Embriologia

Embriologia

Per parlare di embriologia bisogna iniziare ad analizzare il ciclo vitale di un organismo. In particolar modo prendiamo in considerazione gli anfibi, perché rappresentano un modello che è stato utilizzato dagli embriologi sin dall’inizio del secolo scorso in quanto gli oociti sono facilmente manipolabili e potendoli manipolare si può intervenire indirizzando in qualche modo lo sviluppo dell’organismo stesso. Si tratta di un modello acquatico, che quindi permette di capire come gli organismi possono svilupparsi in un ambiente acquatico e quali strategie devono mettere in atto per un successo riproduttivo.

Un altro modello è quello degli uccelli, che hanno un uovo molto più voluminoso di quello degli anfibi e presentano gastrulazione e altre fasi dell’organogenesi che sono paragonabili a quelle dei mammiferi.

Ciclo vitale e riproduzione

Il ciclo vitale di questi modelli si avvale di una riproduzione sessuata, ovvero si avvale di due organismi, uno maschile e uno femminile, entrambi fanno gametogenesi (quindi produzione di gameti con morfologia e caratteristiche molto peculiari, diversi gli uni dagli altri), e i gameti sono le uniche due cellule capaci di costituire lo zigote: nel momento in cui l’oocita viene fecondato, ovvero c’è il ripristino di una diploidia (perché i gameti in sé sono aploidi, ovvero hanno patrimonio genetico dimezzato), non si parla più di spermatozoo o cellula uovo singolarmente, ma si parla di zigote.

Lo zigote quindi è una sola cellula, ma gli organismi che prendiamo in considerazione sono organismi pluricellulari; la prima tappa è quindi quella della segmentazione (= tappa dello sviluppo caratterizzata da particolari divisioni mitotiche). La segmentazione ha lo scopo ben preciso di far passare l’organismo da uno stadio di unicellularità ad uno stadio di pluricellularità, anche se queste cellule non sono mai uguali, ma hanno diverse peculiarità e potenzialità già inizialmente, ed è in questa prima fase dello sviluppo che comincia a manifestarsi un programma che era insito nello zigote.

Alla fine della segmentazione si ritrova una struttura sferica, la blastula, costituita da tante cellule che dovranno cominciare ad acquisire una posizione ben precisa. Alla segmentazione segue quindi la gastrulazione, che è caratterizzata da spostamenti di cellule, gruppi di cellule che si spostano per acquisire un destino posizionale ben preciso: questo movimento porta alla formazione, a gastrula matura, dei 3 foglietti embrionali, ectoderma, mesoderma ed endoderma, da questi 3 foglietti embrionali poi avrà inizio il processo di organogenesi. Nel momento in cui avviene la gastrulazione e l’embrione è fatto da questi 3 foglietti embrionali, automaticamente si innesca il processo di organogenesi.

Neurulazione e assi embrionali

La prima attività, segno di un’organogenesi che sta per iniziare, è la neurulazione, ovvero la formazione del tubo neurale, una struttura molto semplice, ma che è il preludio del nostro sistema nervoso, che diventerà poi un sistema molto raffinato. Alla fine della gastrulazione l’embrione ha ancora una struttura sferica e dimensionalmente la gastrula non è molto diversa dalla blastula e dallo zigote: da una cellula se ne formano tante, ma non c’è un aumento di volume.

(La mitosi è un processo di divisione che parte da una cellula, questa cellula compie il suo ciclo vitale e dà origine a 2 cellule perfettamente identiche alla cellula di partenza, identiche in tutto: dimensioni, morfologia, contenuto di organelli cellulari. In questo caso però tutto ciò non viene rispettato: nel primo evento di segmentazione si ha la formazione di 2 cellule, ognuna delle quali è detta blastomero, ma ogni blastomero non è grande quanto la cellula che lo ha preceduto, è esattamente la metà. La segmentazione procede a dividere, quindi si tratta di una mitosi molto particolare perché manca delle fasi G1 e G2, ma è costituita solo da fase S e fase M. Si ottengono quindi 2 cellule che codificheranno ancora il proprio DNA e si divideranno e così via, alla fine quindi si avranno tantissime cellule, ma la struttura finale presenterà lo stesso diametro dello zigote di partenza).

Si viene quindi ad identificare l’asse antero-posteriore, che permetterà di distinguere la testa dalla regione posteriore, nel momento in cui di distingue questo asse, che coincide con l’asse dorsale dell’embrione, automaticamente si può identificare anche la porzione ventrale dell’embrione: nel momento in cui si viene a creare questa “linea mediana” si distingue anche il lato sinistro dal lato destro. Quindi i 3 assi che ci “posizionano” nello spazio si rendono già evidenti nelle prime fasi dello sviluppo embrionale. (Dagli esperimenti in possesso condotti su degli anfibi si può notare che gli embriologi del secolo scorso già con il processo di fecondazione sapevano dove sarebbero stati localizzati il futuro asse dorsale o ventrale dell’embrione). Quindi in stadi molto precoci, ossia quando c’è la fecondazione, si sa già come si disporranno questi assi.

Alla fine dell’organogenesi, per organismi che non vanno incontro a metamorfosi, si arriva ad ottenere un individuo che ha bisogno di cure parentali perché di per sé non sarebbe in grado di affrontare la vita, quindi inizia tutta la fase della vita che riguarda l’accrescimento e il raggiungimento di una varietà e di una maturità fisiologica degli organi, degli apparati e dei sistemi, fino ad arrivare ad acquisire anche una maturità sessuale: a questo punto ogni organismo produrrà i gameti e potrà ripartire la vita di un nuovo essere vivente.

• Gametogenesi
• Fecondazione
• Segmentazione
• Gastrulazione
• Organogenesi
• Crescita e differenziamento dei singoli organi

Fecondazione: l'inizio di un nuovo organismo

La fecondazione è il processo mediante il quale lo spermatozoo e l’uovo, definiti nell’insieme gameti, si fondono per dare inizio alla creazione di un nuovo individuo il cui genoma deriva da entrambi i genitori. La fecondazione realizza due scopi distinti: la sessualità (la combinazione di geni derivanti dai due genitori) e la riproduzione (la generazione di un nuovo organismo). Quindi, la prima funzione della fecondazione è quella di trasmettere geni dai genitori ai figli; la seconda è quella di dare inizio, nel citoplasma dell’uovo, a quelle reazioni che consentono il procedere dello sviluppo.

Per quanto i dettagli della fecondazione possano variare da una specie all’altra, il concepimento è generalmente costituito da quattro eventi principali:

• Contatto e riconoscimento tra spermatozoo e uovo. Nella maggior parte dei casi questo assicura che spermatozoo e uovo appartengano alla stessa specie.
• Regolazione della penetrazione dello spermatozoo nell’uovo. Un solo nucleo spermatico può alla fine unirsi al nucleo dell’uovo.
• Unione del materiale genetico dello spermatozoo e dell’uovo.
• Attivazione del metabolismo dell’uovo per dare inizio allo sviluppo.

La gametogenesi

Il punto di partenza è quindi la gametogenesi, ovvero il processo dedicato alla produzione di cellule aploidi, ovvero dei gameti: si parla di spermatogenesi se si indica la gametogenesi maschile e di oogenesi per quella femminile, entrambi sono processi che si avvalgono di mitosi e meiosi, ma sono molto diversi tra di loro, perché ogni processo meiotico della linea maschile a partire da uno spermatogonio porta a quattro spermatozoi aploidi, mentre nella linea femminile a partire da un oogonio si arriva ad un oocita e tre globuli polari (questi ultimi andranno incontro a degenerazione e l’unica cellula che potrà essere fecondata è l’unico oocita presente).

È la cellula uovo che nella maggior parte dei casi diventa il “capo” per la formazione del nuovo organismo, mentre lo spermatozoo fornisce il materiale genetico, ma il tutto si sviluppa nel citoplasma dell’oocita, il quale è ricchissimo di molecole e determinanti morfogenetici che regoleranno lo sviluppo del nuovo organismo oltre che di sostanze che fanno da filtri protettivi.

I gameti, ovviamente, sono sempre correlati a una riproduzione di tipo sessuale, che riguarda organismi pluricellulari; ogni riproduzione sessuale ha quindi sempre bisogno di uno spermatozoo e di una cellula uovo (anche se il termine “cellula uovo” non è sempre corretto), entrambe cellule aploidi, per poter avvenire. Entrambe queste cellule devono essere specializzate: gli spermatozoi devono essere dotati di motilità, mentre gli oociti accumulano nel loro citoplasma tutta una serie di molecole in grado di sostenere lo sviluppo del nuovo organismo. Si tratta di cellule diverse, anche dal punto di vista morfologico e dimensionale, in quanto l’oocita è molto più grande dello spermatozoo.

Spermatogenesi

Le cellule germinali primordiali (PGC), grazie alle quali ha inizio la spermatogenesi o l’oogenesi, si trovano in un punto ben preciso dell’embrione che si sta sviluppando, ovvero nella sua regione ventrale, e nel momento in cui, durante l’organogenesi, si sta formando l’apparato riproduttore, queste PGC migrano per andare a colonizzare le gonadi che si stanno sviluppando, arrivate a livello delle gonadi acquisiscono un’identità ben precisa: spermatogoni nella gonade maschile e oogoni nella gonade femminile (spermatogoni e oogoni sono cellule diploidi, quindi con un patrimonio genetico tipico di una cellula somatica, nel nostro caso hanno quindi 46 cromosomi, invece spermatozoi e cellule uovo hanno il patrimonio genetico dimezzato). I tre diversi processi ai quali questi goni devono andare incontro sono mitosi, meiosi e differenziamento: mitosi perché devono duplicare se stessi per fornire un patrimonio di goni sia per l’organismo maschile che per quello femminile e perché si possano ottenere gli spermatociti primari, meiosi 1 per poter ottenere gli spermatociti secondari o gli oociti secondari, meiosi 2 per dare origine a quattro cellule dette spermatidi (quattro cellule aploidi tondeggianti), e differenziamento perché queste cellule possano dotarsi di flagello, perdere tutto ciò che è superfluo e per poter arrivare agli spermatozoi; anche per linea femminile servono questi tre processi: bisogna aumentare il patrimonio degli oogoni, che devono andare periodicamente incontro a meiosi e poi devono subire un differenziamento morfologico.

L’obiettivo della gametogenesi, alla fine di tutti i processi, compreso il differenziamento, è per lo spermatozoo quello di raggiungere capacità di movimento (capacità che utilizzerà per raggiungere il gamete femminile) e per la cellula uovo quello di aver sviluppato un citoplasma complesso capace di regolare lo sviluppo del nuovo organismo.

La prima fase interessa gli spermatogoni, che vanno incontro a mitosi e formano due cellule che sono ancora spermatogoni identici alla cellula di partenza, e ognuno di questi va incontro a mitosi creando una riserva di spermatogoni che si ritrova a livello del testicolo (gli organismi nel momento in cui raggiungono la maturità sessuale presentano un asse di controllo ipotalamo-ipofisi-apparato riproduttore-controllo ormonale che va, con l’opportuno rilascio di ormoni nel circolo sanguigno, a regolare e innescare il processo di meiosi nella gonade). Ognuno di questi spermatogoni duplica quindi il proprio patrimonio genetico diventando uno spermatocita primario, solo lo spermatocita primario entrerà poi in meiosi 1 (in meiosi 1 affronta tutte le tappe che la caratterizzano, compreso, soprattutto, il crossing-over che consente gli scambi di tratti di materiale genetico per garantire una variabilità per organismi della medesima specie). I prodotti della prima divisione meiotica sono i due spermatociti secondari, ognuno dei quali va incontro alla meiosi 2 dando origine a due cellule ciascuno, quindi il risultato della meiosi 2 sono quattro spermatidi, ovvero quattro cellule tondeggianti, per nulla capaci di muoversi, con un nucleo molto voluminoso, che grazie al processo di spermioistogenesi, cioè formazione e differenziamento degli spermatozoi, danno origine agli spermatozoi finali (questo processo di differenziamento non va più ad intaccare il materiale genetico, che è già aploide, cambia solo la morfologia della cellula. Quindi gli spermatidi, di per sé, potrebbero avere la giusta quantità di materiale genetico per fecondare la cellula uovo, ma mancano di un’adeguata morfologia per poterla raggiungere, e mancano anche di tutta una serie di recettori e di strutture che renderanno invece lo spermatozoo capace di riconoscere la cellula uovo e di andare a fecondarla).

Il risultato netto della spermatogenesi è quindi di quattro cellule. Lo spermatozoo riduce le proprie dimensioni.

Oogenesi

La prima parte del discorso è pressoché simile a quella fatta per la spermatogenesi: anche gli oogoni vanno incontro a divisioni mitotiche tali per cui aumenta il loro numero a livello della gonade, poi il discorso diventa più complicato. A livello dell’ovaio di ogni individuo femminile (nei mammiferi) non ci sono più oogoni, ma ci sono solo oociti bloccati a livello della prima divisione meiotica, questo significa che ogni organismo femminile ha perso la possibilità di avere una riserva ovarica; ciò significa che alla pubertà, quindi con la maturità sessuale, questi oociti primari completano la prima divisione meiotica e, sotto controllo ormonale, mensilmente iniziano una seconda divisione meiotica e si bloccano in metafase 2, solo se ci sarà fecondazione si completerà la meiosi 2.

La grossa differenza con gli organismi maschili è che in quelli femminili gli oociti possono diventare aploidi solo se avviene la fecondazione, altrimenti vengono eliminati come oociti secondari bloccati in metafase 2. (Ecco perché il termine cellula uovo non è del tutto corretto: perché con cellula uovo si sottintende una cellula aploide. Esistono comunque degli organismi che all’atto della fecondazione presentano la cellula uovo già aploide, per esempio il riccio di mare). Mentre negli spermatozoi nei vari stadi le dimensioni cambiano poco, in questo caso cambiano notevolmente ma solo per quell’unica cellula che viene scelta e destinata a diventare cellula uovo.

Il risultato netto dell’oogenesi è quindi di una sola cellula, e in essa viene massimizzato il citoplasma, ricchissimo di materiale nutritizio, enzimi, organuli, substrati cellulari e molecole di RNA messaggero sotto forma di molecole silenti pronte per poter essere poi smascherate e tradotte in momenti ben precisi dello sviluppo dell’organismo. La cellula uovo aumenta le proprie dimensioni.

Noi comunemente chiamiamo “uovo” quello della gallina, ma in realtà ciò che è la vera cellula uovo che regola lo sviluppo dell’organismo è solo il tuorlo, che rappresenta il vitello (il nome vitello deriva dalla proteina vitellogenina che è in esso contenuta), ovvero la grossa massa di sostanze nutritizie, tutto il resto sono strutture accessorie: l’albume è la riserva d’acqua per l’organismo che si svilupperà in ambiente terrestre, circondato dal guscio che lo protegge da eventi di disidratazione.

L’oogenesi non è solo un completamento di un processo di meiosi, ma è anche un accrescimento volumetrico della cellula femminile (= auxocitosi, continuo accumulare all’interno del citoplasma) e a seconda della specie che si prende in considerazione si possono classificare le cellule uovo a seconda di quanto materiale hanno accumulato (alecitiche, ovvero prive di qualsiasi sostanza nutritizia, come quelle dei Mammiferi, oligolecitiche, come quelle dei ricci di mare, mesolecitiche, come quelle degli Anfibi, macrolecitiche, come quelle di Rettili e Uccelli).

La struttura dei gameti

Tra spermatozoo e uovo esiste un dialogo complesso. L’uovo attiva il metabolismo dello spermatozoo, che è essenziale per la fecondazione, e lo spermatozoo ricambia attivando il metabolismo dell’uovo, che è necessario per l’inizio dello sviluppo.

Ogni spermatozoo è costituito da un nucleo aploide, da un sistema di propulsione che fa muovere il nucleo e da un sacco contenente enzimi che consentono al nucleo di penetrare nell’uovo. Si riconoscono varie regioni: testa, collo, segmento intermedio, coda. Nella maggior parte delle specie, quasi tutto il citoplasma dello spermatozoo viene eliminato durante la maturazione, lasciando soltanto alcuni organelli che vengono modificati affinché acquisiscano la funzione specifica svolta nello spermatozoo. Durante la maturazione dello spermatozoo, il suo nucleo aploide assume una forma molto affusolata e il suo DNA viene fortemente condensato. Anteriormente al nucleo aploide condensato si trova la vescicola acrosomale, o acrosoma. L’acrosoma deriva dall’apparato cellulare del Golgi e contiene enzimi atti a digerire proteine e glucidi complessi: quindi, l’acrosoma può essere considerato come una vescicola secretoria modificata. Gli enzimi accumulati nell’acrosoma servono a scavare un percorso attraverso i rivestimenti esterni dell’uovo. In molte specie, tra il nucleo e la vescicola acrosomale si trova una regione ricca della proteina actina, in forma globulare. Queste proteine servono a formare un processo acrosomale digitiforme, che si estende in lunghezza dallo spermatozoo nei primi stadi della fecondazione.

Nell’insieme, l’acrosoma e il nucleo formano la testa dello spermatozoo. Le modalità con cui si attua il movimento degli spermatozoi variano a seconda dell’adattamento della specie alle condizioni ambientali. Nella maggior parte delle specie, lo spermatozoo è in grado di viaggiare sferzando il suo flagello. La parte motrice principale del flagello è l’assonema, una struttura formata da microtubuli che si estende dal centriolo alla base del nucleo dello spermatozoo. La parte centrale dell’assonema consiste di 2 microtubuli centrali circondati da un anello...