Una combinazione di fotoperiodo e temperatura informa l'ipofisi della femmina della rana leopardo che è primavera. Gli ormoni prodotti da tale ghiandola stimolano l'ovaio a produrre gli estrogeni. Essi possono indurre il fegato a produrre le proteine del vitello che poi verranno trasportate dal sangue agli oociti. Il vitello in particolare è trasferito maggiormente nella parte inferiore dell'uovo che viene chiamata emisfero vegetativo. La metà superiore invece, che ne contiene di meno, viene chiamata emisfero animale.

Interviene anche un altro ormone, il progesterone, che si occupa di far ripartire la prima divisione meiotica nell'uovo. Una volta che essa è stata completata, l'uovo viene rilasciato. In alcune specie le uova sono contenute in un involucro gelatinoso che ne accresce le dimensioni e le protegge dai batteri.

I maschi producono gli spermatozoi in estate e in autunno per la primavera successiva. In molte specie la fecondazione è esterna ed avviene quando la femmina depone le uova. A quel punto può avvenire la seconda divisione meiotica e l'uovo acquisisce così un pronucleo aploide. In seguito si ha l'unione dei due pronuclei, il citoplasma dell'uovo si muove e acquisisce nuove posizioni ed infine vengono attivate le molecole necessarie per la segmentazione e il successivo sviluppo. Nella segmentazione il volume dell'uovo rimane lo stesso ma la cellula si divide in decine di migliaia di cellule ed in particolare l'emisfero animale si divide più velocemente di quello vegetativo. (uova mesolecitiche con segmentazione radiale ineguale). Nell'emisfero animale si forma una cavità piena di liquido che è chiamata blastocele.

Le divisioni sono così rapide perché in queste cellule la fase G1 e G2 del ciclo cellulare sono omesse. Poco prima che la segmentazione finisca vengono reintrodotte e il ciclo torna normale prima che inizi la gastrulazione. Tale fase si chiama mid-blastula transition. A questo punto si ha la gastrulazione, che ha inizio in un punto che è diametralmente opposto a quello dove si è avuto l'ingresso dello spermatozoo e si ha la comparsa di una fossetta detta blastoporo. Inizialmente si forma una piccola fessura e le cellule che migrano attraverso il labbro dorsale del blastoporo vanno verso il polo animale, esse formeranno il mesoderma dorsale. Il blastoporo si estende formando un solco circolare e le cellule che migrano attraverso i labbri ventrale e laterale formeranno il mesoderma ventrale e laterale. Le cellule che restano fuori formeranno l'ectoderma, che si estende verso il polo vegetativo racchiudendo tutto l'embrione.

Infine le cellule ricche di vitello che restano nel polo vegetativo diventeranno l'endoderma:

• Ectoderma: formerà epidermide e SN e si trova sulla superficie esterna;
• Endoderma: formerà l'intestino e si trova all'interno;
• Mesoderma: formerà sangue, scheletro, gonadi e reni e si trova tra i due strati precedenti.

Si hanno poi, la neurulazione in cui si forma il sistema nervoso, che inizialmente si presenta come un tubo con vescicole che poi si staccano, e l'organogenesi. L'organogenesi ha inizio quando la notocorda, un cordone di cellule del mesoderma che si trovano nella parte più dorsale dell'embrione, invia alle cellule che si trovano sopra di essa il messaggio che porta l'informazione necessaria per non farle diventare epidermide. Esse infatti formano un tubo che poi sarà il sistema nervoso. Siamo allo stadio di neurula. Piano piano si forma a partire da questi elementi il tubo neurale e le future cellule del dorso lo ricoprono. Le cellule che lo connettevano all'epidermide divengono le cellule della cresta neurale (che la si può quasi definire un quarto foglietto embrionale). In seguito il mesoderma vicino alla notocorda si segmenta e origina i somiti che sono i precursori dei muscoli del dorso, delle vertebre e del derma dorsale. L'embrione poi sviluppa un orifizio buccale e uno anale e si sviluppa nella forma di girino, che è lo stadio larvale. La metamorfosi è avviata da ormoni prodotti dalla tiroide.

La biologia dello sviluppo studia in che modo l’uovo fecondato da origine all’organismo adulto e in che modo questo organismo adulto genera ancora un altro organismo.

Discipline della biologia dello sviluppo

• Differenziamento cellulare: un’unica cellula, l’uovo fecondato, da origine a centinaia di tipi cellulari differenti (cellule muscolari, nervose, endocrine). Differenziamento dei tre foglietti cellulari ectoderma, mesoderma, endoderma.
• Morfogenesi: le cellule differenziate interagiscono fra di loro per formare cose più complesse formando tessuti ed organi. Gli organi che si formano sono disposti in un modo particolare (gli occhi sempre nel capo).
• Accrescimento: le cellule che si stanno dividendo hanno perfettamente presente quando smettere di farlo. La divisione cellulare è strettamente regolata.
• Riproduzione: lo spermatozoo e la cellula uovo sono cellule altamente specializzate; sono in grado di trasmettere da una generazione all’altra l’istruzione per produrre un nuovo organismo.
• Rigenerazione;
• Evoluzione: dipende da modificazioni ereditarie del loro sviluppo che sono quelle che garantisco all’embrione di sopravvivere mentre si sviluppa.
• Integrazione ambientale: lo sviluppo di molti organismi è influenzato da informazioni derivate dall’ambiente che circonda l’embrione (temperatura, disponibilità di cibo, fattori chimici).

Teorie dello sviluppo

Epigenesi

Aristotele: Teoria embriologica secondo la quale tutte le cellule (blastomeri) di un embrione precoce hanno simili potenzialità morfogenetiche e si differenziano gradualmente nei successivi stadi dello sviluppo. Egli individuò anche le due modalità di divisione cellulare con cui si formano gli embrioni:

• Oloblastica-la segmentazione: in cui l'intero uovo si divide in cellule più piccole, come nelle rane e nei mammiferi. È tipica di uova isolecitiche e si divide in: radiale, bilaterale e rotazionale;
• Meroblastica-la segmentazione: in cui solo una parte dell'uovo è destinata a diventare l'embrione e il resto, il tuorlo, fa da nutrimento. È tipica delle uova telolecitiche e si divide in bilaterale e discoidale e delle centrolecitiche dove è superficiale.

Preformismo

Malpighi: teoria avversa all'epigenesi, secondo la quale gli organi dell'embrione sono già presenti in miniatura nell'uovo. Nel 1672 pubblicò le prime osservazioni al microscopio sullo sviluppo dell’uovo di pollo, nelle quali furono identificati per la prima volta la doccia neurale (precursore del tubo neurale), i somiti (da cui derivano ad es. i muscoli), il primo sistema circolatorio. Appoggiò il preformismo, teoria secondo cui le diverse parti dell’embrione fossero preformate fin dal suo inizio e che divenissero soltanto più grandi con lo sviluppo. A sostegno del preformismo c’erano studiosi che sostenevano che l’embrione è già presente in miniatura nell’uovo o nello spermatozoo.

Teorie di Von Baer

Von Baer:

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

Rawles: dimostrò che i melanociti del pollo, cellule pigmentate, si originano nella cresta neurale.

Strutture omologhe e analoghe

Strutture omologhe: sono quegli organi la cui basilare somiglianza è data dall'essere derivati da una struttura ancestrale comune. Strutture analoghe: sono quelle la cui somiglianza deriva dallo svolgere una funzione simile.

Omologia embrionale:

• Cartilagine bronchiale dei pesci;
• Orecchio medio dei mammiferi;
• Mandibola dei rettili.

Scoperta dei foglietti embrionali

Pander: scoperta dei foglietti embrionali:

• Ectoderma o foglietto esterno, dà origine all'epidermide, forma l'encefalo e il sistema nervoso;
• Endoderma è il foglietto più interno, dà origine all'epitelio del tubo digerente e agli organi a esso associati;
• Mesoderma, si inserisce tra l'endoderma e l'ectoderma. Forma sangue, cuore, reni, gonadi, ossa, muscoli e tessuti connettivi.

Specificazione cellulare

Le cellule sono in grado di differenziarsi in modo autonomo se vengono poste in un ambiente neutro. Le modalità della specificazione cellulare sono quella autonoma, condizionata e sinciziale.

• Autonoma: La specificazione è una caratteristica di molti invertebrati, è la specificazione per acquisizione differenziale di certe molecole presenti nell’uovo. Dà origine a un modello di embriogenesi indicato come sviluppo a mosaico poiché l’embrione pare costruito come un mosaico di parti indipendenti che si differenziano in modo autonomo. In questi embrioni i determinanti morfogenetici sono localizzati in regioni differenti del citoplasma dell’uovo e vengono ripartiti tra le differenti cellule man mano che l’embrione si divide; questi determinanti morfogenetici (proteine o mRNA) specificano il tipo cellulare. Un esempio nell’embrione in stadio iniziale di un tunicato, in cui ciascun paio di blastomeri forma le strutture in cui avrebbe dato origine se fosse rimasto nell’embrione. Chabry osservò che in assenza di particolari blastomeri, la larva mancava proprio di quelle strutture che normalmente venivano formato da quelle cellule. Studi recenti hanno confermato ciò in embrioni di 8 blastomeri.
• Condizionata: La specificazione è caratteristica di tutti i vertebrati e di alcuni invertebrati e un tipo di specificazione mediante interazione cellulare; conferisce all’embrione la capacità di sviluppo regolativo (permette alla cellule di acquisire funzioni differenti). Un esempio è la blastula di Xenopus; ciò che una cellula diventa dipende dalla sua posizione nell’embrione, il suo destino è determinato dalle interazioni con le cellule vicine. Se si rimuovono alcune cellule dall’embrione, le cellule restanti possono attuare una regolazione e compensare la parte perduta.
• Esperimento di Roux: in cui si sosteneva che anche lo sviluppo degli anfibi fosse un esempio tipico di sviluppo a mosaico; utilizzò un embrione di rana alla prima divisione (2 blastomeri), con uno spillo rovente ne bucò una metà, senza però staccarla dall'altra. Quest'ultima si sviluppò dando origine a metà embrione, poiché percepiva la presenza dell'altro blastomero; questo vuol dire che non c'è comunicazione fra i vari blastomeri, perché se il blastomero morto fosse stato rimosso, il blastomero rimasto avrebbe potuto dar vita all'intero embrione.
• Esperimento di Dreisch: fece lo stesso esperimento nel riccio di mare i cui dimostrò che le cellule dell'embrione degli animali che presentano sviluppo regolativo sono totipotenti, cioè possono dare tutte le altre linee cellulari; infatti egli prese un embrione a 4 cellule (blastomeri) e separò le 4 cellule e ognuna delle 4 diede origine a una larva (pluteo). Questo però vale solo nei primissimi stadi di divisioni, infatti già nello stadio a 8 blastomeri non è più possibile ottenere larve dai singoli blastomeri. Il destino delle cellule può dipendere, non solo da cellule vicine, ma anche da concentrazioni differenti di molecole solubili secrete lontano dalle cellule bersaglio. Una molecola di questo tipo è un morfogeno, che può formare un gradiente di concentrazione e specificare (differenziare) più di un tipo cellulare.

Il destino delle cellule può dipendere non solo da cellule vicine, ma anche da concentrazioni differenti di molecole solubili secrete lontano dalle cellule bersaglio. Una molecola di questo tipo è un morfogeno, che può formare un gradiente di concentrazione e specificare più di un tipo cellulare. Perché una molecola diffusibile sia considerata un morfogeno si deve dimostrare che le cellule rispondono direttamente a tale molecola e che il differenziamento di quelle cellule dipende dalla concentrazione della molecola stessa.

• Esperimento di Gurdon: prevede un gradiente di activina che determina una differente espressione di geni nelle cellule dell’emisfero animale di Xenopus: brachyury a basse concentrazioni e goosecoid ad elevate concentrazioni. Questo modello è stato correlato al numero di recettori per l’activina occupati nelle singole cellule; esiste un valore soglia che determina se una cellula esprimerà il gene goosecoid, il gene brachyury o nessuno dei due.
• Sinciziale: Nella specificazione un esempio è la Drosophila, per preordinare le cellule al loro destino non si hanno interazioni tra cellule ma tra parti di un solo elemento cellulare. Le due proteine formano un sistema di coordinate basato sul loro rapporto, cosicché ogni regione dell’embrione è contraddistinta da un differente rapporto delle due proteine (bicoid e nanos). La Drosophila usa tutti e tre le modalità di specificazione per preordinare le sue cellule a destini particolari.

Induzione

Nel 1924, i due studiosi Hans Spemann e Hilde fecero degli esperimenti in cui prelevarono delle cellule dall'abbro dorsale del blastoporo e le trapiantarono in un altro organismo in via di sviluppo e osservarono la formazione di un altro asse corporeo e la formazione di gemelli siamesi.

Pax-6 è un gene presente nel genoma di molti animali, tra cui anche l'uomo, e trascrive per la proteina Pax-6 che è un fattore di trascrizione necessario e sufficiente per la formazione dell'occhio. Le funzioni della proteina Pax-6 sono altamente conservate nelle specie bilaterali, per esempio Pax-6 di topo, in Drosophila melanogaster, può indurre lo sviluppo oculare. Negli individui in cui è presente in singola copia si ha la formazione di occhi più piccoli, se mancano entrambi non si formano gli occhi.

Ricco di vitello: polo vegetativo; Polo povero di vitello: polo animale, il nucleo dello zigote è spesso spostato verso di esso.

Mappa del destino

Si prende l'embrione e si colorano le singole cellule o con coloranti vitali che non danneggiano lo sviluppo della cellula, o con il trizio marcato. Il metodo con il trizio prevede che l'embrione venga fatto crescere nel trizio, poi se ne preleva una cellula e la si trapianta in un altro embrione per seguirne lo sviluppo. Oggi si usano coloranti vitali fluorescenti o mRNA che codificano la GFP.

Mappa di specificazione

Ci dice se quelle cellule sono già specificate o meno. Si ottiene prelevando le cellule dall'embrione e facendole crescere in vitro. Poi dal confronto con l'altra mappa si può capire se danno origine alle stesse cellule o meno. Ad esempio le cellule del sistema nervoso, se prelevate, danno luogo all'epidermide.

Determinanti morfogenetici sono proteine o mRNA localizzati in differenti regioni del citoplasma dell'uovo e vengono ripartiti tra le differenti cellule mano a mano che l'embrione si divide.

Whittaker: fornì un'evidente conferma biochimica della segregazione citoplasmatica dei determinanti. Colorò i blastomeri che presentavano acetilcolinesterasi, che si trova nel tessuto muscolare, e rende i muscoli larvali in grado di rispondere a impulsi nervosi ripetuti. Era allora noto che solo un paio di blastomeri dell'embrione a 8 cellule è in grado di dare i muscoli della coda (semiluna gialla). Una volta asportate queste due cellule, esse formavano tessuto muscolare che si colorava per la presenza di acetilcolinesterasi. Allora egli trasferì un poco del citoplasma di queste cellule in quelle che dovevano produrre ectoderma di un embrione a 8 cellule e osservò che in queste ultime si aveva la normale produzione di ectoderma e di tessuto muscolare. Un altro esperimento che conferma questo fatto è quello in cui si prende un embrione allo stadio di 8 cellule e il terzo piano di divisione è equatoriale. Si usa un ago come se fosse una bacchetta e si adagia sui due blastomeri vegetativi al confine con la semiluna gialla e la parte vegetativa. Si applica una pressione e si fa in modo che il citoplasma giallo venga spinto verso zone più animali e si fa regredire il terzo solco di divisione. Grazie al fatto che non c'è più una netta divisione tra polo animale e vegetale.