Riassunto esame di Biologia dello Sviluppo Animale

Riassunto esame di biologia dello sviluppo animale

Argomenti

• Introduzione
  • Definizione
  • Organismi modello
  • Processi generali dello sviluppo (movimenti cellulari, induzione)
  • Esempio dello sviluppo dell’occhio nei vertebrati
• Gametogenesi
  • Spermatozoio
  • Uova
• Fecondazione
  • Negli echinodermi
  • Nei mammiferi
  • Confronto
• Segmentazione
  • Definizione e tipologie
  • Ricci di mare
  • Anfibio Ittiopsidio
  • Insetti
  • Mammiferi
• Gastrulazione
  • Definizione e aspetti generali
  • Ricci di mare
  • Anfibio Teleosteio
  • Sauropsidio Mammiferi
  • Insetti
• Morfogenesi e organogenesi
  • Definizioni e aspetti generali
  • Determinazione degli assi corporei negli insetti
  • Determinazione degli assi corporei nei vertebrati
  • Accenni di morfogenesi e organogenesi negli insetti
  • Organizzazione del mesoderma nei vertebrati
  • Morfogenesi dell’asse cefalo-caudale nei vertebrati (acido retinoico e geni omeotici)
  • Sviluppo degli arti nei vertebrati (assi prossimo-distale, antero-posteriore e dorso-ventrale)
• Neurulazione
  • Descrizione e processi nei vertebrati
  • Creste neurali

Introduzione

Domande

• Quali sono gli organismi modello per la biologia dello sviluppo animale (1 pt)
• Tipi di uovo (1 pt)
• Le parti del mesoderma nei vertebrati (1 pt)
• Quale evento cellulare porta alla separazione delle dita? (1 pt)
• Cosa sono le mappe presuntive? (1 pt)
• Specificazione di uno degli assi dell’arto tetrapode (2,5 pt)
• Lo sviluppo dei mammiferi (5 pt)
• Definizione induzione e descrizione dei tipi (5 pt)
• Acido retinoico e geni HOX nella determinazione delle strutture lungo l’asse antero-posteriore

Definizione

Biologia dello sviluppo: studio dei meccanismi molecolari e fisiologici che controllano le varie fasi embrionali e la formazione di cellule, tessuti, organi differenziati, a dare un lento processo costituito da cambiamenti progressivi chiamato sviluppo. La biologia dello sviluppo si avvale di metodi di biologia cellulare, genetica, biologia molecolare, biochimica e microscopia, applicati a organismi modello.

Organismi modello

• Drosophila melanogaster: per studi sullo sviluppo degli insetti e studi di genetica dello sviluppo
• Caenorhabditis elegans: per studi di biologia molecolare dello sviluppo
• Arbacia punctulata: per lo studio della fecondazione e dello sviluppo in generale, studio dello sperma
• Danio rerio: per lo studio dello sviluppo dei pesci ed embrioni trasparenti utili in embriologia sperimentale
• Xenopus laevis (e tritone): produce uova grosse e pigmentate che facilita lo studio dello sviluppo e studi di embrioni manipolati (riposizionamento di blastomeri)
• Gallus domesticus (e quaglia): per studi di organismi chimera (impianti di tessuti embrionali di specie diverse) per lo studio di principi dello sviluppo
• Mus musculus (e Rattus norvegicus): per lo studio dello sviluppo dei mammiferi e studi di tossicologia

Gli organismi modello sono scelti in base a caratteristiche utili ai fini della ricerca:

• Disponibilità annuale
• Facile mantenimento in laboratorio
• Cicli vitali brevi
• Abbondante produzione di uova/embrioni
• Bassi costi di acquisto/mantenimento
• Facilità di accesso allo studio per i vari stadi embrionali
• Facilità di manipolazione
• Esistenza di ceppi selezionati e geneticamente costanti
• Attinenza con l’uomo (in dipendenza al tipo di studio)

L’ontogenesi ripercorre la filogenesi. Gli embrioni di vertebrati allo stadio filotipico presentano abbozzi analoghi degli organi e sono morfologicamente simili.

Processi generali

• Il processo dello sviluppo è suddiviso nelle seguenti fasi:
  1. Fecondazione - prevede la fusione dei gameti e la conseguente formazione dello zigote, un individuo unicellulare con patrimonio genetico materno e paterno.
  2. Segmentazione - è la rapida successione di divisioni mitotiche difettive dello zigote che rendono il nuovo individuo pluricellulare senza accrescimento volumetrico.
  3. Gastrulazione - prevede formazione e distribuzione dei tessuti embrionali fondamentali differenziati in rapporto tra loro.
  4. Morfogenesi, organogenesi e accrescimento.
  5. Differenziamento funzionale - Le fasi dello sviluppo sono processi contemporanei che identificano polarità e assi corporei, che associano i tessuti embrionali in organi funzionali e che plasmano la massa corporea in forme definite.

Domanda d’esame: eventi alla base dello sviluppo embrionale

Tutti i processi o fasi dello sviluppo animale sono eseguiti tramite meccanismi/eventi molecolari e cellulari:

• Differenziamento: identifica linee cellulari specializzate attraverso la differente regolazione epigenetica del genoma comune.
• Proliferazione cellulare: determina l’accrescimento della massa dell’individuo.
• Morte cellulare per apoptosi e/o necrosi: costituisce un fenomeno fisiologico durante la fase embrionale necessario per delineare i dettagli delle strutture (es. formazione delle dita).
• Movimenti cellulari: permettono l’organizzazione morfo-funzionale delle cellule (es. movimenti di gastrulazione; migrazione delle cellule della cresta neurale in tutti i distretti embrionali).
• Regolazione di fluidi: rappresenta la regolazione dell’attività secretoria delle cellule embrionali.
• Induzione: è un evento esclusivo della fase embrionale, alla base della capacità dell’embrione di costruire gli organi in posizione corretta in base agli assi corporei e di costruire organi con le corrette simmetrie.

L’alterazione di questi eventi base porta o alla non-vitalità dell’embrione o a pesanti aberrazioni e malformazioni congenite. Esperimenti di embriologia sperimentale hanno portato alla comprensione di questi fenomeni confrontando le aberrazioni/anomalie/alterazioni con lo sviluppo normale.

Induzione

L’induzione è un evento esclusivo dell’embrione ed è il principio base per la costruzione di organi nella giusta posizione. L’induzione è la capacità di un tessuto inducente di rilasciare e trasmettere segnali chimici percepiti dalle sole cellule dei territori competenti che ne esprimono i recettori. Il legame segnale-recettore spinge il territorio competente verso il differenziamento tramite l’attivazione di una cascata di eventi molecolari che culmina nell’espressione di specifici geni.

L’induzione può essere:

• Juxtacrina (contact-dependent signalling), il territorio induttore e il territorio competente sono contigui, a contatto diretto, e il segnale è transmembrana.
• Paracrina, il territorio induttore e il territorio competente sono vicini e il segnale secreto diffonde per breve distanza.

L’induzione è un fenomeno limitato nel tempo. I territori competenti cambiano continuamente durante lo sviluppo in modo coerente. Il segnale ha la funzione di portare le cellule competenti al differenziamento coordinato con i tessuti adiacenti, quindi istruisce le cellule per fare strutture funzionalmente correlate al tessuto che secerne il segnale.

L’induzione ha tre caratteristiche:

• È limitata nel tempo (es. un tessuto esprime un tipo di recettore/segnale solo per un momento dello sviluppo, poi può esprimerne altri).
• In genere i segnali sono secreti per segnalare a territori adiacenti il destino del tessuto inducente in modo che il territorio competente differenzi in maniera solidale.
• Sono fenomeni a cascata: il territorio indotto diventa inducente o per il suo precedente territorio inducente o per altri territori.

Le induzioni a cascata sono suddivise in:

• Reciproche/a rimbalzo (A induce B che a sua volta, dopo maturazione, induce A).
• Sequenziali (A induce B, B induce C, etc.).

Questo fenomeno delle induzioni a cascata giustifica la costruzione degli organi da abbozzi per poi aggiungere dettagli.

L’induzione è ulteriormente classificata in:

• Istruttiva
  • Il tessuto inducente istruisce il territorio competente a differenziare in una precisa struttura.
  • Esempio: il mesenchima del derma induce l’epidermide a formare diversi annessi cutanei (es. penne remiganti, penne di copertura o artigli) a seconda della qualità del mesoderma inducente (es. mesenchima di ala, coscia o zampa).
  • Esempio: il mesoderma della corda induce qualsiasi porzione di ectoderma a differenziare in neuroectoderma.
• Permissiva
  • Il tessuto inducente permette al territorio competente di differenziare nella struttura predeterminata.
  • Esempio: il cristallino attiva la specializzazione del neuroectoderma della vescicola ottica a retina.
  • Esempio: esperimenti di trapianti tra gastrule di rane e tritoni hanno mostrato che l’ectoderma orale di rana trapiantato su gastrula di tritone produce i tipici organi adesivi dei girini di rana e viceversa, l’ectoderma di tritone trapiantato su gastrula di rana produce i tipici bilancieri dei girini di tritone.

Occhio pari dei vertebrati

L’occhio è costituito da una struttura epiteliale a coppa. L’epitelio della coppa è di due tipi differenti, il foglietto interno (retina) è formato da epitelio fotosensibile, il foglietto esterno (tapetum nigrum) è formato da epitelio pigmentato di protezione. I bordi della coppa che si estendono verso l’esterno formano l’iride (muscolo che regola il diametro della pupilla) e i muscoli ciliari che reggono il cristallino. Il cristallino è una struttura diafana che agisce da lente mobile. La regolazione della posizione del cristallino ad opera dei muscoli ciliari permette il raggiungimento della messa a fuoco. Anteriormente al cristallino è presente la cornea (porzione dell’epitelio congiuntivale trasparente), leggermente curvata, che agisce da lente fissa. L’epitelio congiuntivale ha funzione di protezione e, a seconda della classe, può essere ricoperto da pliche cutanee (palpebre). Il nervo ottico trasferisce gli stimoli dalla retina all’encefalo.

Durante le prime fasi dello sviluppo embrionale, si assiste all’espansione a livello dell’encefalo di due vescicole ottiche dal tubo neurale non ancora chiuso. L’espansione delle vescicole è indotta dal mesoderma laterale cefalico. L’alterazione della distribuzione del tessuto inducente (il mesoderma) provoca la costituzione di espansioni frontali o di un unico occhio frontale. Le vescicole ottiche, di neuroectoderma, si espandono verso l’esterno associandosi all’epitelio di ectoderma superficiale. Il contatto induce la transizione a cellule cilindriche dell’epitelio esterno e l’invaginazione verso l’interno dell’epitelio esterno che spinge l’epitelio della vescicola a formare una struttura a coppa. La porzione di epitelio esterno invaginata si stacca a formare la vescicola lentogena che differenzierà in cristallino. Il cristallino manda segnali alla porzione di epitelio rimasta in superficie, per incurvarsi e diventare trasparente costituendo la cornea, e alla porzione di neuroectoderma della coppa a specializzare in retina e tapetum nigrum. Il mesoderma presente coopera per la formazione dell’iride e dei muscoli ciliari.

Lo sviluppo dell’occhio prevede:

• Induzioni sequenziali
  1. Mesoderma laterale cefalico induce il neuroectoderma del tubo neurale la formazione di vescicole ottiche pari laterali.
  2. La vescicola ottica induce l’ectoderma superficiale a contatto ad invaginarsi per formare la vescicola lentogena e la struttura a coppa del neuroectoderma.
  3. Il cristallino induce il rimanente l’ectoderma rimasto in superficie a formare la cornea.
• Induzioni reciproche
  • Il cristallino, indotto dal neuroectoderma della vescicola induce il neuroectoderma ripiegato a coppa a formare retina e tapetum nigrum.
• Induzioni istruttive
  • Esperimenti di trapianti ectopici hanno dimostrato che la vescicola ottica è in grado di istruire qualsiasi porzione di ectoderma superficiale a differenziare in cristallino.
• Induzioni permissive
  • Il completamento dello sviluppo del neuroectoderma a retina è indotto dal cristallino.

Morfogeni

I morfogeni sono molecole molto conservate nell’evoluzione che inducono armonicamente tessuti a formare organi in modo determinato sia spazialmente che temporalmente. I morfogeni sono prodotti a distanza e raggiungono il bersaglio per diffusione. Il differenziamento specifico in diverse strutture dei tessuti competenti per lo stesso morfogeno (che esprimono gli stessi recettori) è modulato dalla concentrazione del morfogeno. L’induzione da morfogeno è di tipo istruttivo. La qualità dell’informazione è data dalle diverse concentrazioni del morfogeno nelle porzioni del corpo.

Basi genetiche e epigenetiche dello sviluppo

Lo zigote è una cellula diploide totipotente. Dividendosi produce un gran quantitativo di cellule sempre più differenziate, prima nei tre tessuti embrionali, poi differenziate in modo terminale a dare dei tessuti permanenti. È stato indagato cosa cambiasse nelle cellule nel corso del differenziamento. Una cellula differenziata (a parte eccezioni come nei nematodi) ha il corredo genetico completo ma esprime selettivamente solo una parte dei propri geni. La prova sperimentale definitiva che ha dimostrato questo concetto è stata la clonazione della pecora Dolly nel 1997. Dolly era fertile e ha generato della progenie. La clonazione è stata compiuta trasferendo il nucleo di una cellula somatica (cutanea) di un individuo con un fenotipo (muso scuro) nella cellula uovo anucleata (contenente tutte le molecole morfogenetiche) di un altro individuo (con un diverso fenotipo, muso chiaro) che svolge il ruolo di madre surrogato (attraverso l’impianto della blastocisti). La blastocisti è una chimera: il citoplasma è proprio della madre surrogato mentre il materiale genetico proviene dal donatore di nucleo. L’individuo nato dalla madre surrogato è geneticamente, e quindi fenotipicamente, identico all’individuo donatore del nucleo.

Il differenziamento è quindi l’espressione selettiva di alcuni geni all’interno del genoma completo. I meccanismi che guidano questa scelta sono epigenetici. Il materiale genetico è organizzato in cromatina (DNA + proteine istoniche) all’interno del nucleo. Il grado di compattazione della cromatina influisce direttamente sull’accessibilità del DNA alla trascrizione. La compattazione della cromatina non è uniforme in tutte le regioni: le regioni eucromatiche sono meno compatte e trascrizionalmente attive mentre quelle eterocromatiche (facoltative o costitutive) sono trascrizionalmente inattive.

Il grado di compattazione è regolato su due livelli:

• Attraverso modificazioni del DNA:
  • Metilazione delle citosine (ingombro sterico ai fattori di trascrizione) che porta sempre a silenziamento.
• Attraverso modificazioni post-traduzionali di aminoacidi specifici nelle code degli istoni del nucleosoma (modificazione della carica elettrica/affinità delle code per il DNA):
  • Acetilazione delle lisine (acetilasi) porta all’attivazione della trascrizione (normalmente accoppiate a demetilasi).
  • Metilazione che, in base a numero e posizione dei residui di lisina cui è legato il metile, porta a silenziamento o a espressione genica.
  • Fosforilazione
  • Ubiquitinazione
  • Biotinilazione
  • Sumoilazione

Segnali morfogenetici scatenano reazioni epigenetiche nell’embrione guidandone lo sviluppo. Le cellule differenziate mantengono l’intero genoma, è espressa solo la porzione caratteristica della linea cellulare (ad eccezione dei nematodi, dove le cellule differenziate eliminano il genoma superfluo). Questo è possibile grazie a fattori epigenetici. La metilazione delle citosine impedisce la trascrizione, anche nella eucromatina (silenziamento). Un altro livello di regolazione sono le modificazioni covalenti delle code istoniche portando alla compattazione, decompattazione, aumento di trascrizione, diminuzione della trascrizione, segnali di replicazione (gruppi acetili, metili, fosforici, ubiquitina, biotina). L’acetilazione istonica comporta l’accesso di fattori demetilanti sul DNA, attivando la trascrizione. I morfogeni portano a reazioni epigenetiche nell’embrione che attivano geni specifici.

Movimenti cellulari della gastrulazione

1. Invaginazione/involuzione: ripiegamento di una lamina di cellule all’interno della cavità centrale. Una lamina di cellule inizialmente esterna si ripiega verso la matrice liquida, senza perdita di coesione fra le cellule, costituendo una lamina di tessuto interna che tappezza una cavità in contatto con l’esterno.
2. Embolia: scorrimento verso l’interno di uno strato di cellule che si trovano all’esterno (contrascinamento delle cellule esterne adiacenti). Lo scivolamento attivo di cellule, che scorrono sotto le cellule esterne, all’interno della matrice liquida forma un secondo strato cellulare interno.
3. Epibolia: espansione per scorrimento della lamina cellulare esterna grazie a uno o tutti questi processi:
   • Divisione cellulare
   • Allungamento delle cellule
   • Riduzione del n° degli strati a darne uno solo più esteso
4. Trasferimento all’interno: migrazione di singole cellule da strati esterni all’interno. La perdita delle connessioni con le cellule adiacenti provoca il distacco di cellule dalla lamina esterna che migrano liberamente come singole nella matrice liquida.
5. Delaminazione: separazione di lamine di cellule da una massa cellulare unica. Un’intera lamina cellulare (cellule che mantengono le giunzioni reciproche) si distacca da una superficie nella matrice liquida

Annessi embrionali

Gli annessi embrionali sono organi accessori transitori costituiti da più...