Riassunto esame Biologia dello Sviluppo, prof. Moreno, libro consigliato Biologia dello Sviluppo di Gilbert

Fecondazione esterna nel riccio di mare

Attrazione degli spermatozoi: azione a distanza

La motilità è acquisita quando gli spermatozoi vengono liberati nell’acqua di mare. Una volta diffusi, il pH spermatico diventa 7,6 con l’attivazione di ATPasi dineinica. La scissione di ATP fornisce energia per il movimento dei flagelli, ma la capacità di movimento non fornisce allo spermatozoo indicazioni sulla direzione da seguire. Tale direzione è indicata da Resact, un peptide che nell’acqua diffonde rapidamente (specifico per A. punctulata). Gli spermatozoi di A. punctulata sulla membrana cellulare espongono recettori che legano resact. Quando avviene il legame, si innesca un’attività che induce lo spermatozoo a produrre più GMP ciclico (composto in grado di attivare un canale calcio), consentendo un afflusso di ioni calcio dall’acqua dentro lo spermatozoo, fornendo così un’informazione direzionale. Resact agisce anche come peptide attivatore degli spermatozoi, causando importanti e immediati incrementi della respirazione mitocondriale e della motilità spermatica. Conclusione: dopo l’incontro con resact, gli spermatozoi di Arbacia sono istruiti sulla loro destinazione finale e viene dato loro un motivo valido per recarsi lì.

Reazione acrosomale: seconda interazione tra spermatozoo e involucro gelatinoso dell’uovo

In molti invertebrati marini, la reazione acrosomale ha due componenti: fusione della vescicola acrosomale con la membrana cellulare dello spermatozoo e formazione del processo acrosomale. Nel riccio di mare è avviata dal contatto dello spermatozoo con l’involucro gelatinoso dell’uovo, che causa l’esocitosi della vescicola acrosomale dello spermatozoo e la liberazione di enzimi proteolitici che scavano un percorso attraverso lo strato gelatinoso fino alla superficie dell’uovo. Una volta che lo sperma raggiunge la superficie dell’uovo, il processo acrosomale aderisce alla membrana vitellina dell’uovo e attacca lo spermatozoo all’uovo. La reazione acrosomale è attivata dalle interazioni della membrana cellulare dello spermatozoo con uno zucchero della gelatina dell’uovo, che lega specifici recettori localizzati sulla membrana cellulare dello spermatozoo al di sopra della vescicola acrosomale. I carboidrati dello strato gelatinoso non sono in grado di attivare la reazione anche in specie relativamente vicine.

Riconoscimento del rivestimento extracellulare dell’uovo

Il contatto degli spermatozoi con il rivestimento gelatinoso dell’uovo costituisce la prima tappa del riconoscimento specie-specifico. Un altro importante legame specie-specifico deve aver luogo quando lo spermatozoo del riccio di mare ha attraversato lo strato gelatinoso e il processo acrosomale dello spermatozoo prende contatto con la superficie dell’uovo. La proteina acrosomale che nei ricci di mare media questo riconoscimento prende il nome di bindina, capace di legarsi alle uova della stessa specie deprivate dello strato gelatinoso. È specificamente localizzata nel processo acrosomale per consentire il riconoscimento tra spermatozoo e uovo, e questo implica l’esistenza di recettori specie-specifici della bindina sulla membrana vitellina dell’uovo. Il legame degli spermatozoi non avviene sull’intera superficie dell’uovo. Anche con un numero di spermatozoi che arrivi a saturazione, sulla superficie dell’uovo rimane spazio per altre teste di spermatozoi, ciò comporta la presenza di un numero limitante di siti legame degli spermatozoi. EBR1 è una glicoproteina che presenta proprietà di un recettore della bindina, tali recettori sono aggregati in complessi sulla membrana vitellina. Il recettore per la bindina spermatica sulla membrana vitellina sembra saper riconoscere porzioni della proteina bindina in modo specie-specifico. Pertanto, il riconoscimento specie-specifico dei gameti di riccio di mare avviene al livello della chemoattrazione degli spermatozoi, della loro attivazione, della loro reazione acrosomale e della loro adesione alla superficie dell’uovo.

Fusione delle membrane cellulari dell’uovo e dello spermatozoo

La fusione della membrana cellulare dello spermatozoo con la membrana cellulare dell’uovo può avere inizio una volta che lo spermatozoo ha compiuto il suo percorso fino all’uovo e ha attuato la reazione acrosomale. La fusione dello spermatozoo con l’uovo provoca nell’uovo la polimerizzazione dell’actina per formare un cono di fecondazione, creando omologia tra uovo e spermatozoo, in quanto anche il processo acrosomale dello spermatozoo si forma per polimerizzazione dell’actina. L’actina di entrambi i gameti forma una connessione che amplia il ponte citoplasmatico tra l’uovo e lo spermatozoo consentendo così il passaggio attraverso questo ponte del nucleo e della coda dello spermatozoo. Nel riccio di mare, tutte le regioni della membrana cellulare dell’uovo sono in grado di fondersi con lo spermatozoo. La fusione è un processo attivo che spesso è mediato da proteine “fusogeniche” (la bindina svolge un ulteriore ruolo come proteina di fusione, e nelle condizioni che si ritrovano nell’uovo maturo non fecondato può indurre la fusione tra le membrane di uovo e spermatozoo).

Il blocco rapido della polispermia

Nel riccio di mare, la fecondazione da parte di due spermatozoi ha come risultato un nucleo triploide, nel quale ogni cromosoma è rappresentato tre volte anziché due. Le specie hanno evoluto dei meccanismi che impediscono l’unione di più di due nuclei aploidi. Il riccio di mare ha due meccanismi per evitare la polispermia: una reazione rapida, grazie a una modificazione delle proprietà elettriche della membrana cellulare dell’uovo, e una reazione più lenta, dovuta all’esocitosi dei granuli corticali.

Blocco rapido

Avviene grazie a variazioni del potenziale elettrico della membrana cellulare dell’uovo. La membrana costituisce una barriera selettiva tra il citoplasma dell’uovo e l’ambiente esterno, in modo che la concentrazione di ioni nell’uovo differisce grandemente da quella del mezzo in cui è immerso. L’acqua di mare ha una concentrazione di ioni sodio elevata mentre nel citoplasma dell’uovo il sodio è poco. Per gli ioni potassio è vero il contrario. Queste differenze di concentrazione vengono mantenute dalla membrana cellulare, che inibisce costantemente l’ingresso di ioni sodio nell’oocita e impedisce la fuoriuscita di ioni potassio.

Blocco lento

Il blocco rapido della polispermia è un evento transitorio, poiché il potenziale di membrana dell’uovo di riccio di mare rimane positivo per un minuto soltanto. Non è sufficiente a impedire in modo permanente la polispermia, che può ancora verificarsi se gli spermatozoi legati alla membrana vitellina non vengono in qualche modo rimossi. Tale rimozione avviene mediante la reazione dei granuli corticali, con un blocco meccanico che diviene attivo circa un minuto dopo la fusione del primo spermatozoo con l’uovo.

Nel riccio di mare, al di sotto della membrana cellulare ci sono granuli corticali che, quando entra lo spermatozoo, si fondono con la membrana cellulare dell’uovo e liberano il loro contenuto nello spazio tra la membrana cellulare e la trama fibrosa delle proteine della membrana vitellina. Una proteasi simile alla tripsina rompe le interazioni proteiche esistenti tra la membrana vitellina e la membrana cellulare e stacca i recettori della bindina con tutti gli spermatozoi ad essi legati. I componenti dei granuli corticali si legano alla membrana vitellina per formare la membrana di fecondazione. La membrana di fecondazione è separata dalla membrana cellulare tramite GAG rilasciati dai granuli corticali. I GAG sono viscosi e assorbono l’acqua per espandere lo spazio tra la membrana cellulare e la membrana di fecondazione, così che quest’ultima si allontana radialmente dall’uovo. La membrana di fecondazione comincia a formarsi nel punto d’ingresso dello spermatozoo e continua a estendersi attorno all’uovo.