Fecondazione e Embriogenesi, Embriologia

Segnali IZUMO e recettori JUNO Il fatto che spermatozoo e oocita

interagiscano in maniera stereotipata e

precisa, con avvicinamento e specifici

eventi secondari, indica che ci sono dei

segnali e dei recettori in grado di sentirli.

Il segnale che portava lo spermatozoo è

IZUMO, una proteina transmembrana

recepita dalla proteina recettore JUNO

scoperta il 24/04/2014. Questa proteina è

fondamentale sull'oocita per il

riconoscimento e la fusione delle

membrane, sennò non c'è fecondazione.

Mutazioni di queste due proteine causano sterilità. JUNO è fondamentale anche nelle fasi

successive, subito dopo la fecondazione, e fa in modo che non ci sia la fecondazione da parte di un

altro spermatozoo. Questo perché l’oocita può venire a contatto con 10-20 spermatozoi diversi,

che arriveranno alla zona pellucida nello stesso momento, iniziando a degradarla e quindi

potrebbe essere che 2 o più spermatozoi fondano la loro membrana con l’oocita, fatto che non

deve avvenire perché se ci fossero tre nuclei nell’embrione esso non potrebbe svilupparsi e far

mitosi correttamente. Quindi subito dopo la fecondazione, una delle numerose cose che

avvengono è che lo zigote si libera del recettore JUNO intrappolandolo in vescicole che vengono

eliminate all’esterno. In questo modo, non c'è più recettore disponibile, quindi anche se ci fosse

uno spermatozoo che è riuscito ad arrivare molto vicino alla membrana , quasi in contemporanea

con l’altro, non viene captato poiché è eliminato il recettore stesso.

Proteina CD9 Un altro macchinario che è

coinvolto nel riconoscimento e

nella fusione delle membrane

spermatozoo-oocita è la

proteina CD9, che è della

famiglia delle tetraspanine,

proteine a cui piace stare

insieme ad altre tetraspanine

ed anche ad alcune integrine,

quindi aggregano grosse

strutture di membrana, la cui

funzione si pensa sia piú

effettrice piuttosto che di

riconoscimento.

IZUMO e JUNO hanno invece una funzione ligando-recettore, di riconoscimento. Una volta che

le due proteine si sono riconosciute il recettore JUNO sicuramente farà qualcosa all'interno

dell'oocita scatenando una risposta. La proteina CD9, le integrine e le altre tetraspanine, invece,

sembrano avere più una funzione di macchinario che promuove la fusione delle membrane

cellulari molto vicine, tipo SNARE del traffico vescicolare che forniscono l'energia necessaria

perché due membrane vicine si fondano. Il lavoro delle proteine CD9 assieme alle altre è

equivalente a questo. CD9 insieme a JUNO e a IZUMO sono fondamentali per la fertilità

femminile; mutazioni di CD9 portano a infertilità femminile, dato che questa proteina è espressa

dall'oocita.

Effetti della fecondazione sull'oocita, processi a valle della fecondazione

Tutti gli eventi che seguono la fecondazione avvengono in ordine:

1. Primo evento, il più rapido, è il blocco della polispermia, che avviene in due modi:

blocco rapido della polismermia, che avviene in frazioni di secondo, e reazione corticale,

cioé il blocco lento della polismermia, che impiega un po' più di tempo per avvenire.

Entrambi sono descritti sia per mammiferi che per l'uomo. Si conoscono le basi del blocco

lento, ma non i meccanismi alla base del blocco rapido.

2. Completamento della seconda divisione meiotica da parte dell'oocita, altrimenti il

bilancio dei cromosomi (23 paterni+23 materni) per creare una cellula diploide non torna.

L'oocita quando viene ovulato lo fa assieme al suo primo corpo polare, il risultato della

prima divisione meiotica che viene completata subito prima dell'ovulazione in risposta agli

stessi segnali, LH e FSH, che inducono l'ovulazione. Quando arriva lo spermatozoo

compare il secondo corpo polare, che viene poi eliminato. A questo punto abbiamo un

corredo genetico corretto per continuare lo sviluppo dello zigote. Abbiamo una cellula, i

due pronuclei, un corredo genetico diploide che permette di iniziare l'embriogenesi.

Embriogenesi

3. Attivazione metabolica dell'embrione. Mentre oocita e spermatozoo erano strutture

terminalmente differenziate e altamente specializzate a svolgere un'unica funzione nel

corso della loro vita (tanto che nel caso degli spermatozoi devono addirittura venire

nascosti per non essere riconosciuti dal sistema immunitario che prima non li aveva mai

visti), tali strutture specializzate adesso devono riprogrammarsi completamente partendo

da zero, per ricostruire interamente il corpo del feto e gli annessi fetali, cioè i tessuti extra-

embrionali (placenta). Molto precocemente si riattiva nello zigote il metabolismo proprio

necessario alle rapide divisioni cellulari mitotiche successive, e anche la trascrizione dei

geni propri in modo da prepararsi per le fasi successive dello sviluppo.

Bisogna ricordare che, mentre per la maggior parte dei geni l'allele paterno o materno non

fa nessuna differenza, nel senso che vengono espressi entrambi, esistono delle piccole

eccezioni che si chiamano GENI IMPRINTATI. Essi hanno l'imprinting o materno o

paterno; quindi anche se l'allele paterno è presente, non verrà espresso. Viceversa ci sono

geni in cui anche se l'allele materno è presente, questo non verrà trascritto. Questo è un

modo per assicurarsi che lo zigote sia il risultato di una riproduzione sessuata e non un

evento di partenogenesi: cioè ad esempio una fase II della meiosi che per qualche motivo

non è andata a buon fine, per qualche ragione l'oocita si è attivato e sembrerebbe avere un

corredo cromosomico esatto anche se non lo è, quindi lo sviluppo potrebbe iniziare, cosa

che non dovrebbe accadere.

4. Si ha in parallelo la decondensazione dei cromosomi dello spermatozoo, in modo da

rendere la cromatina accessibile alla trascrizione, dato che il nucleo dello spermatozoo era

stato compattato in maniera particolare da proteine istoniche proprie dello spermatozoo e

anche dalle protammine, ulteriori proteine specifiche che si trovano solo nello

spermatozoo con ruolo di condensare il nucleo maschile. Questo pronucleo va

rimaneggiato per fare la prima mitosi. Il rimaneggiamento consiste nella rimozione della

cromatina dello spermatozoo che viene sostituita da una nuova cromatina che deriva dalle

scorte di proteine materne. Tali proteine ricromatinizzano il genoma paterno. Solo a questo

stadio, quando il nucleo dello spermatozoo è stato decondensato, si può parlare di

pronucleo paterno, quindi solo dopo che è stato rimaneggiato dal citoplasma dell'oocita in

modo che la sua cromatina sia gestibile.

5. Quando i cromosomi iniziano a trascrivere avremo la definizione del sesso genetico: il

gamete femminile contribuirà sempre con cromosoma X, nel caso dello spermatozoo potrà

contribuire con X definendo il sesso femminile e con Y definendo quello maschile. Questo

è il primo momento in cui si esprimono i geni, o da X o da Y che identificano il sesso di

zigote e feto.

6. Cancellazione delle modificazioni epigenetiche della cromatina: durante l'ovogenesi e

la spermatogenesi, nel lungo cammino che porta prima alle cellule germinali, poi a quelle

terminalmente differenziate, molti geni sono stati silenziati in maniera epigenetica, i geni

ci sono ma il macchinario di trascrizione non può accedervi; è come se ci fosse una grande

biblioteca in cui c'è tutto il sapere di cui abbiamo bisogno, ma una stanza è chiusa a chiave

e noi non possiamo entrarci, questo va bene per spermatozoo e oocita, perché sono cellule

molto differenziate che devono fare una solo cosa, ma non va bene per lo zigote che deve

invece disporre di tutte le informazioni necessarie per fare tutto. Una delle prime cose che

bisogna fare quando pronucleo materno e paterno si incontrano, è cancellare quasi tutte le

modificazioni epigenetiche, nell'analogia della biblioteca bisogna aprire tutte le porte, in

modo da avere a disposizione tutte le informazioni possibili perché lo zigote possa

eseguire tutti i differenziamenti necessari per creare i tessuti del feto e extra-embrionali.

Tutti questi effetti avvengono

in maniera ordinata, esiste un

meccanismo di regolazione

che assicura che una cosa

avvenga prima e le altre dopo.

Questi effetti sono più o meno

quelli che avvengono in tutti

gli organismi; c'è una tabella

che utilizzeremo come filo

conduttore, sull'umano non è

ancora stata fatta, che è basata

sugli studi su riccio di mare

usato come animale modello,

poi confrontato con l'uomo.

Una delle prime cose che avviene è la depolarizzazione

dell'oolema, quando avviene la fusione tra oocita e

spermatozoo si ha un cambio di carica della membrana

dell'oocita, dovuto ad un aumento di permeabilità di Na+,

indispensabile per il blocco rapido della polispermia.

Questo è il grafico in cui c'è il potenziale di membrana

misurato sull'oocita, quando lo sperma contatta e attraversa

la zona pellucida si fondono le membrane e in pochi

secondi (10-20s), si ah una depolarizzazione completa

molto rapida. Non si sa perché essa impedisca la fusione di

nuovi spermatozoi. Poco dopo si osserva l'attivazione

dell'enzima fosfolipasi che converte acidi

grassi presenti in membrana producendo

fosfatidil-inositoli(scala temporale 1-2

minuti) e questo a valle causa un aumento

citoplasmatico “a picco” del calcio, uno dei

migliori e più efficienti secondi messaggeri

delle nostre cellule. Ci sono dei picchi di

calcio oscillanti, il calcio citoplasmatico è

rilasciato dall'esterno ma soprattutto dalla

cisterne intracellulari di ER, una delle

riserve più ingenti di ioni calcio. Questi

picchi di calcio funzionano come una

specie di orologio, più picchi ci sono, più

tempo è passato dalla fecondazione.

Chi induce inizialmente questi picchi di Calcio è la fosfolipasi C nell'isoforma Z, presente nel

citoplasma dello spermatozoo, che entra nel citoplasma dell'oocita agendo sulle sue membrane, e

attiva una cascata di segnali che coordina il rilascio di calcio sia da ER che dal'esterno.

Lo spermatozoo porta tre cose: il GENOMA, CENTRIOLO e FOSFOLIPASI C.

La fofolipasi C è fondamentale per fare iniziare

questi spike di calcio, quindi se si prendesse un

oocita umano e si iniettasse solo la fosfolipasi C,

anche se l'oocita non ha mai visto uno spermatozoo,

un IZUMO, la membrana dello spermatozoo, basta

la fosfolipasi C per iniziare questi spike di calcio.

Quest'immagine mostra che lo spike inizia

localmente dov'è avvenuta la fecondazione, poi si

crea una specie di onda