Effetti fecondazione sull'ovocita, Embriologia

Effetti della fecondazione sull'ovocita – Parte 2

Attivazione dell'attività metabolica

Riprendiamo dal punto che ieri non era stato spiegato bene, in particolare quello che riguarda il punto 3: l'attivazione dell'attività metabolica (trascrizione e traduzione).

Nell'oocita sono conservati e accumulati durante l’oogenesi, oltre alle proteine necessarie per lo sviluppo dell'embrione, degli RNA messaggeri non tradotti durante l'oogenesi ma che verranno tradotti unicamente dalla fecondazione in poi.

Quindi quando avviene la fecondazione, grazie alle onde ritmiche di calcio, vengono attivati meccanismi che portano alla traduzione di questi RNA messaggeri. Ciò significa che durante le prime divisioni cellulari gran parte di quello che avviene è a carico dell'eredità materna: se la madre non ha messo nell'oocita tutto l’occorrente, le primissime fasi dell'embriogenesi non potranno avvenire correttamente.

Questo però si limita solo alle prime due divisioni. Nei libri di testo si trova che le prime due divisioni cellulari possono avvenire anche se noi blocchiamo con delle sostanze chimiche la trascrizione di nuovi geni. Infatti, gli RNA messaggeri sono già lì nell'oocita e sono quelli necessari per regolare il passaggio dalla meiosi al processo di mitosi. La mitosi, infine, darà il via allo stadio di cleavage, ovvero ad una serie di divisioni cellulari da cui poi arriveremo alla morula.

Il ruolo dell'eredità materna

In molti animali inferiori come i pesci e gli anfibi, l'eredità materna nell'embrione è molto importante perché l'embrione si può sviluppare per molto tempo unicamente basandosi sui trascritti ereditati dalla madre. Nel caso dei mammiferi invece questo non avviene.

Appena si formano i pronuclei paterno e materno, quindi appena la cromatina del nucleo dello spermatozoo è stata decondensata e riorganizzata e appena è finita la meiosi II del nucleo materno e quindi si forma il pronucleo materno, comincia la trascrizione dei primi geni che si chiamano zigotici, cioè del genoma dello zigote stesso.

La prima scelta differenziativa: massa cellulare interna o trofoblasto?

La prima scelta differenziativa di esprimere Cdx2 o Oct4 avviene già allo stadio di morula, prima di diventare blastocisti, ovvero quando avviene la compattazione. Già a questo stadio sono espressi entrambi i fattori in tutte le cellule.

Le cellule (in verde) che rimangono all'interno, cioè che non fanno giunzioni occludenti, stabilizzeranno la trascrizione di Oct4 e spegneranno la trascrizione di Cdx2.

Invece le cellule (in rosso) che fanno giunzioni occludenti e che si trovano all'esterno, stabilizzeranno la trascrizione di Cdx2 e non quella di Oct4.

Meccanismi di stabilizzazione cellulare

Sappiamo solo in parte quali sono i meccanismi per cui le cellule che stanno fuori sanno di trovarsi fuori e le cellule che stanno dentro sanno di trovarsi dentro. Il meccanismo ultimo tramite il quale le cellule sanno dove stanno non è ancora noto, dobbiamo ancora capire bene perché e come viene stabilita questa prima asimmetria nell'embrione.

Sicuramente questo metodo di generare asimmetria è molto rapido e dallo stadio di 8 cellule (cioè da morula che ha fatto compattazione) allo stadio di 16/32 cellule (quindi più o meno due divisioni che durano un po' più di due giorni), si arriva ad una struttura: la blastocisti.

Nella blastocisti individuiamo già i primi due tessuti embrionali in cui le due popolazioni cellulari hanno destini completamente diversi e irreversibili, cioè presentano incapacità di ritornare indietro.

Nella blastocisti si identificano la massa cellulare interna e il trofoblasto, che sta in questo rettangolo rosa che indica i tessuti extraembrionali.

• Il trofoblasto formerà il citotrofoblasto e poi il sinciziotrofoblasto e quindi giocherà un ruolo molto importante nel formare la placenta, prendendo rapporto con l'utero.
• La massa cellulare interna invece formerà l'epiblasto, che è il tessuto embrionale da cui originano gli altri tessuti che formeranno il corpo del feto propriamente detto: ectoderma, mesoderma ed endoderma.

La massa cellulare interna e il trofoblasto stesso contribuiscono a formare anche parte dei tessuti extraembrionali a diverse fasi dello sviluppo. Nella blastocisti questi due tessuti, come in qualunque altro stadio dello sviluppo, comunicano tra loro in modo che lo sviluppo avvenga in maniera coordinata.

Fattore di crescita Fgf4

Uno dei modi con cui lo sviluppo della massa cellulare interna si assicura che il trofoblasto proliferi è quello di produrre un fattore di crescita: Fgf4, che è il fattore di crescita dei fibroblasti. Fgf4 è una proteina secreta che viene trascritta in risposta a TTYUGT.

Questa proteina viene quindi prodotta dalle cellule della massa cellulare interna, viene secreta all'esterno e trova il suo recettore sulle cellule del trofoblasto che rispondono a Fgf4 proliferando.

Staminalità e potenziale differenziativo

Non potremo parlare di staminalità e di pluripotenza se prima non parlassimo di come si controlla l'espressione genica.

Esistono due modi fondamentali per regolare la trascrizione di un gene:

• Uno è avere un fattore di trascrizione, Oct4, che si siede sul promotore, ovvero sulla regione di DNA che precede la regione codificante di quel gene, recluta la polimerasi che è l'enzima che produce l'RNA messaggero. È necessario che ci sia questo fattore di trascrizione.
• La trascrizione del gene può partire o no a seconda dello stato in cui si trova la cromatina di quel gene. La cromatina può essere in uno stato che permette la trascrizione o in uno stato che non la permette. Quindi può essere che sia presente il gene ed il fattore di trascrizione ma, in locus, la parte di RNA che contiene quel gene può non essere accessibile, in maniera più o meno stabile.

Da questo si parla di controllo epigenetico di espressione genica. Per controllo epigenetico si intende che l'espressione di un certo gene può essere proibita o permessa, e questo stato di trascrizione o non trascrizione è ereditabile attraverso la mitosi, quindi se faccio un ciclo di mitosi le cellule figlie ereditano la possibilità di trascrivere o no quel gene.

Vi faccio un esempio: Le nostre cellule hanno appena scelto se diventare massa cellulare interna ed esprimere Oct4 o diventare trofoblasto ed esprimere Cdx2. Se ho scelto di esprimere Oct4 non voglio più esprimere Cdx2 ed una delle prime cose che farò è cambiare la cromatina del gene di Cdx2 in modo che, anche se ci fossero dei segnali in grado di attivare quel gene, non potrebbero farlo perché da quel momento le cellule della massa cellulare interna e tutte quelle che da questa derivano hanno chiuso il locus per Cdx2.

Modifiche epigenetiche

Il modo principale in cui avviene una delle modificazioni che assicurano questo silenziamento/regolazione di geni, ereditabile attraverso la replicazione del DNA, è la metilazione delle citosine. In un certo momento della vita cellulare, il DNA viene metilato e durante la replicazione del DNA, cioè durante la fase S questa metilazione viene copiata sul filamento neoformato. Ed è questo il meccanismo che assicura che le cellule figlie ereditino la metilazione e quindi eventualmente la regolazione di quel gene.

Se andiamo a vedere lo stato di metilazione del nostro genoma, si può capire quanto una cellula sia in grado di accedere a tutti i geni che sono scritti nel nostro genoma e quanto invece questo non è possibile. In maniera molto semplicistica possiamo immaginare che più una cellula è differenziata più il suo genoma sarà metilato.

Immaginate infatti l'oogonio che deve fare l'oocita, per fare questo ha bisogno unicamente dei geni per fare l'oocita. Non avrà quindi bisogno dei geni per fare il cheratinocita, l'osteoclasto o le cellule del sangue e allora tutti questi programmi genici alternativi possono esser silenziati e le regioni geniche saranno metilate.

Questo si trova proprio perché le sequenze CpG che sono delle sequenze ripetute che sono metilate, nei mammiferi molto spesso si trovano proprio nelle regioni dei promotori dei geni, proprio ad indicare che c'è stata una selezione per avere delle specie di interruttori all'interno dei promotori e poter quindi decidere se spegnere per sempre un gene o lasciarlo acceso.

La modifica della metilazione del DNA nello sviluppo pre-impianto

Vi ho appena detto che l'oogonio fa solo l'oocita e che lo spermatogonio fa solo lo spermatozoo, quindi si tratta di cellule monopotenti che possono fare una sola cosa e nient'altro. Però queste cellule altamente specializzate e differenziate, una volta messe insieme, possono invece far tutto, perché lo zigote è in grado di fare tessuti extraembrionali, tessuti embrionali e formare il feto completo.

Come è possibile allora che le cellule che avevamo prima non potevano praticamente accedere a nessun programma genetico per fare differenziamento e lo zigote invece è in grado eventualmente di accedere a qualunque programma genetico per fare tutti i tessuti possibili?

Quello che si osserva è quanto vedete dal grafico: nella prima zona abbiamo le cellule germinali primordiali e poi abbiamo le cellule embrionali. Le linee indicano quanta metilazione abbiamo nelle nostre cellule. Le cellule germinative, come vedete, hanno già un buon livello di metilazione perché si sono già differenziate. Quando entrano nelle gonadi cominciano il loro differenziamento...