Genetica - gametogenesi e fecondazione

Embriologia umana molecolare

Gametogenesi e fecondazione

Introduzione Noi partiremo dallo zigote: vedremo come questa singola cellula comincia a svilupparsi e a prendere le sembianze morfologiche prima di un embrione, poi di un feto e, infine, di un nuovo individuo. Le prime fasi sono quelle in cui, da questa singola cellula (lo zigote) priva di polarità e di qualsivoglia struttura, si forma una serie di cellule figlie, che, attraverso una precisa organizzazione, vanno ad assumere la fisionomia di un embrione, nel quale è già presente, innanzitutto, una polarità: il futuro asse anteriore è distinto da quello posteriore, la parte sinistra da quella destra, la parte ventrale da quella dorsale.

È evidente che un qualsiasi difetto in una di queste delicatissime fasi precoci dello sviluppo può portare a delle malformazioni nell'embrione, anche molto pesanti, che poi si ripercuotono anche sull’individuo formato (sempre che tali malformazioni siano compatibili con la vita). Tutte le malattie genetiche congenite che noi conosciamo oggi, infatti, sono dovute ad errori che si verificano durante lo sviluppo embrionale. È evidente quindi che la conoscenza dei processi che determinano lo sviluppo embrionale è fondamentale per poter affrontare numerose patologie. Durante il corso vedremo alcune di queste malattie genetiche e come un difetto di un gene coinvolto nei processi embrionali può causare difetti visibili anche dopo la nascita.

[Il professore mostra un filmato, che, chiaramente, non è stato possibile caricare su un file Word. Le frasi successivamente riportate faranno riferimento a tale video. È stata cura del relatore renderle il più possibile comprensibili, anche in assenza del supporto visivo].

Vi mostro un filmato che riassume lo sviluppo di un embrione. Potete vedere l'embrione che si impianta nell'endometrio materno, andando a formare le prime strutture placentari. Da quest’embrione avrà origine il feto. Potete inoltre vedere l'emergere dell'embrione all'interno dell'amnios e del corion, e poi la placenta. Vedete come l'embrione comincia a svilupparsi e a crescere, assumendo gradualmente le sembianze di un piccolo individuo: si formano le strutture corporee, gli arti, etc.

Ricordatevi che i processi fondamentali, come la formazione degli assi corporei e dei tessuti principali, avvengono nei primi due mesi di sviluppo embrionale (e infatti all’interno del corso ci concentreremo soprattutto su essi). A partire dal secondo mese, fino ad arrivare alla nascita, invece, si verifica essenzialmente la crescita e il perfezionamento dei tessuti e dell'embrione stesso.

Domande e risposte

D: Qual è la differenza tra feto ed embrione?

R: Nel caso dell’uomo si parla di embrione fino circa al secondo mese di sviluppo, dopodiché si inizia a parlare di feto. È una semplice distinzione a livello temporale. Il feto è comunque riconoscibile anche dal punto di vista esteriore, perché è ben strutturato: la maggior parte degli organi e dei tessuti sono già formati.

Gametogenesi

Passiamo alla vera lezione di oggi. Dato che vogliamo partire dall’inizio della sviluppo di un embrione, è necessario che iniziamo parlando della formazione dei gameti (gametogenesi): i gameti femminili sono definiti o(v)ociti, mentre quelli maschili spermatozoi. La prima cellula diploide del nuovo organismo, cioè lo zigote, deriva dalla fecondazione dell'ovocita da parte di uno spermatozoo.

Oogenesi

Gli oociti originano da cellule germinali staminali¹ diploidi, definite oogoni, le quali si trovano nelle gonadi femminili (ovaie), già nell’embrione a 3 mesi di sviluppo. Gli oogoni sono deputati a duplicarsi mantenendosi uguali a se stessi, per poter dar poi origine agli ovociti. Questi oogoni, duplicandosi, danno origine, all’interno delle gonadi femminili, a un grande numero di cellule: al quinto mese di sviluppo embrionale si stima che il numero degli oogoni sia circa 7 milioni. Con il completamento della fase embrionale però, quindi dal settimo mese in poi, molti di questi oogoni cominciano a degenerare. Quelli che non degenerano entrano nella prima fase meiotica, ma si bloccano comunque allo stadio della profase: sono pronti per fare meiosi, ma sono bloccate. Questi oogoni bloccati nella profase della prima divisione meiotica sono definiti oociti primari.

Nell'embrione di sesso femminile abbiamo quindi un'espansione enorme del - come lo chiamo io - primordio delle gonadi, cioè di quell'organo embrionale che darà origine all'ovaio definitivo. Poco prima della nascita gli oogoni dovrebbero dar vita a meiosi, ma si bloccano in profase 1. A questo punto non sono più oogoni, ma oociti primari. Quindi negli individui di sesso femminile le cellule germinali non sono più in grado di proliferare: la loro fase di crescita e di espansione avviene solamente nell'embrione (la spermatogenesi, vedremo, è differente).

Alla nascita dell'embrione di sesso femminile perciò, all'interno delle ovaie, ci sono solo oociti primari, cioè cellule bloccate in profase che hanno perso la capacità di proliferare. Questi oociti primari sono circondati da cellule epiteliali diploidi del tessuto ovarico, che formano una struttura chiamata follicolo primordiale. Il follicolo primordiale lo potete vedere nell’immagine (a sinistra, ndr). Questa situazione rimane più o meno inalterata fino alla pubertà.

Quando inizia la fase sessuale matura della donna, alcuni di questi oociti primari (circa 5-10, ma non è importante) iniziano il loro sviluppo. Questo succede ad ogni ciclo di maturazione della donna. Sappiamo che questa maturazione avviene seguendo stadi molto precisi. Durante lo sviluppo di un oocita primario le cellule piatte del follicolo primordiale iniziano a circondare l'oocita primario e a proliferare: da un singolo strato di cellule inizia a formarsi il multistrato delle cellule della granulosa.

Queste cellule della granulosa hanno anche il compito di secernere delle glicoproteine, che vanno a costituire una membrana di protezione dello oocita primario, definita zona pellucida (rappresentata in rosso nell’immagine). Questa zona pellucida, come vedremo successivamente, è molto importante e ha diverse funzioni.

In una seconda fase il follicolo comincia a sviluppare uno spazio cavo (immagine all’inizio della pagina successiva, ndr), chiamato antro. Ciò è dovuto al fatto che le cellule della granulosa secernono anche un liquido fisiologico, che determina la formazione e l’espansione enorme di questa, appunto, cavità. Il follicolo a questo punto è definito follicolo secondario o follicolo di Graff e può raggiungere anche la grandezza di 2 millimetri, a causa dell’espansione dell’antro. Come potete vedere nell’immagine, l'oocita primario viene confinato in un angolo.

L’enorme espansione dell’antro determina inoltre la perdita di contatto di alcune cellule della granulosa con l'oocita: soltanto poche cellule della granulosa vi rimangono legate. Le poche cellule della granulosa che rimangono legate all'oocita vengono definite cellule del cumulo ooforo.

Durante il ciclo sessuale della donna si sviluppano questi follicoli. Uno di questi follicoli arriverà poi a maturazione, alla fine della quale espellerà dall'ovaio l'oocita che contiene. Durante la maturazione di un follicolo l'oocita al suo interno esce dalla situazione di blocco in cui si trovava e procede con la meiosi. La meiosi prosegue fino al termine della prima fase di divisione, nella quale, come sapete, l’oocita diventa aploide.

Questa prima fase di divisione meiotica in realtà si realizza in modo particolare, perché le due cellule che si formano sono diverse tra loro: sono entrambe aploidi, hanno lo stesso corredo cromosomico, ma una, quella che definiamo oocita primario, mantiene per sé tutto il citoplasma materno. L’altra cellula perciò ha solo il nucleo, la membrana e una scarsissima quantità di citoplasma, tant’è che non viene più chiamata cellula, ma corpo polare.

Quindi, ricapitolando, uno dei follicoli inizia a maturare, fino ad arrivare, in seguito alla prima divisione meiotica, a produrre l’oocita primario aploide, che viene espulso. Insieme all’oocita primario vengono espulse anche le cellule della granulosa che gli erano rimaste legate, cioè le cellule del cumulo ooforo. Ovviamente tra i follicoli che maturano, che sono cinque/dieci per ciclo mestruale, uno solo arriva poi ad espellere l'oocita che potrà essere fecondato; gli oociti all'interno degli altri follicoli invece degenerano. In alcuni casi, molto rari, possono maturare due follicoli ed essere espulsi due ovociti (vd. gemelli eterozigoti).

Spermatogenesi

Adesso invece andiamo a vedere come avviene la formazione dei gameti maschili. Essa ha uno schema diverso, che permette ad un individuo di sesso maschile di avere un continuo sviluppo di gameti durante tutta la sua vita post-natale. Mentre nelle femmine le cellule germinali proliferano soltanto a livello embrionale, nei maschi esse sono presenti dopo la nascita.

Se per l’oogenesi avevamo parlato di oogoni, per la spermatogenesi parliamo di spermatogoni, i quali inizialmente sono localizzati nei cordoni sessuali, che costituiscono le gonadi maschili, definite testicoli. Prima della maturità sessuale, nell'individuo maschio questi cordoni sessuali sono fatti di cellule e, quindi, non hanno nessuno spazio all'interno. Successivamente, dopo la pubertà, essi diventano cavi all'interno, diventando così tubuli seminiferi deputati alla produzione dei gameti maschili: gli spermatozoi.

Nell’immagine (sopra, ndr) potete vedere una sezione trasversale del tubulo seminifero, il quale è fatto da una struttura cellulare molto ben definita. Come potete vedere, nella parte più esterna del tubulo abbiamo le cellule germinali: gli spermatogoni, mentre, in quella interna, più protetta, sono presenti le cellule staminali, che continuano a dividersi e a moltiplicarsi in modo uguale, andando così a formare i gameti.

Quello che precisamente avviene lungo l'asse radiale del tubulo seminifero è che le cellule figlie degli spermatogoni iniziano a differenziarsi, dando origine a diversi tipi secondari di cellule, fino a giungere prima agli spermatidi e poi agli spermatozoi. Se guardiamo il tubulo seminifero riportato nell’immagine, si vede la parte centrale cava, in cui troviamo gli spermatozoi maturi e funzionati. Questa parte cava è ripiena di un liquido tale da permettere al flagello dello spermatozoo di muoversi per uscire dal tubulo seminifero. Le parti più profonde, più interne, sono invece costituite da cellule via via sempre meno differenziate, fino ad arrivare alla parte interna dove si trovano le cellule germinali maschili, cioè gli spermatogoni. Questi spermatogoni godono di un'ulteriore protezione fornita da cellule - diciamo - di sostegno del tubulo seminifero, definite cellule di Sertoli.