Biologia riproduzione

Biologia della riproduzione

Obiettivo del corso

Analizzare i meccanismi cellulari/molecolari che regolano lo sviluppo ed il differenziamento delle cellule germinali.

Storia dello sviluppo delle cellule germinali

• Specificazione o determinazione
• Migrazione/proliferazione
• Differenziamento sessuale
• Gametogenesi

La riproduzione non è necessaria per la sopravvivenza dell’individuo, ma lo è per la sopravvivenza della specie. La specie senza riproduzione non sopravvive, mentre l’individuo sì. Il concetto di riproduzione è diversificato da quello di sessualità. Riproduzione significa generazione di uno o più individui da uno o più preesistenti. La sessualità invece implica invece uno scambio di materiale genetico tra individui. Questo serve per dare la variabilità genetica.

Dalla fusione di queste due nascono le due differenti modalità riproduttive: quella asessuata e quella sessuata. La riproduzione asessuata è quella di tipo agamico ovvero, che si compie in assenza di gameti. I gameti sono cellule altamente differenziate, specializzate unicamente alla riproduzione. La riproduzione agamica è conosciuta anche come “vegetativa” perché fu caratterizzata per prima nelle piante. Essa si compie a partire da un individuo, che è detto parentale (individuo che genera), e da esso si compiono solo delle divisioni mitotiche che generano altre cellule che sono identiche geneticamente alla cellula madre.

L’individuo prodotto in questo modo è geneticamente uguale all’individuo preesistente (a meno di mutazioni per errore nel ciclo mitotico o indotte dall’ambiente con fattori chimici o fisici). Questo tipo di riproduzione si compie quasi esclusivamente in individui unicellulari: si ha la fissione o la scissione dei lieviti, la gemmazione in Saccaromyces cerevisiae o negli Hydra, e la rigenerazione nei vermi piatti (platelminti come le planarie). I vantaggi di questo tipo di riproduzione sono rappresentati dall’elevato numero di discendenti, dal fatto che non richiede spese energetiche (né per la ricerca del partner, né per l’accoppiamento) e la produzione di organismi in tempi brevi (rapida). Il grande svantaggio è ovviamente l’assenza di variabilità genetica.

Tipi di riproduzione asessuata

• Scissione: in Saccaromices pombe ad esempio. La cellula madre si divide per mitosi, si forma un solco di divisione e si formano due cellule figlie.
• Gemmazione: in S. cerevisiae ad esempio. Si forma una piccola gemma che si sviluppa e si accresce per formare un individuo geneticamente uguale a quello di partenza. La nuova cellula poi si stacca dalla cellula madre. In Hydra (è un genere di cnidari idrozoi appartenente alla famiglia Hydridae, conosciuti nel complesso col nome comune di "idra". Per le sue particolarità zoologiche (simmetria radiale, alta capacità di rigenerazione) è considerata un organismo modello): si forma una piccola gemma che si sviluppa gradualmente in una piccola Hydra. Come tutte le gemme, si stacca e andrà a colonizzare altri spazi.
• Rigenerazione bidirezionale della planaria che ha straordinaria capacità rigenerativa. In abbondanza di cibo si divide frammentandosi. Si dice bidirezionale perché ogni parte che si origina rigenera le parti mancanti riformando un intero organismo. Essa presenta i blastemi rigenerativi: sono le zone di accrescimento della zona mancante che si deve accrescere.

Paramecio: I parameci sono protisti unicellulari che, generalmente, si riproducono in modo asessuato per scissione. Essi hanno una riproduzione asessuata atipica: in condizioni ambientali idonee possono scambiare materiale genetico tramite coniugazione. Si ha in particolare l’introduzione di materiale genetico nella cellula giustapposta all’altra. È una riproduzione atipica, che di fatto non è nemmeno una riproduzione perché non si aumenta il numero di individui ma aumenta la variabilità genetica.

Riproduzione sessuata

La riproduzione sessuata è invece l’oggetto del nostro studio. È detta anche gamica o anfigonica. Gamica per la presenza di gameti grazie ai quali funziona. Anfigonica perché i gameti derivano dalle gonadi, che sono genere-specifiche: maschili che producono gameti maschili o spermatozoi e femminili che producono gameti femminili o cellule uovo. Con questa modalità riproduttiva si ha la creazione di variabilità genetica, fatto che è chiaramente un vantaggio. Lo svantaggio in questo caso è che il numero di discendenti è minore e si hanno grandi costi energetici sia da parte della cellula stessa che dell’organismo per la ricerca del partner e della nicchia ecologica.

Gametogenesi

Gameti: si ritrovano ovviamente solo in un organismo pluricellulare. Si originano dalla gametogenesi che ha come caratteristica la divisione meiotica. La meiosi la dobbiamo sapere bene.

Meiosi

La meiosi si verifica solo dove si ha la riproduzione sessuata, riduce il numero di cromosomi rendendo la cellula da diploide a aploide. Essa è una divisione, un processo cellulare fatto di due divisioni cellulari consecutive a partire da un evento di duplicazione del DNA. Una cellula della linea germinale è in grado di effettuare la meiosi. La prima divisione della meiosi è detta anche divisione riduzionale perché dimezza il contenuto allelico, ma non quello “numerico”, quantitativo di quel determinato gene. Le cellule che ne derivano hanno un contenuto ancora 2N dal punto di vista della quantità del DNA, ma avranno di un gene solo l’allele paterno o solo quello materno (ha ancora il doppio di tutto ma non ha più le due diverse copie alleliche). A questo punto si ha la seconda divisione meiotica detta anche equazionale perché divide il tutto in due. Il periodo di tempo maggiore all’interno della meiosi viene occupato dalla prima divisione perché questa consta della prima fase, la profase I, all’interno della quale avviene il crossing over. Questo è un processo complesso che richiede un po’ di più di tempo. Le 4 cellule aploidi generate avranno 4 versioni alternative dello stesso gene. La meiosi quindi genera variabilità genetica.

La meiosi è correlata alla gametogenesi. In una situazione riproduttiva anfigonica la meiosi si verifica in gonadi diverse. La gametogenesi che genera cellule germinali maschili si chiama spermatogenesi mentre quella che genera le cellule germinali femminili si chiama ovogenesi.

Le gonadi in cui avvengono sono rispettivamente il testicolo e l’ovario. Durante la spermatogenesi si parte da un singolo spermatogonio (diploide) raddoppia il proprio DNA. Ha così un contenuto tetraploide. Questa cellula a questo punto decide di entrare in meiosi (committed alla meiosi) e prende il nome di spermatocita primario (detto così perché entra nella prima divisione meiotica). Questa è ancora una cellula di partenza di tipo 2N. Il tipo cellulare vero e proprio che entra in meiosi non è lo spermatogonio ma lo spermatocita primario. Lo spermatogonio si divide per mitosi e da essa si origina lo spermatocita primario.

Il testicolo contiene le cellule germinali di tipo diploide ovvero gli spermatogoni che si dividono per mitosi. La prima divisione è quella riduzionale che origina cellule ancora 2N, detti spermatociti secondari che devono ancora intraprendere la seconda divisione meiotica, ovvero quella che li renderà vere e proprie cellule aploidi. Le cellule aploidi che si originano sono dette spermatidi. Questi devono ancora subire la spermiogenesi o spermiostogenesi, il processo di differenziamento cellulare che li trasformerà in spermatozoi. Il rapporto è 1 spermatocita primario (o 1 spermatogonio) origina 4 cellule aploidi.

L’ovogenesi condivide alcune caratteristiche con il processo appena descritto e avviene nell’ovario. L’ovario contiene gli ovogoni (analoghi spermatogoni), che sono cellule diploidi in grado di dividersi per mitosi, ma smettono tale divisione molto precocemente (durante la vita embrionale/fetale, intorno al terzo quarto mese). Possono andare incontro a mitosi o anche a necrosi detta anche atresia cellulare. L’ovogonio si differenzia in ovocita primario che è quello che intraprende la prima divisione meiotica, generando 2 cellule che sono 1 ovocita secondario, con caratteristiche analoghe allo spermatocita secondario (per il contenuto in DNA) e 1 globulo polare (il primo dei 3 che si formeranno). Quest’ultimo completa la divisione meiotica intraprendendo la seconda divisione meiotica originandone altri due. L’ovocita secondario si divide anch’esso e origina una cellula uovo e un altro globulo polare secondario. Alla fine del processo di ovogenesi avremo da 1 ovogonio 1 cellula uovo e 3 globuli polari secondari (questi ultimi degenerano, vanno in atresia). Il significato evolutivo di questa differenza è che la cellula uovo dovrà contenere un grande contenuto informazionale che per lo più è incluso nel suo citoplasma. Conterrà inoltre molte proteine e molti organelli. Lo zigote (embrione al tempo 0) dovrà sostenersi grazie al contenuto della cellula uovo almeno inizialmente (fino a che non è attivato il programma di differenziazione dello zigote). Prima di quella fase l’embrione si avvale delle proteine trasmesse dalla madre.

Mid blastula transition

Momento in cui l’embrione smette di avvalersi di proteine e di trascritti trasmessi dalla madre attraverso la cellula uovo e ne produce di propri. La riproduzione sessuata è anfigonica. In realtà di riproduzione anfigonica ce ne sono anche altri esempi con modalità definita atipicamente sessuata. Un primo caso è dato dalla partenogenesi (definita sessuata perché si avvale della presenza di gameti ma non si ha lo scambio di patrimonio genetico. I gameti derivano infatti da un solo genere). La partenogenesi si avvale solo dello sviluppo dei gameti femminili che in questo caso non hanno bisogno di fecondazione. Un altro esempio è la ginogenesi, che è simile alla partenogenesi in cui si ha l’attivazione da parte di uno spermatozoo. Nella partenogenesi tale attivazione è autonoma mentre in questo caso è necessario lo spermatozoo per l’attivazione (lo spermatozoo però non rilascia il suo pronucleo).

Infine si ha l’ibridogenesi che è un processo riproduttivo raro con meccanismi molecolari ancora irrisolti. Esso si compie solo in alcuni insetti e in solo due casi nei vertebrati. Non è specie specifico perché essendo ibrido coinvolge più specie. Sono ibridi particolari perché in grado di riprodursi con successo (ibridi ibridogenetici, detto così perché sono in grado di riprodursi). Questi complessi vengono definiti clepto specie (specie nascoste) e sono alcune specie di pesci (Poeciopsis) e nelle rane verdi (rane di acqua dolce). I complessi ibridogenetici sono definiti anche felophilya klepton. Vediamo un esempio con le rane verdi P. lessonae e P. ridibundus. Durante il processo di ibridazione primaria si forma il primo ibrido ovvero perofilia klepton esculentus (perché detiene in sé il genoma di ridibundus solo nella linea germinale). Questa ha la caratteristica di contenere nella linea somatica i genomi di entrambe le specie che lo hanno originato mentre nella linea germinale si hanno due meccanismi, uno di esclusione di uno dei due genomi e l’endoreduplicazione del genoma rimante. In questo caso la linea germinale detiene alla fine solo il genoma di P. ridibundus. Questi ibridi sono in grado di produrre ibridi in grado di riprodursi.

L’ibrido si chiama klepton perché nella linea germinale ha solo uno dei due genomi, quello di ridibunda. L’ibrido in genere non si accoppia con altri ibridi. In alcuni complessi l’ibrido preferisce accoppiarsi con ridibunda e altri con lessone, in ogni caso rigenerandosi (per rigenerarsi spesso deve accoppiarsi con le specie parentali, è per questo detto anche specie parassita). Dei meccanismi molecolari si conosce solo che nelle cellule germinali prima della meiosi si ha l’esclusione di una delle due specie e poi l’endoreduplicazione del genoma rimasto.

• Esclusione pre-meiotica del genoma lessonae
• Endoreduplicazione del genoma ridibunda

Gonade

Quanti tipi di gonade si conoscono? Nel caso analizzato finora ci sono solo gonadi maschili e femminili e si parla di gonocorismo. Ci sono però anche casi in cui le due gonadi sono presenti contemporaneamente e in quel caso si parla di intersessualità. Uno di questi casi è quello dell’ermafroditismo. In questo caso si parla di compresenza di caratteri sessuali primari (le gonadi). Si può parlare di intersessualità anche quando in uno stesso individuo sono presenti caratteri sessuali secondari di entrambi i generi. In quel caso si parla di ginandromorfismo.

Nei molluschi si ha la compresenza di entrambe le gonadi e si parla di ermafroditismo istantaneo o simultaneo perché, per esempio nella chiocciola, si ha la compresenza di entrambe le gonadi e si parla perciò di ovotestis. L’ermafroditismo può essere determinato da fattori ambientali (alcuni erbicidi nelle acque determinano l’ermafroditismo in rane e in alcuni pesci) ma può essere anche una caratteristica nativa. L’ermafroditismo può essere anche sequenziale detto anche inversione del sesso (che si osserva nell’orata, un pesce teleosteo). Si ha una prima fase maschile, poi una fase transitoria in cui si sviluppa anche un ovario poi il testicolo degenera e si ha così una fase femminile.

Produzione di gameti

Quando e come vengono prodotti i gameti? Negli organismi pluricellulari quando avviene la divisione tra cellule somatiche e germinali? E come? È un interrogativo oggetto di ricerca. Si parla di specificazione e di determinazione che sono il momento topico in cui la cellula germinale acquisisce la sua identità germinale. La cellula somatica diviene committed verso un destino germinale. Si parla di PGC (primordial germ cells) che sono quelle già committed e hanno il destino specifico: origineranno in un processo multistep esclusivamente gameti. Esse originano da cellule multipotenti dette pPGC, ovvero cellula germinale primordiale presuntiva. Sono dette così perché possono ancora generare cellule somatiche tramite divisione asimmetrica.

Il momento in cui avviene la separazione tra le due linee, germinale e somatica, può realizzarsi in diversi modi: la linea germinale segrega dalla somatica durante l’embriogenesi, ovvero le prime PGC si originano quindi molto precocemente durante le fasi embriogenetiche; oppure la linea germinale può segregare dalla somatica durante le fasi post-embriogenesi (anche nella vita adulta).

Noi ci concentreremo su organismi modello che hanno tale differenziazione durante l’embriogenesi. Quindi i vari step saranno:

• Un primo step di specificazione o determinazione
• A cui seguirà lo step di migrazione,
• Il differenziamento sessuale
• Il differenziamento cellulare (questi ultimi due vanno piuttosto in parallelo e possono essere o maschio-specifico o femmina-specifico).

Specificazione

La specificazione (siamo a livello della PGC) avviene con due modalità: il preformismo e l’epigenesi. Gli organismi che usano il primo metodo hanno la trasmissione di determinanti germinali che vengono ereditati per via materna. Gli organismi che usano la modalità epigenetica non hanno un pacchetto informazionale che viene ereditato ma si ha una nicchia di formazione della linea germinale che risente dell’ambiente circonstante (per esempio le cellule vicine, motivo per cui è anche detta modalità induttiva) e dei cambiamenti epigenetici che avvengono nelle PGC.

Da un punto di vista filogenetico si può vedere che negli organismi prevale la modalità epigenetica. Questo potrebbe indurci a pensare che sia la modalità più ancestrale di cui le specie si avvalgono principalmente e che quindi ha avuto un maggior successo evolutivo. Questo sarebbe in contraddizione a teorie precedenti che davano l’altra modalità come ancestrale. La questione è dibattuta e ancora aperta.

Modalità preformistica

La modalità di riproduzione sessuata si avvale dei gameti. Della riproduzione sessuata si conoscono a tutt’oggi due modalità di esecuzione, di cui una è quella preformistica. Questa è considerata dai primi biologi dello sviluppo una delle modalità prevalenti. Più recentemente si è iniziato a credere che la maggior parte degli organismi con riproduzione sessuata usino quella epigenetica. Questa è l’ipotesi più recente e supportata da più dati.

La modalità preformistica si svolge attraverso la trasmissione del plasma germinale per via materna. Esso viene prodotto durante l’ovogenesi. Tutto quindi risiede nella cellula uovo. L’identità germinale viene acquisita, in modo autonomo, attraverso l’eredità di ‘determinanti’ o componenti citoplasmatici (comprendenti mRNA e proteine), prodotti e accumulati nell’ovocita e trasmessi per via materna all’embrione. La modalità preformistica avviene in modo cell autonomous perché l’informazione è detenuta nello zigote, ovvero lo zigote ha già tutte le informazioni per lo sviluppo delle cellule germinali.

Il plasma germinale fu identificato nel 1910. In questo periodo un microscopista (scienziato) osservava un organismo modello: il nematode. Il nematode usato era Parascaris o Ascaris, un verme cilindrico, piccolo, con riproduzione facile anche in laboratorio e che aveva due soli cromosomi per cellula aploide. Aveva anche un’altra particolarità: lo zigote si divide secondo un piano equatoriale in 2 cellule definite cellule P.