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a. lamine di cellule dallo strato esterno, attraverso la cavità sottogerminale, si appoggiano sul

vitello, delimitando una cavità, analoga al blastocele, definita da epiblasto (cellule che non

hanno delaminato dorsali) e ipoblasto (cellule che hanno delaminato ventrali) a contatto

col vitello

b. le cellule dell’ipoblasto hanno la funzione di digerire il vitello si costituisce un embrione

ovale appiattito (analogo a quello sferico degli anfibi)

2. Epibolia di celle dai margini del blastodisco verso l’asse centrale

3. Invaginazione di cellule sull’epiblasto formando un nodo di Hensen (analogo al labbro dorsale

blastoporo) a semicerchio che continua in una stria primitiva (linea longitudinale)

a. l’invaginazione è dovuta al cambio morfologico delle cellule a bottiglia/a fiasco

4. Embolia di cellule dalla stria primitiva ad occupare aree nel blastocele (cavità compresa tra ipo e

epiblasto)

- durante l’embolia il nodo di Hensen si sposta lungo la stria primitiva

- parte delle cellule che entrano dal nodo di Hensen e dalla stria primitiva sono endodermiche

nell’immagine gialle

- le cellule endodermiche inizialmente entrano in mutuo contatto con l’ipoblasto, poi vanno a

sostituire parzialmente le cellule dell’ipoblasto costituendo l’endoderma embrionale a contatto con

il vitello

- l’ipoblasto diventa marginale e costituirà il sacco vitellino espandendosi circondando l’intero

vitello (sono cellule extraembrionali)

- endoderma e ipoblasto sono in continuità

- le altre cellule che entrano entrano dal nodo di Hensen e dalla stria primitiva sono mesodermiche

- le cellule che si dispongono ad occupare il blastocele costituiscono il mesoderma (che forma gli

organi embrionali)

- sulla parte superiore dell’embrione rimane uno strato di cellule epiblastiche ectodermiche

5. Costituzione di un embrione triblastico con endoderma non organizzato a tubo direttamente a

contatto col vitello, mesoderma che occupa aree interne, ectoderma superficiale (l’embrione è

piatto appoggiato sul vitello)

- La sola differenza tra nodo di Hensen e stria primitiva (che sono punti di invaginazione) è la direzione di

migrazione delle cellule

- Alla stria primitiva arrivano cellule dai soli margini laterali da due direzioni opposte >|<

- Al nodo di Hensen arrivano cellule da tutte le direzioni causando la formazione di un’apertura/un margine

semicircolare annessa alla stria

- Le prime cellule che si introflettono dal nodo e della stria sono cellule di natura endodermica che si

riposizionano nello strato più profondo che scalzano e diventano solidali con le cellule dell’ipoblasto per

costituire un epitelio monostratificato

- Le seconde cellule che entrano sono mesodermiche che si separano come singole cellule occupando il

volume centrale del blastocele formando un connettivo

- L’ipoblasto viene spinto/confinato alla periferia, dall’intrusione delle cellule endodermiche, da dove

origina gli annessi extraembrionali

- I movimenti della gastrulazione sono più simili tra sauropsidi e anfibi (evolutivamente più vicini) (anche se

uno parte da blastodisco e l’altro da blastula) rispetto a quella dei pesci teleostei (anche come i sauropsidi

partono da un blastodisco)

- L’embrione piatto ha il tubo digerente aperto sul vitello, con i foglietti embrionali disposti su questa massa

(non in modo concentrico)

- Le prime fasi dello sviluppo dei sauropsidi prevedono, oltre alla costituzione dell’embrione stesso, la

formazione di organi accessori transitori chiamati annessi embrionali

Costruzione degli annessi embrionali

- I Sauropsidi sono i primi vertebrati completamente indipendenti dall’ambiente acquatico

- L’uovo è quindi dotato di guscio più una serie di membrane che impediscono l’eccessiva perdita d’acqua

- Tuttavia escrezione e procacciamento attivo di cibo sono impossibili con questo tipo di uovo

- Ciò comporta diversi adattamenti fisiologici

- L’isolamento degli embrioni nelle uova per molto dello sviluppo porta delle problematiche:

1) la necessità di costruirsi un ambiente acquoso in cui l’embrione possa svilupparsi per compiere i

suoi movimenti morfogenetici

a. questo problema viene ovviato con la costruzione dell’amnios (i sauropsidi sono i primi

amnioti)

b. l’amnios è l’annesso embrionale che produce l’ambiente acquatico necessario per lo

sviluppo

c. l’organo produce il liquido amniotico in cui l’embrione compie i movimenti morfogenetici

2) la necessità di effettuare scambi gassosi con l’esterno (assorbire efficacemente ossigeno e liberarsi

dell’anidride carbonica)

a. il guscio dell’uovo è poroso ma si deve formare comunque un polmone embrionale, un

organo respiratorio transitorio in grado di effettuare questi scambi gassosi perché tra la

matrice gassosa aerea e la matrice liquida embrionale non possono diffondere i gas (a

causa della tensione superficiale)

b. il corion è l’annesso embrionale che negli amnioti acquisisce funzione respiratoria

3) l’impossibilità di espellere all’esterno i prodotti di scarto metabolici (cataboliti)

a. la strategia utilizzata per ovviare a questo problema è la produzione di cataboliti in grado di

precipitare sotto forma di sali (cristalli non tossici per l’embrione) che sono accumulati

nell’allantoide

4) la necessità di distribuire a tutte le cellule dell’embrione la massa di nutrienti del vitello

a. viene formato un organo embrionale adibito alla digestione del vitello e al trasporto dei

nutrienti all’embrione: il sacco vitellino

- I tessuti dei tre foglietti embrionali quando si associano per formare gli annessi diventano tessuti

exraembrionali

- Il mesoderma nei vertebrati non da, come negli echinodermi, una massa prettamente connettivale (cellule

libere in una matrice), ma dà origine a porzioni strutturate

- L’ectoderma è superficiale

MESODERMA

PRECORDALE

MESODERMA NODO DI HENSEN

ASSILE STRIA PRIMITIVA SOMATOPLEURA

MESODERMA

CELOMA CELOMA LATERALE

SPLANCNOPLEURA

CORDA

MESODERMA ENDODERMA

MESODERMA PARASSIALE

INTERMEDIO

- L’endoderma forma una lamina alla base dell’embrione in contatto con il vitello

- Il mesoderma si distribuisce in modo diverso a seconda della posizione rispetto alla stria primitiva e al

nodo di Hensen

- Sulla linea mediana corrispondente alla stria primitiva, sottostante a questa, si organizza la parte di

mesoderma che origina la corda (mesoderma compatto)

- Anteriormente (sotto il nodo di Hensen), da materiale entrato da tutte le direzioni dal nodo, si forma una

massa più allargata di mesoderma precordale

- Ai lati della corda, nelle regioni adiacenti, si formano gruppi di cellule (compatte) che costituiscono il

mesoderma parassiale

- Agli apici laterali del mesoderma parassiale si forma una regione di mesoderma intermedio

- Il mesoderma intermedio separa la cavità celomatica dal mesoderma parassiale

- Dalle regioni laterali del mesoderma intermedio si sviluppano due lamine di mesoderma (separate dal

celoma) che si portano a contatto dorsalmente con l’ectoderma e ventralmente con l’endoderma,

formando il mesoderma laterale in senso stretto

- Il mesoderma laterale è costituito da lamine di cellule mesodermiche che si sono incollate rispettivamente

alle lamine epiteliali di endoderma e di ectoderma formando le cavità celomatiche

- L’unione delle lamine forma matrici a doppio strato

- Le lamine laterali endodermiche formano unità morfologico-funzionali rispettivamente con la lamina

epiteliale ectodermica e endodermica

- La lamina ecto-mesodermica forma la somatopleura (pleura del corpo)

- La lamina endo-mesodermica forma la splancnopleura (pleura viscerale)

- Ai lati il disco embrionale è formato dai due tipi di pleure

- La parte centrale del disco da origine all’embrione vero e proprio con tutte le sue componenti

(mesoderma assile/corda, mesoderma parassiale, mesoderma intermedio e le lamine laterali) mentre la

parte più laterale delle lamine laterali entrerà in gioco per la costruzione degli annessi embrionali

- Il mesoderma somatico ha proprietà diverse dal mesoderma splancnico

- Il mesoderma splancnico è il solo in grado di formare i vasi sanguigni (e.g. il derma è costituito da

mesoderma somatico ma i vasi derivano da intrusioni/insinuazione di mesoderma splancnico)

- Le due lamine/alette di mesoderma splancnico e somatico si allungano cercando di circondare/rivestire il

vitello a formare il sacco vitellino (nei sauropsidi l’intero vitello non è mai circondato ma lo è sempre

almeno oltre l’equatore)

- Contemporaneamente alla proliferazione di queste masse attorno al vitello, sui confini dell’embrione la

somatopleura si solleva a dare “tipo due alette di pipistrello” in modo da aumentare le dimensioni del

celoma extraembrionale

- Le lamine protrudono contemporaneamente verso l’alto (sopra il vitello) dalle zone laterali, anteriore e

posteriore

- Queste alette/pieghe di somatopleura si sollevano nella tridimensionalità, sia davanti che dietro,

convergono sulla linea mediana e, fondendosi costruiscono un guscio attorno all’embrione: la capsula di

protezione dell’amnios

- L’amnios è costituito dalla somatopleura ed è in grado di produrre continuamente liquido amniotico

adattando l’accumulo di liquido alla dimensione dell’embrione e agli stadi dello sviluppo (ectoderma

interno e mesoderma esterno)

- Le pieghe di somatopleura convergendo si fondono formando internamente l’amnios che delinea la cavità

amniotica e esteriormente il corion che forma un rivestimento circondante il celoma extraembrionale che

contiene amnios, embrione, vitello, allantoide

- il corion è un tessuto fatto da somatopleura (ectoderma esterno e mesoderma interno) che formerà la

membrana respiratoria

- Tuttavia la sola somatopleura non è in grado di vascolarizzare, quindi inizialmente il corion ha funzione

protettiva

- Nel momento in cui si sollevano le pieghe amniotiche e il celoma extraembrionale si allarga, l’embrione

viene sollevato/scollato dal vitello

- Una parte di endoderma forma la parete dorsale del tubo digerente dell’embrione mentre l’altra parte

rimane associata al vitello e forma, con la lamina mesodermica, il sacco vitellino

- Dalla parte posteriore dell’intestino embrionale si allunga e si espande nella cavità del celoma

extraembrionale costituendo allantoide

- L’allantoide (splancnico e quindi angiogenico), espandendosi, si associa, in certe porzioni, al corion

vascolarizzandolo e formando la membrana corion-allantoidea (i.e. membrana respiratoria funzionale)

- Per riassumere:

 sacco vitellino: ectoderma esterno (dalla somatopleura del corion), mesoderma intermedio

(fusione della lamina mesodermica splancnica del sacco vitellino con la lamina mesodermica

somatica del corion), endoderma nella parte più profonda a contatto col vitello

 corion: somatopleura (ectoderma esterno, mesoderma interno)

 allontoide: splancnopleura

o membrana corion-allantoidea

 amnios: somatopleura (ectoderma interno, mesoderma esterno)

- Sezionando un embrione:

1) Guscio calcareo

2) Albume assottigliato nella porzione dove si allarga nel celoma

3) Membrana corion-allantoidea

4) Corion

5) Allantoide

6) Embrione circondato dalla membrana dell’amnios

7) Sacco vitellino vascolarizzato appeso ventralmente

- L’embrione è annesso al sacco vitellino e all’allantoide tramite due peduncoli

- Il peduncolo vitellino è ventrale centrale, il peduncolo allantoideo è ventrale caudale e originerà il funicolo

ombelicale

- A questo punto è partita anche l’organogenesi

Gastrulazione della blastocisti nei Mammiferi

- La gastrulazione parte dopo l’invasione del trofoblasto della blastocisti

- La MCI va incontro a 2 fenomeni:

1. Delaminazione della porzione di blastomeri a contatto con la cavità verso il versante interno del

trofoblasto (senza raggiungerlo)

2. Contemporanea schizocelia delle cellule della MCI che si affacciano sullo spazio creato dalla

delaminazione, che produce una cavità amniotica diametralmente opposta alla cavità della

blastocisti (futuro sacco vitellino)

 le due cavità sono separate da 2 strati cellulari: l’epiblasto (ectoderma) e l’ipoblasto

- Questi due primi movimenti sono il presupposto per ottenere un embrione piatto discoidale (diblastico)

costituito da foglietti sovrapposti, analogamente a quello dei sauropsidi

3. Epibolia delle cellule superficiali dell’epiblasto

4. Invaginazione con formazione di un nodo di Hensen e stria primitiva

5. Embolia delle cellule superficiali

 le prime cellule che migrano all’interno, come nei Sauropsidi, vanno a sostituire la porzione

centrale dell’ipoblasto (a contatto con la cavità della blastocisti) formando l’endoderma

 le cellule successive vanno a porsi sopra il neo-endoderma formando il mesoderma

6. Ottenimento dell’embrione piatto con la sovrapposizione dei 3 foglietti embrionali

- I meccanismi/le dinamiche molecolari e morfologici sono omologhi a quelli dei Sauropsidi

- L’unica differenza tra sauropsidi e mammiferi è che nei primi l’embrione poggia su una massa di vitello,

nei secondi l’embrione è compreso tra due cavità piene di liquido internamente al trofoblasto

Costruzione degli annessi embrionali

- Nel mammifero, l’embrione prima della gastrulazione è costituito da due epiteli (ipoblasto e epiblasto)

adesi tra loro da una matrice connettivale costituita dall’ipoblasto

- La matrice connettivale si interpone anche tra i tessuti embrionali e il trofoblasto

- Con la gastrulazione si dispongono endoderma embrionale, mesoderma embrionale e il mesoderma delle

lamine che si fa spazio a livello extraembrionale

- Le due cavità sono il sacco vitellino e l’amnios

- Il trofoblasto, proliferato nella mucosa uterina, assume funzione di corion

- Il corion (che origina dal trofoblasto) produce dei villi che sono raggiunti dall’allantoide per la costituzione

della membrana corion-allantoidea

- Da un diverticolo dell’endoderma embrionale si origina l’allantoide, espandendosi nella massa di

mesoderma

- L’allantoide è del tutto omologo a quello del sauropside ma lo scopo dell’allantoide nel mammifero è la

sola costruzione della membrana corion-allantoidea associandosi al trofoblasto

- Nel mammifero la membrana corion-allantoidea rappresenta la porzione embrionale della placenta

- La membrana corion-allantoidea assume la duplice funzione di membrana respiratoria e superficie di

scambio di nutrienti e cataboliti

- Il sacco vitellino nei mammiferi è fondamentale per la formazione dell’embrione piatto ed è costituito

dall’endoderma e dalla cavità definita che non contiene il vitello

- Il sacco possiede comunque capacità di assorbimento e trasferimento di nutrienti al circolo embrionale, e

in gravidanza avanzata, permette la consegna di un pacchetto di anticorpi pronto uso al nascituro

- Con l’organogenesi l’embrione di mammifero si solleva, rimanendo connesso al sacco vitellino tramite il

peduncolo ombelicale (più avanti è inglobato nel funicolo ombelicale)

- Il sacco vitellino perde volume mentre l’amnios si espande circondando l’intero embrione

- Partendo da uova, embrioni, segmentazioni completamente diversi tra mammiferi e sauropsidi si arriva

alla costituzione di un embrione alla fine della gastrulazione con tutti gli elementi in comune

1) sacco vitellino: cavità della blastocisti tappezzata di endoderma più mesoderma splancnico

2) amnios: cavità scavata nella MCI rivestita da ectoderma più mesoderma somatico

3) corion: trofoblasto e mesoderma somatico

4) allantoide: diverticolo del tubo digerente rivestito endoderma e mesoderma splancnico

- Tutti i mammiferi organizzano la placenta partendo dal diverticolo allantoideo, ad eccezione dei

marsupiali

- Nei Marsupiali la placenta è corion-vitellina, ma è difettiva perché non invasiva

- I Roditori (mammiferi euteri) producono una placenta doppia

- Il sacco vitellino funge da placenta transitoria, assorbendo i liquidi interstiziali materni, mentre il

trofoblasto invade la mucosa uterina ed è organizzata la placenta definitiva

Controllo epigenetico dell’espressione genica

- Per avere una placenta funzionale è necessario che la decidua reagisca all’invasione con una reazione

infiammatoria aspecifica (senza reazione immunitaria), perché si formino le cellule deciduali con la funzione

di fronteggiare l’avanzamento del trofoblasto e sia potenziata la vascolarizzazione

- La reazione infiammatoria della decidua è possibile perché le cellule del trofoblasto/corion esprimono

sono alleli paterni (non self nei confronti dell’utero materno) (geni del pronucleo femminile silenziati

epigeneticamente)

- Il genomic imprinting è la capacità dello zigote di riconoscere la provenienza materna o paterna dei suoi

geni, di attivare selettivamente geni paterni sotto il controllo epigenetico

- Il genomic imprinting è un processo tipico dei mammiferi necessario per causare la risposta infiammatoria

dell’utero, che porta alla giusta vascolarizzazione della placenta

- Dopo la formazione dello zigote avviene una rapida demetilazione dei geni paterni

- Il trofoblasto deve presentarsi all’utero come componente non self ma deve presentarsi in modo uguale,

indipendentemente dal sesso dell’embrione (quindi se i maschi hanno solo l’X materno anche le femmine

devo esprimere solo l’X materno)

- Tutte le cellule del trofoblasto di un embrione femmina silenziano il cromosoma X paterno perché il

trofoblasto di un embrione maschio, che possiede solo il cromosoma X materno, esprime solo alleli materni

per quel cromosoma

- Sugli altri cromosomi somatici sono attivati solo geni paterni negli embrioni di entrambi i sessi

- Successivamente nello sviluppo, nel trofoblasto continua a essere espresso il cromosoma X materno,

mentre nell’embrione femmina l’inattivazione diventa random (l’individuo femmina è un mosaico, vedi

gatti pezzati femmine)

- Al fine di un impianto ben riuscito tutta la macchina epigenetica deve essere ben coordinata

- La placenta cresce e assume forme diverse secondo la specie e secondo il tipo di placentazione

- Nelle placente più funzionali i villi coriali si affacciano direttamente nelle lacune sanguigne dove arriva

sangue ossigenato carico di nutrienti dalla madre, avviene lo scambio e riparte sangue carico di scorie che

ritorna al circolo materno

- La barriera placentale è rappresentata dalla massa del trofoblasto e dell’endotelio dei vasi ombelicali

- Non vie è commistione di sangue tra i circoli materno e embrionale, garantito dal fatto che attorno ai vasi

ombelicali che arrivano alla membrana corion-allantoidea c’è la matrice cellularizzata del corion che

proviene dal trofoblasto

- Il trofoblasto è una barriera relativamente selettiva che si nutre di parte delle sostanze che passano, in

grado di elaborare certe molecole nutrienti di bassa qualità in alta qualità (certi aminoacidi e lipidi)

- Tuttavia non è in grado di riconoscere sostanze tossiche da altre quindi non garantisce la protezione

chimica dell’embrione

- Alcuni xenobiotici sono innocui per la madre ma una volta metabolizzati dalle cellule del trofoblasto sono

tossici per l’embrione

Gastrulazione del blastoderma superficiale negli Insetti

- Poiché quella degli insetti è una linea filogenetica molto distante da quella dei cordati, lo sviluppo è

completamente diverso

- L’uovo centrolecitico degli insetti è polarizzato: possiede un gradiente di molecole che determinano, a

partire dall’uovo, la porzione anteriore e posteriore del futuro individuo

- Al momento della segmentazione alcune cellule posteriori, chiamate cellule polari, quelle che daranno

origine ai gameti dell’individuo (linea germinale), avranno già segregato parte del citoplasma contenente

dei marcatori particolari che non si trovano uniformemente distribuiti in tutto il sincizio/blastoderma e che

ne consentono l’identificazione molecolare e morfologica (cellule più grandi che sporgono dalla massa

embrionale)

- Anche nel blastoderma superficiale è possibile individuare regioni cellulari, tutte superficiali, che sono già

determinate per la formazione dei tessuti embrionali e segnarne una mappa presuntiva

- Il blastoderma circonda la massa di vitello che è una matrice favorevole ai movimenti cellulari

1. Invaginazione dei blastomeri ventrali, commissionati a dare origine al mesoderma, con formazione

di cellule a bottiglia, lungo il solco mediano

 Il ripiegamento dei blastomeri mesodermici porta allo strozzamento e all’identificazione di

un tubo mesodermico circondato da territori adiacenti ectodermici

 Disgregazione del tubo con riposizionamento all’interno (alla base e ai lati dell’embrione)

delle singole cellule del mesoderma

2. Invaginazione posteriore di regioni principalmente prospetticamente endodermiche (con margini

ectodermici)

 insieme al ripiegamento dei tessuti posteriori sono portate/trascinate all’interno anche le

cellule polari

3. Invaginazione anteriore dell’endoderma (con margini ectodermici)

4. I due fenomeni di invaginazione formano due tubi che si approfondano/si insinuano nel vitello e

vanno a riunirsi costituendo un unico tubo digerente endodermico

- I solchi ventrale e anteriore e posteriore sono “microscopicamente” visibili

- L’embrione è esternamente rivestito da ectoderma, il tubo digerente si sta formando per progressione nel

vitello dei due tubi endodermici anteriore e posteriore e il mesoderma (cellule libere) internalizzato si

associa sia all’ectoderma che al tubo digerente endodermico

5. Il mesoderma va a circondare il tubo digerente e le pareti interne dell’ectoderma superficiale

6. Costituzione di embrione triblastico dotato di tubo digerente

MORFOGENESI E ORGANOGENESI

- Da embrioni sferici o piatti, costituiti dai tre foglietti embrionali, inizia l’organizzazione della forma

dell’individuo e la formazione degli organi

- Organogenesi e morfogenesi sono processi distinti ma contemporanei

 Organogenesi: strutturazione di organi (i.e. unità funzionali formati dalla cooperazione dei foglietti

embrionali) in grado di lavorare in modo coordinato con altri organi nella costituzione degli

apparati

 Morfogenesi: processi che determinano la forma dell’individuo, il suo fenotipo

- I fenomeni di organogenesi e morfogenesi originano dagli eventi della gastrulazione (i.e. ridistribuzione

dei blastomeri commissionati nei foglietti embrionali) e dipendono dalla determinazione molecolare degli

assi corporei

- I processi di organogenesi e morfogenesi durante lo sviluppo embrionale si basano su diversi meccanismi

(DOMANDA D’ESAME: eventi (non fasi) alla base dello sviluppo embrionale):

 differenziamento

 proliferazione cellulare

 morte cellulare per apoptosi e necrosi

 movimenti cellulari

 regolazione dei fluidi

 induzione: processo chiave di comunicazione tra tessuti

- Negli insetti esiste una relazione tra i segmenti di origine nell’embrione e gli organi definitivi dell’adulto

(i.e. l’alterazione di un segmento comporta l’alterazione dell’organogenesi)

- Nei vertebrati è rilevante l’organizzazione del mesoderma e i suoi derivati

- Gli eventi che determinano la polarità dell’embrione sono fondamentali per una corretta organogenesi e

morfogenesi

Determinazione degli assi corporei in Drosophila

- Nel follicolo ovarico di Drosophila si riconosce una cellula progenitrice, circondata da cellule follicolari, che

dividendosi originerà una cellula uovo e una rete di cellule nutrici

- Le cellule nutrici originate hanno il ruolo di rendere disomogeneo il citoplasma della cellula uovo con la

deposizione di fattori molecolari

- Le cellule nutrici formano una rete sinciziale tramite i canali anulari, rendendo il citoplasma condiviso

- Inoltre quattro cellule nutrici adiacenti alla cellula uovo stabiliscono i canali anche con essa

- Le cellule nutrici maturano prima della cellula uovo, che rimane in posizione eccentrica con un versante

addossato a cellule nutrici e l’altro addossato al follicolo

- Il follicolo è costituito da un epitelio monostratificato piatto di contenimento nelle porzioni addossate alle

cellule nutrici

- Le cellule follicolari a contatto con la cellula uovo formano una porzione di epitelio cilindrico a funzione

trofica e secernente

- L’attività sinergica di cellule nutrici e cellule follicolari matura un uovo polarizzato a livello molecolare

- L’asse molecolare all’interno della cellula uovo corrisponde all’asse antero-posteriore dell’individuo

formato

- Inoltre durante la maturazione dell’uovo è costituito un guscio esterno protettivo morfologicamente

distinguibile in polo anteriore, distinguibile dalla presenza di piccoli tubi respiratori, e polo posteriore

- Le cellule nutrici sintetizzano la proteina GURKEN accumulata, tramite la rete di canali, nella porzione di

citoplasma dell’oocita tra il nucleo e l’epitelio follicolare (i.e. nel citoplasma distale rispetto alle cellule

nutrici)

- Le cellule follicolari esprimono recettori specifici per GURKEN

- GURKEN induce le cellule follicolari a sintetizzare proteine specifiche accumulate nella stessa area di

citoplasma precedentemente occupata da GURKEN

- Queste proteine causano nell’uovo la polimerizzazione polarizzata di microtubuli dalla zona posteriore

(i.e. plus end) alla zona anteriore (i.e. minus end)

- I microtubuli forniscono un tracciato molecolare per il trasporto del nucleo dell’uovo, circondato da un

alone di GURKEN, dalla zona centrale alla zona anteriore dorsale

- Le cellule follicolari, a contatto con la porzione dorsale anteriore dell’uovo, esposte a GURKEN esprimono

e secernono segnali dorsalizzanti

- Contemporaneamente sono trascritti mRNA accumulati in maniera localizzata grazie ai microtubuli in

porzioni differenti del citoplasma della cellula uovo

- Sono accumulati mRNA di BICOID, fattore anteriorizzante, al polo anteriore dell’uovo, a contatto con le

cellule nutrici

- Sono accumulati mRNA di NANOS e OSKAR, fattori posteriorizzanti, al polo posteriore dell’uovo, a

contatto con le cellule nutrici

- Sono stati condotti numerosi esperimenti che hanno dimostrato il legame tra questi fattori molecolari e il

destino intrapreso dai segmenti corporei nell’insetto adulto

- Si identificano segmenti cefalici, toracici e addominali (nell’embrione gastrulato) che originano strutture

tipiche delle rispettive regioni corporee, inoltre si aggiungono una porzione non segmentale anteriore e

una posteriore

- L’embrione di una Drosophila è quindi suddivisibile in senso antero-posteriore in:

 Acron non segmentale

 Testa

 Torace

 Addome

 Telson non segmentale

- Il mutante bcd non esprime BICOID e mostra il fenotipo di un embrione segmentato in telson-addome-

telson

- Il mutante bcd in cui è iniettato mRNA di BICOID nel polo anteriore ristabilisce il fenotipo selvatico

- Il mutante bcd in cui è iniettato mRNA di BICOID nella porzione centrale produce il fenotipo telson-torace-

testa-torace-addome-telson

- Il WT in cui è iniettato mRNA di BICOID nel polo posteriore produce il fenotipo acron-testa-torace-

addome-torace-testa-acron

- Questi esperimenti hanno dimostrato che il gene BICOID codifica per un fattore di trascrizione necessario

e sufficiente per l’attivazione di geni che organizzano i segmenti corporei a costituire strutture cefaliche in

relazione al gradiente

- Analogamente i geni NANOS e OSKAR codificano per fattori di trascrizione necessari per l’attivazione di

geni che organizzano i segmenti corporei in strutture caudali

- Per riassumere:

1. La cellula uovo origina da una cellula progenitrice ricoperta da epitelio follicolare

2. La proliferazione asimmetrica della cellula progenitrice produce un sincizio di cellule nutrici

anteriore connesso alla cellula uovo posteriore a contatto con il follicolo

 La dislocazione eccentrica della cellula uovo permette già di identificare il futuro polo

posteriore dell’embrione

3. Le cellule nutrici producono e accumulano GURKEN nel citoplasma distale della cellula uovo (i.e.

posto tra nucleo e la porzione di membrana plasmatica a contatto con le cellule follicolari)

4. GURKEN induce le cellule follicolari posteriori a contatto con la porzione distale della cellula uovo a

secernere e accumulare fattori molecolari nel citoplasma distale della cellula uovo

5. I fattori molecolari prodotti inducono la polimerizzazione polarizzata di microtubuli dal polo

posteriore dell’uovo verso il polo anteriore

6. Sono prodotti gli mRNA di BICOID, NANOS e OSKAR dalla cellula uovo

 BICOID produce un fattore di trascrizione che attiverà una cascata genica anteriorizzante

 NANOS e OSKAR producono fattori di trascrizione che attiveranno una cascata genica

posteriorizzante

7. L’orientamento dei microtubuli permette l’accumulo di BICOID al polo anteriore, l’accumulo di

NANOS e OSKAR al polo posteriore e la migrazione del nucleo circondato da un alone di GURKEN al

polo anteriore dorsale, che induce le cellule follicolari a secernere fattori di trascrizione che

attiveranno una cascata genica dorsalizzante

 L’accumulo localizzato di questi fattori molecolari predeterminano, durante la maturazione

della cellula uovo, l’asse antero-posteriore e l’asse dorso-ventrale del futuro embrione

Determinazione degli assi corporei nei vertebrati

- Il labbro dorsale del blastoporo, lo scudo embrionale e il nodo di Hensen sono strutture con funzioni

omologhe

- Il labbro dorsale del blastoporo (anfibi), il nodo di Hensen (sauropsidi e mammiferi) e lo scudo embrionale

(teleostei) sono gli organizzatori primari degli assi embrionali

- Gli organizzatori primari sono le prime sedi identificabili in grado di indurre altri tessuti ad intraprendere

un cammino differenziato

- Sono in grado di determinare gli assi corporei negli embrioni inizialmente sferici o piatti

- Esperimenti di manipolazione di anfibi di Spemann (pioniere di embriologia sperimentale): da un

embrione in gastrula incipiente, sono prelevati i territori del labbro dorsale del blastoporo e trapiantati in

un’altra blastula allo stesso stadio sul lato opposto: si ottiene un embrione doppio (con porzione doppie e

altre comuni) per la formazione di due assi corporei

- Spemann definisce il labbro dorsale del blastoporo come organizzatore primario

- Esperimenti di asportazione e impianto di altre regioni dell’embrione non inducono la formazione di un

secondo labbro dorsale con l’individuazione di un altro asse dorso-ventrale

- Gli stessi esperimenti sono stati ripetuti anche in altre classi identificando il ruolo di organizzatore

primario nel nodo di Hensen negli embrioni piatti e nello scudo embrionale negli embrioni di ittiopsidi con

blastodisco

- L’organizzatore primario induce la formazione di strutture polarizzate secondo gli assi corporei principali

- Dal momento in cui emerge la struttura dell’organizzatore primario è possibile individuare negli embrioni

punti di riferimento (e.g. il labbro dorsale individua il dorso, il nodo di Hensen la zona anteriore)

- Negli anfibi, il punto di ingresso dello spermatozoo definisce il polo ventrale dell’embrione

- Lo spermatozoo può entrare in qualsiasi punto della cellula uovo

- La fecondazione induce una rotazione corticale di 30° verso il punto di ingresso dello spermatozoo (i.e. il

polo ventrale) definendo, sul lato opposto dell’embrione, la semiluna grigia (i.e. il polo dorsale)

- La fecondazione definisce l’asse dorso-ventrale

- La base della semiluna grigia differenzia in labbro dorsale del blastoporo che induce la gastrulazione

- La formazione del blastoporo causa l’ingresso di materiale verso la zona anteriore dell’embrione

- La gastrulazione comincia con il posizionamento di mesoderma anteriore, mentre il mesoderma

posteriore è posizionato in un secondo momento

- La gastrulazione definisce l’asse antero-posteriore

- Esperimenti di Spemann su embrioni di anfibi hanno dimostrato che embrioni dimezzati contenenti

porzioni di semiluna grigia si sviluppano in individui completi, mentre embrioni dimezzati senza porzioni di

semiluna grigia si sviluppano in masse corporee ventrali

- Questi esperimenti suggeriscono l’esistenza di un fattore necessario alla gastrulazione contenuto nella

semiluna grigia (però non è così perché…)

- Nieuwkoop, con altri esperimenti, dimostra che solo i blastomeri al di sotto della semiluna grigia sono

necessari e sufficienti a indurre la doppia gastrulazione in una blastula impiantata

- I blastomeri localizzati nel centro di Nieuwkoop (blastomeri al di sotto della semiluna grigia, senza

comprenderla) sono gli organizzatori dell’organizzatore primario

- Esperimenti condotti su anfibi negli anni ‘80 hanno dimostrato che dalla calotta vegetativa diffondono

fattori molecolari in grado di determinare il destino differenziativo in mesoderma dei blastomeri confinanti

- I blastomeri del centro di Nieuwkoop tuttavia sono gli unici in grado di specificare il destino di mesoderma

dorsale

- Durante la gastrulazione negli anfibi, la prima parte dei blastomeri internalizzati attraverso blastoporo,

che vanno a occupare le porzioni più anteriori, sono indotti a formare mesoderma dorsale precordale,

mentre i successivi sono indotti a formare mesoderma dorsale cordale

- Il resto del mesoderma non è predeterminato: è la corda ad indurre la formazione del mesoderma laterale

in somiti, creste urogenitali e lamine laterali

- Esperimenti analoghi hanno dimostrato in altre classi l’esistenza di omologhi del centro di Nieuwkoop

- Nei sauropsidi l’organizzatore del nodo di Hensen è stato identificato in un punto della zona marginale

posteriore dell’area opaca del blastodisco

- Negli ittiopsidi lo strato sinciziale del blastodisco, a contatto con il vitello, è in grado di indurre il

differenziamento prospettico in mesoderma dei blastomeri sovrastanti, omologamente alla calotta

vegetativa degli anfibi

- Una zona particolare dello strato sinciziale è omologa al centro di Nieuwkoop in quanto induce la

formazione del mesoderma dorsale

- L’organizzatore dell’organizzatore è una zona morfologicamente non identificabile ma contenente fattori

specifici per l’induzione del mesoderma dorsale

- Negli anfibi, la rotazione corticale indotta dalla fecondazione causa la ridistribuzione di fattori accumulati

dal polo vegetale al centro di Nieuwkoop attivandolo

- Esperimenti mostrano che la rotazione corticale nello zigote è ridotta o annullata se l’uovo viene esposto

a diverse intensità di luce UV durante la fecondazione

- Gli embrioni esposti a maggiori intensità di UV mostrano uno sviluppo dorsale sempre più alterato (i.e.

sono perse le strutture cefaliche) fino all’ottenimento di una massa totalmente ventrale

- L’esposizione a raggi UV causa fenomeni analoghi alla rimozione del centro di Nieuwkoop

- Negli uccelli la fecondazione avviene negli ovidutti prima della formazione delle membrane secondarie

- L’embrione in sviluppo scende lungo gli ovidutti ruotando su sé stesso, causando la ridistribuzione

citoplasmatica che attiva la zona marginale posteriore omologa al centro di Nieuwkoop

- Uova fecondate in vitro non soggette a rotazione sviluppano una massa ventrale

- Per individuare i fattori induttori del mesoderma dorsale sono stati individuati tutti gli mRNA presenti

nell’uovo, clonati e inseriti artificialmente in blastule precoci

- L’mRNA della β-catenina è stato individuato come potenziale segnale induttore nei centri di Nieuwkoop di

embrioni di anfibi, sauropsidi, mammiferi e ittiopsidi

- Negli anfibi l’mRNA di β-catenina è depositato omogeneamente nel intero citoplasma dell’uovo dalle

cellule follicolari

- La β-catenina è quindi sintetizzata a partire da mRNA forniti all’embrione direttamente dalla madre

- La β-catenina è un fattore di trascrizione la cui degradazione è mediata dalla chinasi ubiquitaria GSK3

- GSK3 fosforila i residui terminali di serina e treonina della beta-catenina e ne provoca l'ubiquitinazione,

seguita dalla degradazione proteasomiale

- L’attività di GSK3 è regolata (repressa) dalla proteina DSH (DISHEVELLED)

- In presenza di DSH, GSK3 è inattiva e la β-catenina si accumula nel nucleo attivando la trascrizione genica

- In assenza di DSH, GSK3 degrada la β-catenina

- Un gradiente di β-catenina è creato dalla regolazione di GSK3 da DSH

- DSH è il fattore necessario e sufficiente a istruire i blastomeri ad essere il centro di Nieuwkoop (i.e.

secernere fattori che inducono la formazione del mesoderma dorsale)

- La proteina DSH è depositata dalle cellule follicolari nel citoplasma corticale a livello del polo vegetale

dell’uovo

- La rotazione corticale causata dalla fecondazione provoca la ridistribuzione di DSH nella porzione

sottostante la semiluna grigia

- DSH è un marcatore molecolare per le cellule del centro di Nieuwkoop

- La proteina β-catenina è localizzata solo nei blastomeri del centro di Nieuwkoop dove è in grado di

attivare la trascrizione di geni caratterizzanti le porzioni dorsali (i.e. il mesoderma dorsale)

- Negli ittiopsidi la β-catenina è stabile solo nella porzione dello strato sinciziale localizzata sotto lo scudo

embrionale

- Per riassumere:

1. Solo il centro di Nieuwkoop, e i suoi omologhi nelle varie classi, è un tessuto predeterminato

embrionale

a. Il suo ruolo di organizzatore dell’organizzatore è attribuito grazie alla distribuzione

localizzata di DSH depositata dalla madre che permette l’accumulo di β-catenina inibendo

GSK3

b. La β-catenina attiva la trascrizione di fattori secreti dal centro di Nieuwkoop

2. Il centro di Nieuwkoop induce nei tessuti sovrastanti la formazione dell’organizzatore primario

a. i fattori secreti dal centro di Nieuwkoop inducono la trascrizione di geni specifici per il

destino di mesoderma dorsale

3. La formazione del organizzatore primario coincide con la localizzazione dell’asse dorso-ventrale e

l’inizio della gastrulazione

4. Il posizionamento del mesoderma precordale e cordale identificano l’asse antero-posteriore

5. Il mesoderma cordale istruisce i tessuti adiacenti, sia ectoderma che mesoderma, a formare

strutture adeguate in relazione alla posizione rispetto alla corda

Accenno di morfogenesi e organogenesi negli insetti

- In Drosophila melanogaster, durante i processi di organogenesi, i foglietti dell’embrione triblastico (al

termine della gastrulazione) si riorganizzano a formare un embrione segmentato metamerico

- Nell’embrione metamerico si riconosce una regione cefalica non segmentata, una regione toracica e

dell’addome segmentate, una regione caudale non segmentata

- I segmenti inizialmente uguali contengono le tre matrici ecto- meso- e endodermiche anche se, a seconda

delle porzioni, si origineranno in un secondo tempo organi diversi

- Da questo embrione segmentato, alla fine dell’embriogenesi, alla schiusa, esce una larva, segmentata che

attraversa varie fasi larvali sempre più grandi fino alla pupa

- La larva accumula nutrienti e forma le ghiandole necessarie per la produzione del bozzolo per

l’impupamento

- Nella pupa i segmenti vengono riassorbiti lasciando masse di tessuto che sono ancora riconducibili al

segmento di origine: i dischi immaginali

- I dischi immaginali ricostruiscono, con nuovi processi di organogenesi, le strutture dell’adulto che una

volta pronto può uscire dal bozzolo e va a sfarfallare

- Nella pupa si riconoscono dischi immaginali, derivati dalla degenerazione dei metameri che danno origine

alle strutture dell’adulto

- I segmenti sono morfologicamente simili ma sono identificabili dal punto di vista molecolare da geni

specifici che conferiscono a quelle cellule la loro identità segmentale, mantenuta nei dischi immaginali

(ammassi di tessuto amorfi)

- Si può quindi ricostruire dall’organo finale a quale segmento appartenesse originariamente

- Allo stadio embrionale, nei vari segmenti sono attivi dei geni che conferiscono identità molecolare ai

segmenti

- I geni sono responsabili della morfogenesi dei dischi immaginali

- L’identità segmentale è un’identità molecolare (non morfologica) che porta i diversi segmenti verso un

destino prospettico che non può essere cambiato

- Il cambiamento dell’identità molecolare di un segmento porta alla formazione di un disco immaginale con

un’identità erronea che porterà a malformazioni dello sviluppo

- Quindi la prima morfogenesi embrionale forma un individuo che è in grado di nutrirsi e di formare

ghiandole portentose che lavorano tantissimo (con cromosomi a spazzola) dall’attività trascrizionale molto

attiva che servono all’impupamento e alla degenerazione dei segmenti mentre la seconda riorganizza le

masse cellulari negli organi dell’adulto

Organizzazione del mesoderma nei vertebrati

DOMANDA D’ESAME: organizzazione del mesoderma (nei vertebrati)

DOMANDA D’ESAME: derivati del mesoderma

- Gli embrioni in senso stretto dei vertebrati allo stadio filotipico sono simili perché tutti hanno posizionato

alcuni organi comuni (ai progenitori ostracodermi), hanno assunto una forma simile (solo alcuni possiedono

annessi embrionali)

- All’organizzazione degli organi comuni seguono morfogenesi e organogenesi diverse secondo la storia

evolutiva della classe/specie

- Dalla fine della gastrulazione fino allo stadio filotipico gli embrioni sono tridermici con i foglietti

concentrici

- Il mesoderma, durante la gastrulazione, si organizza/si condensa in compartimenti morfologicamente e

molecolarmente definiti

- Si possono distinguere un mesoderma cefalico (messo in posizione dal nodo di Hensen negli embrioni

piatti, costituito da cellule particolari migrate da tutte le direzioni che si distribuiscono in tutte le posizioni)

e uno posteriore (tronco-caudale)

- Il mesoderma del tronco e della coda si distingue in:

 mesoderma assile mediano/corda: cordone libero costituito da cellule globose che si sviluppa dalla

parte intermedia della regione cefalica (emicefalocordati) lungo tutto il tronco e la coda

 mesoderma laterale in senso lato: strutture laterali al mesoderma assile che formano un continuum

(i.e. le sue parti pur se morfologicamente distinguibili sono un’unità, cellule connettivali in senso

lato mantengono unitarie le varie parti)

- Il mesoderma cefalico/precordale è, cronologicamente, il primo a essere organizzato, seguito da

mesoderma dorsale assile e, successivamente, dal mesoderma laterale in senso lato

- Il mesoderma laterale (territorio competente che esprime i recettori specifici) mentre si sta posizionando

riceve dei segnali induttivi dalla corda, la quale segnala la sua posizione assile/mediana: il mesoderma più

vicino alla corda riceverà una maggiore quantità di segnale (che si diluisce diffondendo)

- A seconda della concentrazione di segnale (quantità di recettori attivati) che raggiunge i diversi territori

laterali alla corda (a seconda della vicinanza alla corda) noi avremo il differenziamento del mesoderma

laterale in senso lato in mesoderma: parassiale, intermedio, laterale in senso stretto

- Essendo la corda un organo mediano l’induzione è simmetrica a destra e a sinistra

- Il mesoderma laterale in senso stretto forma le lamine che subito si accollano agli epiteli ectodermici e

endodermico e vanno a costituire la somatopleura (superficiale) e la splancnopleura (profonda) definendo

la cavità celomatica

- Il celoma è la cavità interna generale corporea dell’embrione dentro la quale possono organizzarsi gli

organi interni, limitata dorsalmente dalla somatopleura e ventralmente dalla splancnopleura

- Alcune specie suddividono la cavità celomatica in sottocavità (es. pericardica, toracica, addominale)

- Dal mesoderma intermedio si formano i reni e le gonadi sporgenti nel celoma (il mesoderma intermedio è

la volta laterale del celoma)

- Tutto il mesoderma posteriore (assile, parassiale, intermedio, laterale) è sempre in continuità morfologica

- La distribuzione del mesoderma laterale in senso lato e la strutturazione concentrica attorno al tubo

digerente rivestito da endoderma sono uguali per gli embrioni piatti e per gli embrioni sferici: con il

sollevamento dell’embrione piatto (dal sacco vitellino, alla fine dei processi morfogenetici) e il suo

ripiegamento (che internalizza il tubo digerente) si ottiene una struttura identica a quella dell’embrione

sferico

- La corda ha rilevanza nello sviluppo non tanto per la sua funzione strutturale quanto per la sua funzione di

induttore assile generale

- L’asse è il migliore punto per indicare alle altre matrici embrionali qual è la loro posizione

- Le cellule della notocorda hanno un’attività secretoria di molecole induttrici solubili esagerata, che

avranno un effetto solo dove trovano i recettori (poco ci importa quindi se c’è una miscela di molecole

segnale perché tanto non dipende solo dalla presenza delle molecole ma soprattutto dai recettori espressi)

- Talvolta non c’è differenza di molecole segnale e quindi di recettori espressi tra due territori competenti

ma quello che cambia è la cascata di eventi che c’è poi a valle del legame segnale-recettore (gli effetti sono

territorio-specifici)

- Talvolta la stessa molecola segnale è percepita da due territori competenti prospetticamente diversi che

esprimono gli stessi recettori: il particolare differenziamento intrapreso dai due territori è dovuto a diversi

meccanismi e effetti della trasduzione dello stesso segnale

- Con la gastrulazione i foglietti sono già stati determinati e non sono più interscambiabili tra loro

- Le differenze sono riscontrabili anche morfologicamente/istologicamente ma è un differenziamento

soprattutto molecolare, di possibilità prospettiche

- Il mesoderma parassiale omogeneo assume una morfologia metamerica attraverso la graduale

formazione in senso cefalo-caudale di margini epiteliali che struttura somiti

- Visti al microscopio elettronico a scansione i somiti sono morfologicamente analoghi

- Istologicamente, la parte dorsale superficiale del somite si organizza in un epitelio mentre la parte

centrale si organizza in un core di cellule più tipicamente connettivali separate tra di loro

- La parte superficiale a organizzazione epiteliale prende il nome di derma miotomo (storicamente si soleva

distinguere un dermatomo centrale e due miotomi laterali), nome che si riferisce al destino di queste

cellule: differenziare il connettivo strutturale della cute e il tessuto muscolare dell’asse del corpo

- Le cellule più profonde, di natura connettivale, vanno a formare lo sclerotomo che differenzierà strutture

di sostegno/lo scheletro: le sue cellule libere migrano fino alla corda dove formano le vertebre

- Le vertebre saranno agganciate dalla muscolatura assile (cellule derivanti dal miotomo)

- L’unione delle vertebre con la muscolatura permette la flessione della schiena

- Il mesoderma intermedio, agganciato al mesoderma dei somiti, viene chiamato peduncolo del somite

perché è la porzione in continuità con il somite che si affaccia sul celoma

- Il peduncolo del somite non viene metamerizzato/segmentato ma rappresenta una cresta continua

sottostante i somiti (in continuità morfologica ma non molecolare con i somiti)

- Con la sua proliferazione, la cresta continua del peduncolo sporge nel celoma formando la cresta

urogenitale (la cresta di destra e di sinistra)

- Le gonadi e i reni dei vertebrati, a differenza degli insetti (dove si ha la segmentazione anche del materiale

mesodermico), si formano da strutture non metameriche

- La lamina laterale in senso stretto dorsale è la componente mesodermica della somatopleura (che ha la

capacità di differenziare certi tipi di tessuti connettivi)

- La lamina laterale in senso stretto ventrale è la componente mesodermica della splancnopleura (che è in

grado di fare angiogenesi)

- Il cordo-mesoderma (il primo che entra) forma la notocorda, organo induttore embrionale fondamentale

che può persistere in varia misura nell’adulto, che consente l’organogenesi generale che porta allo stadio

filotipico e la morfogenesi stabilendo l’asse dorso-ventrale e laterale

- Il mesoderma parassiale, inizialmente strutturato come lamina unica, va a segmentare costituendo i

somiti i quali daranno origine a tre componenti: lo sclerotomo origina i tessuti scheletrici (inizialmente

cartilaginei), il miotomo origina i muscoli scheletrici volontari assili, il dermatomo che origina il connettivo

del derma (ma non la vascolarizzazione del derma che origina dalla splancnopleura per commistione di

tessuti)

- Sclerotomo, miotomo e dermatomo sono porzioni funzionalmente diverse, ma da un punto di vista

morfologico lo sclerotomo è costituito da cellule libere mentre il dermamiotomo è una lamina epiteliale che

determina la segmentazione del materiale del mesoderma parassiale

- Il mesoderma intermedio/peduncolo del somite, che costituisce una volta del celoma, dà origine alla

cresta urogenitale (che differenzia reni e gonadi)

- In contatto con i comparti mesodermici splancnico e somatico, in alcuni embrioni, si trova il mesoderma

extraembrionale (anche gli annessi extraembrionali hanno una matrice splancnica e somatica)

- Nella porzione anteriore si trova invece il mesoderma cefalico con un’organizzazione particolare (non

forma strutture laterali, ma è una porzione di asse per natura e posizione, ha qualità induttive che

assomigliano a quelle della corda nel determinare una polarità dorso-ventrale, ha come derivati strutture

che assomigliano a quelle del mesoderma parassiale (a livello della testa ci saranno scheletro, muscoli e

derma)

 Mesoderma precordale (cefalico)

o il mesoderma cefalico è posizionato dal nodo di Hensen, perciò è il primo ad organizzarsi

o è costituito da cellule che sono migrate dalla superficie da tutte le direzioni verso l’interno

dell’embrione

o con l’embolia le cellule si organizzano ancora in tutte le direzioni ma nello strato interno

dell’embrione

o corrisponde a una zona di allargamento dell’embrione

o da origine alla testa protetta dal cranio, con un ampio encefalo vescicoloso e organi di

senso speciale

o il mesoderma cefalico si organizza/differenzia in organi specifici in successive fasi dello

sviluppo, inizialmente permane come massa interna nella regione cefalica dell’embrione,

occupandone tutto lo spazio

o è in posizione assile e come il mesoderma assile è induttore, ma origina strutture di tipo

parassiale (scheletro, muscolo e derma)

 Mesoderma assile (dorsale)/corda

o è costituita da cellule globose (in sezione trasversale si riconoscono 4-5 cellule di grosse

dimensioni) che si organizzano durante la gastrulazione, derivate dall’embolia delle cellule

lungo la stria primitiva o dal blastoporo

o è un organo mediano assile dorsale al tubo digerente, a funzione di sostegno

o nelle forme adulte può permanere o essere perso (e.g. nei mammiferi rimangono poche

cellule a livello dei dischi intervertebrali)

o la corda secerne segnali induttivi che diffondono verso il mesoderma laterale (territorio

competente), dorsalmente, e ventralmente formando un gradiente prossimo-

distale/mediano-laterale

o poiché è un organo mediano il segnale induttivo diffonde lateralmente simmetricamente

 Mesoderma parassiale, somiti

o l’organizzazione in somiti è indotta dalla massima concentrazione di segnali induttivi

derivati dalla corda

o i somiti sono segmenti metamerici di mesoderma organizzati in due file laterali (una destra

e una sinistra) lungo la lunghezza della corda

o sono morfologicamente identici ma molecolarmente definiti per formare varie strutture

o i somiti sono delimitati da margini epiteliali

o il numero di somiti è in relazione alla velocità di segmentazione definita dal numero di

vertebre presenti nell’adulto (e.g. i serpenti arrivano anche a 500 somiti, i mammiferi con

le code hanno più somiti di quelli senza coda)

o la porzione dorsale del somite è organizzato nel dermamiotomo (anticamente suddiviso in

dermatomo, centrale, e miotomo, laterali), strati di cellule che origineranno il derma

cutaneo e cellule muscolari scheletriche assili

o la porzione centrale del somite è organizzato in sclerotomo, matrice cellulare che

migrando attorno alla corda organizza le vertebre ossee

o le cellule del miotomo si associano anche con lo sclerotomo formando i muscoli che

permettono i movimenti della schiena

 Mesoderma intermedio, peduncolo del somite

o percepisce una concentrazione intermedia di segnali differenziando in peduncoli

mesodermici associati ai somiti e affacciati al celoma (quindi associati anche alle lamine)

o è organizzato in creste continue non segmentate laterali ai somiti

o differenzia in creste urogenitali

 Mesoderma laterale, lamine laterali (mesoderma somatico dorsale, mesoderma splancnico

ventrale)

o il mesoderma percepisce basse concentrazioni di segnali induttori specializzando in lamine

mesodermiche

o il differenziamento porta alla separazione delle lamine mesodermiche in lamine dorsali e

ventrali che vanno a specializzarsi in lamina somatica (il mesoderma si associa

all’ectoderma, dorsalmente) e la lamina splancnica (il mesoderma si associa

all’endoderma, ventralmente)

o la separazione del mesoderma definisce il celoma

o il celoma acquisisce morfologie differenti nelle classi dei vertebrati (i mammiferi lo

suddividono in varie cavità)

o le lamine vanno anche ad organizzare gli annessi embrionali

VISIONE DORSALE DEL MESODERMA POSTERIORE

lamine-peduncoli/cresta-somiti-corda-somiti-cresta/peduncoli-lamine

- L’endoderma origina l’epitelio del tubo digerente e gli epiteli derivati (es epiteli respiratori polmonari), il

parenchima delle ghiandole annesse, il faringe e il sistema respiratorio

- L’ectoderma si è formato per epibolia circondando esternamente l’embrione

- I derivati dell’ectoderma sono principalmente due: origina l’epidermide e il tessuto nervoso centrale

dorsale (caratteristica dei vertebrati) e periferico che collega l’unità di elaborazione alle strutture interne e

periferiche

- La corda dorsale secerne segnali induttivi che sono percepiti dall’ectoderma sovrastante per la formazione

della parte del sistema nervoso centrale

- L’ectoderma alla fine della gastrulazione si presenta come epitelio pavimentoso monostratificato

- L’induzione da parte della corda attiva le cellule dell’ectoderma che diventano cilindriche grazie a

cambiamenti citoscheletrici

- Le cellule della fascia ectodermica posta sopra la corda, che ricevono per la loro posizione il segnale

induttivo, morfologicamente assumono forma alta che, per via della forma piatta delle cellule laterali, porta

all’affossamento delle cellule più spesse rispetto alla restante superficie

- La fascia ectodermica soprastante la corda si organizza in piastra neurale formata da neuroectoderma

- L’approfondamento della piastra neurale forma inizialmente un solco (stadio di gronda/doccia neurale)

- La piastra lungo una linea longitudinale (posta sopra la corda) si approfonda progressivamente in senso

cefalo-caudale formando la doccia neurale

- L’approfondamento rispetto all’ectoderma laterale prosegue facendo avvicinare sempre più i bordi di

ectoderma laterali finché, quando sono quasi a contatto, le cellule marginali della doccia si staccano

dall’epitelio

- Il distacco di queste cellule dall’epitelio, ora libere, permette la fusione dalla parte basale/profonda dei

margini della doccia e la fusione dell’epitelio superficiale

- Con l’approfondimento della piastra, le cellule delle creste neurali (a margine della piastra) si separano

dall’ectoderma superficiale, provocando la fusione dei due epiteli in superficie (che diventerà epidermide) e

la fusione a tubo neurale della piastra neurale approfondata

- Alla fine si è formato un tubo delimitato da cellule ectodermiche attivate cilindriche che è il tubo neurale

internalizzato

- Il tubo neurale deriva dal differenziamento dell’ectoderma innescato dall’istruzione della corda

- Le cellule marginali isolate sono in grado di migrare e sono le cellule delle creste neurali, che andranno a

costituire moltissimi derivati nei vertebrati

- Le CCN prima dei segnali cordali sono cellule epiteliali ectodermiche differenziate, l’induzione provoca il

transdifferenziamento a cellule libere di tipo connettivale

- Il transdifferenziamento delle cellule delle creste neurali è fondamentale per la chiusura del tubo

- A livello cefalico la massa allargata di mesoderma precordale organizza l’encefalo (tubo ampio)

- Il tubo più sottile che c’è a livello della corda è il midollo spinale

- Il ponte, costituito sia dalla corda che dal mesoderma cefalico, fa da raccordo tra l’encefalo e il midollo

spinale

- A livello cefalico il mesoderma induce la formazione dell’encefalo a vescicole e, la prima porzione cefalica

della corda induce il ponte neurale tra encefalo e midollo spinale

- Lo stesso organo quindi, la corda, istruisce contemporaneamente il midollo spinale e il mesoderma

parassiale che formerà le vertebre che hanno anche lo scopo di proteggere il midollo spinale, porzioni che

formano un’unità funzionale

- Parte delle CCN migrano lungo il tubo neurale formando la parte sensitiva cellularizzata del sistema

nervoso periferico (neuroni periferici)

- Un’altra parte differenzia le cellule di Schwann

- Le CCN danno origine ad altre cellule che migrano in tutti i distretti corporei dando altri derivati come

cellule secretorie di ormoni (funzione più vicina al neuroectoderma, esempio la midollare del surrene), altre

cellule endocrine, porzioni connettivali, porzioni scheletriche

- Le CCN grazie a fenomeni di transdifferenziamento costituiscono una grande varietà di strutture: gangli

spinali, gangli simpatici, le cellule di Schwann, i neuroni sensitivi periferici, parte dello scheletro cefalico, i

setti cardiaci, cromatofori, midollare del surrene, altre cellule endocrine, porzioni connettivali e

scheletriche

Morfogenesi dell’asse cefalo-caudale

- Nei tetrapodi, come negli insetti, è possibile distinguere un’organizzazione corporea in segmenti

specializzati lungo l’asse antero-posteriore

- I segmenti embrionali dei vertebrati sono i somiti mesodermici che nel corso dello sviluppo originano varie

strutture, tra le quali le vertebre

- Sono presenti le vertebre cervicali, specializzate per ruotare il cranio, le vertebre toraciche che possono

sviluppare le coste, le vertebre lombari, le vertebre sacrali che interagiscono con gli elementi ossei dei cinti

per l’articolazione degli arti posteriori e le vertebre caudali

- Le vertebre delle varie regioni della colonna possono essere simili tra loro o variamente specializzate

Geni omeotici

- I segmenti corporei degli animali sono commissionati molecolarmente da specifici geni homeobox (HOX)

che esprimono fattori di trascrizione (HOX) in grado di accendere cascate geniche specifiche

- Le cascate geniche attivate sono specie-specifiche, tuttavia i geni HOX sono di antica derivazione e, in

particolare, l’omeodominio di legame al DNA delle proteine HOX è estremamente conservato in tutto il

regno animale

- I vari geni HOX sono organizzati in complessi genici ordinati espressi in modo preciso ed ordinato in senso

cefalo-caudale lungo i vari segmenti e inoltre i geni più vicini al 3’ del cromosoma sono quelli che

organizzano le strutture cefaliche mentre i geni più vicini al 5’ sono quelli necessari alla costruzione delle

strutture caudali

- La corrispondenza 3’- strutture cefaliche / 5’- strutture toraciche è definita colinearità

- I vari segmenti corporei sono commissionati da particolari codici Hox a formare le differenti strutture assili

- L’alterazione di particolari geni HOX causa la variazione della specificità del segmento colpito senza

impedirne la formazione (i.e. se muta il gene che destina un segmento a formare le zampe, il segmento è

formato lo stesso ma non strutturerà le zampe), da qui la derivazione del nome omeotici

- A livello evolutivo il sistema a codici Hox è molto plastico in quanto permette di aggiungere e specificare

segmenti corporei diversi

Insetti

- In Drosophila i segmenti corporei sono specificati dai geni HOM (i.e. omologhi di HOX) organizzati in due

complessi genici (i.e. Antennapedia, più vicino al 3’, e Bithorax, più vicino al 5’) su un unico cromosoma

- I geni del complesso Antennapedia sono espressi nei segmenti anteriori, i geni del complesso Bithorax

sono espressi nei segmenti posteriori

- Nei mutanti antennapedia, il segmento cefalico, normalmente commissionato in antenna, è

omeoticamente convertito in zampe

- I mutanti bithorax presentano due segmenti toracici dotati di ali anziché soltanto uno

Tetrapodi

- Nei Mammiferi (e.g. topo) i complessi HOX sono distribuiti in 4 cromosomi

- Certi geni sono ripetuti in tutti i cromosomi, altri sono variamente ripetuti

- Nei mammiferi i complessi genici sono detti Hoxa, Hoxb, Hoxc e Hoxd, i singoli geni sono numerati da 1 a

13

- I complessi HOX nei progenitori ancestrali dovevano essere su un unico cromosoma che, grazie a

fenomeni di duplicazione, sono poi stati distribuiti su vari cromosomi

Acido retinoico

- L’attivazione degli specifici geni Hox è indotta da un gradiente di morfogeno

- La molecola induttrice dell’attivazione dei geni Hox è l’acido retinoico (i.e. metabolita della vitamina

A/retinolo) ed è conservata, come i geni, in tutto il regno animale

- L’acido retinoico è prodotto e secreto dalla porzione caudale (i.e. fonte) dell’embrione diffondendo verso

le porzioni cefaliche (i.e. punto di scarico) stabilendo un gradiente caudo-cefalico

- Per mantenere stabile e costante il gradiente, l’acido retinoico è continuamente prodotto dai tessuti fonte

e degradato dai tessuti di scarico

- Nelle strutture anteriori dell’embrione, la concentrazione del morfogeno è scarsa, quindi i geni HOX

responsabili (n.b. vicini al 3’) sono molto sensibili al segnale

- Viceversa, i geni responsabili dell’attivazione della cascata genica posteriorizzante (i.e. HOX vicini al 5’)

sono indotti solo da alte concentrazioni di morfogeno

- La differente sensibilità dei geni HOX allo stesso morfogeno è all’origine della co-linearità

- Certi geni possono produrre proteine che inibiscono l’accensione di altri geni in modo da attivare un

codice Hox

- La modulazione a gradiente ha un enorme potenziale evolutivo

- Nei vertebrati, il gradiente di acido retinoico guida, oltre alla formazione dell’asse antero-posteriore, la

formazione dei tre assi degli arti, la differenziazione dei segmenti a formare diverse strutture cardiache, la

segmentazione del tubo neurale cefalico, la specificazione dell’ectomesenchima degli archi branchiali

- Infatti le cellule della cresta neurale che originano strutture differenti negli archi branchiali del faringe,

derivano dalla porzione a segmenti dell’encefalo specializzata grazie all’accensione di specifici codici HOX

- L’acido retinoico è sintetizzato a partire dalla retinolo/vitamina A o dal β-carotene

- Il retinolo, alcol, è ossidato dalla alcool deidrogenasi (ADH) a retinaldeide in maniera reversibile

- ADH è anche in grado di spezzare una molecola di β-carotene a dare due molecole di retinaldeide in

maniera irreversibile

- Infatti l’implemento di β-carotene nella dieta porta all’accumulo di retinolo/vitamina A

- La retinaldeide è quindi ulteriormente ossidata dalla retinaldeide DH (RALDH) ad acido retinoico,

morfogeno biologicamente attivo

- Ulteriori enzimi (CYP26) ossidano l’acido retinoico rendendolo biologicamente inattivo

- Tutte le cellule esprimono i recettori nucleari per l’acido retinoico

- Le cellule possiedono anche recettori citoplasmatici CRABP per sequestrare l’acido retinoico impedendo

l’attivazione genica nel nucleo (e.g. molto espressi nel I arco branchiale che senza induzione dell’acido

retinoico differenzia nell’articolazione buccale)

- Esistono anche recettori citoplasmatici CRBP per il retinolo che inducono la sintesi dell’acido retinoico

- La presenza di CRABP, CRBP e la completezza del set enzimatico per il metabolismo dell’acido retinoico

sono in grado di modulare nei vari distretti corporei la concentrazione e la distribuzione del morfogeno

permettendo l’accensione specifica di particolari complessi Hox

- Nei territori cefalici (i.e. punti di scarico) non sono presenti gli enzimi necessari alla sintesi dell’acido ma

bensì gli enzimi responsabili della degradazione

- Nei territori caudali (i.e. fonti) sono particolarmente espressi gli enzimi necessari alla sintesi dell’acido e

sono privi di enzimi catabolici

- Alterazioni del gradiente (per malattie genetiche, sindrome di Di George, o per ipo- o iper-vitaminosi A,

range ottimale tra 5000 e 8-10000 UI) causano malformazioni gravi a asse cefalo-caudale, SNC, strutture

facciali, occhi, orecchie, cuore e arti

- Sperimentalmente è stato dimostrato che l’aumento di acido retinoico (n.b. dovuto a eccesso di

precursori o dello stesso acido, enzimi catabolici non-funzionali o recettori citoplasmatici di sequestro

alterati) porta alla formazione di individui con strutture cefaliche malformate o non formate

- Viceversa, la diminuzione dell’acido retinoico (n.b. dovuto a eccesso di enzimi catabolici, enzimi della

sintesi non funzionali o recettori nucleari alterati) porta alla formazione di individui con strutture caudali

malformate o non formate (sindrome di regressione caudale)

- Questi esperimenti suggeriscono che la modulazione del gradiente di acido retinoico è data dalla co-

partecipazione di enzimi con diverse attività

Sviluppo degli arti

- Gli arti originano come masse/bozzi/gemme in corrispondenza di somiti specifici

- Le masse allungandosi, si organizzano in 3 segmenti: prossimale, mediale, distale (la mano)

- Gli arti dei tetrapodi hanno un piano strutturale e processi morfogenetici comuni

- Nel segmento prossimale (i.e. stilopodio) si trova un osso lungo impari (femore arti posteriore, ed omero

arti anteriori)

- Nel segmento mediale (i.e. zeugopodio) si trovano due ossa lunghe pari (radio/ulna, tibia/fibula)

- Nel segmento distale (i.e. autopodio) si ritrovano il tarso (piede) o il carpo (mano) e le falangi

- In un arto si riconoscono 3 assi:

1. prossimo-distale

 Identifica i tre segmenti che compongono l’arto

2. antero-posteriore

 Identifica le differenze tra le dita, tra le due ossa del segmento mediale e tra le due facce

dell’osso prossimale

3. dorso-ventrale

 Identifica il palmo della mano dal dorso nel segmento distale e altre differenze nei

segmenti intermedio e prossimale

- Lo sviluppo dell’arto consiste nella definizione contemporanea dei 3 assi

- Gli assi sono determinati da segnali molecolari molto conservati nelle cascate di inizio per variare in

maniera specie-specifica nelle cascate finali

Sviluppo dell’asse prossimo-distale

- I somiti che originano gli arti sono specie-specifici

- Gli arti si inseriscono in punti articolari in corrispondenza del cinto scapolare, a livello delle prime vertebre

toraciche, e del cinto pelvico, a livello delle vertebre sacrali

- L’arto anteriore è specificato nei somiti e nel mesoderma laterale adiacente dall’espressione di Hoxd-9

- L’arto posteriore è specificato nei somiti e nel mesoderma laterale adiacente dall’espressione di Hoxd-9,

Hoxb-9 e Hoxc-9

- L’attivazione genica provoca l’addensamento del mesoderma della lamina laterale (i.e. somatopleura) che

premette l’insediarsi di cellule mesodermiche migranti dal miotomo del somite

- La somatopleura originerà ossa e tessuti connettivi dell’arto, mentre il miotomo origina i muscoli, tuttavia

la massa è inizialmente composta da cellule istologicamente indistinguibili

- La formazione della massa induce l’ectoderma superficiale ad attivarsi

- Le cellule dell’ectoderma cambiano morfologia da piatte a cilindriche formando la cresta apicale

- Per capire i ruoli della massa mesenchimatica e della cresta apicale sono stati condotti esperimenti di

asportazione e trapianto di tessuto

- Il trapianto in zone ectopiche della gemma mesenchimatica induce sempre la formazione della cresta

apicale dall’ectoderma superficiale

- L’asportazione della cresta blocca lo sviluppo dell’arto allo stadio raggiunto fino a quel momento

dimostrando che le cellule attivate della cresta apicale sono indispensabili per la formazione dell’arto

- Inoltre l’impianto di una seconda cresta su un arto in formazione ne provoca la duplicazione

- La sostituzione del mesenchima della gemma anteriore con quello della gemma posteriore provoca la

formazione dell’arto posteriore in posizione ectopica

- La sostituzione del mesenchima con mesenchima non appartenente a gemme non produce arti

- Questi esperimenti suggeriscono che:

 La gemma mesenchimatica opera un’induzione istruttiva sull’ectoderma per specializzarlo in

cresta apicale

 La cresta apicale è fondamentale per la formazione dell’arto

 Il mesenchima della gemma è il territorio competente specifico per i segnali induttori delle

cellule della cresta apicale

 L’induzione ad opera della cresta è a rimbalzo (i.e. prima di essere territorio inducente la cresta

deve essere attivata dallo stesso mesenchima) di tipo permissivo (i.e. il mesenchima della

gemma è già specificato a formare un solo tipo di arto)

 La formazione dei segmenti procede in senso prossimo-distale (i.e. si formano per ultime le

falangi)

- La cresta è stata espiantata e sostituita da tessuti artificiali intrisi ognuno da diversi fattori di crescita in

modo da capire la natura del segnale chimico prodotto

- Tramite questi esperimenti FGF (fibroblast growing factor) è stato identificato come fattore secreto dalla

cresta

- Tramite esperimenti analoghi, una variante di FGF è stata individuata come fattore secreto dalla gemma

per attivare la cresta

- Inoltre la stimolazione artificiale del mesoderma posto a metà tra l’arto anteriore e il posterore tramite

applicazione di FGF produce arti soprannumerari chimera (i.e. con caratteristiche anteriori e posteriori)

- Quindi FGF è il segnale di avvio al differenziamento dell’arto, mentre altri fattori stabiliscono l’identità

dell’arto in formazione

- L’arto anteriore è specificato da Tbx5 mentre il posteriore da Tbx4

- La deplezione di Tbx provoca la non formazione degli arti anche in presenza di FGF

- Per riassumere:

1. Il gradiente di acido retinoico lungo l’asse antero-posteriore induce l’espressione di specifici

pannelli di geni Hox

2. I geni Hox avviano la trascrizione dei geni Tbx

 Nella regione anteriore è attivato Hoxd-9 che a sua volta attiva la trascrizione di Tbx5

 Nella regione posteriore sono attivati Hoxd-9, Hoxb-9, Hoxc-9 che a loro volta attivano la

trascrizione di Tbx4

3. Sia Tbx5 sia Tbx4 attivano una cascata genica in parte specifica (i.e. Tbx5 induce Wnt2b nelle

gemme anteriori e Tbx4 induce Wnt8b nelle gemme posteriori) e in parte aspecifica (i.e. Fgf10) nel

mesenchima

4. Fgf10 induce l’ectoderma in cresta apicale

 L’induzione del mesenchima sull’ectoderma è di tipo istruttivo perché provoca

l’espressione nell’ectoderma di un gene fino a quel momento silenziato

5. La cresta apicale esprime Fgf8 che stabilizza la trascrizione di Fgf10 e di Wnt2b e Wnt8b che a loro

volta stabilizzano rispettivamente Tbx5 e Tbx4

 L’induzione della cresta sul mesenchima è di tipo permissivo perché stabilizza l’espressione

genica già in corso

6. Fgf8 forma un gradiente di concentrazione distale-prossimale che identifica una zonazione del

mesenchima della gemma

 Zona di progressione: porzione più distale (i.e. mesenchima immediatamente al di sotto

della cresta) ad attiva proliferazione cellulare, indotta da alte concentrazioni di Fgf8,

responsabile dell’allungamento verso l’esterno della gemma

- Alte concentrazioni di Fgf8 inducono l’espressione di enzimi catabolici dell’acido

retinoico

 Zona attiva: porzione intermedia di mesenchima organizzato in noduli in differenziamento

indotti da medie concentrazioni di Fgf8

 Zona congelata: porzione prossimale di noduli differenziati in abbozzi cartilaginei indotti da

basse concentrazioni di Fgf8

- Basse concentrazioni di Fgf8 inducono l’espressione di enzimi che sintetizzano

l’acido retinoico

 La continua proliferazione della zona di progressione causa l’allontanamento dei tessuti

prossimali dalla cresta apicale e quindi un abbassamento delle concentrazioni di Fgf8 e il

progressivo differenziamento delle zone attive in zone congelate formando arti segmentati

7. Il contro-gradiente prossimo-distale di acido retinoico stabilito da Fgf8 lungo l’arto, attiva diversi

pannelli di geni Hox nei vari segmenti responsabili della formazione dei diversi pezzi scheletrici

 I pannelli Hox variano anche tra arti anteriori e arti posteriori


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DETTAGLI
Corso di laurea: Corso di laurea in scienze biologiche
SSD:
Università: Milano - Unimi
A.A.: 2016-2017

I contenuti di questa pagina costituiscono rielaborazioni personali del Publisher SebastianSuebis di informazioni apprese con la frequenza delle lezioni di Biologia dello sviluppo animale e studio autonomo di eventuali libri di riferimento in preparazione dell'esame finale o della tesi. Non devono intendersi come materiale ufficiale dell'università Milano - Unimi o del prof Menegola Elena.

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