Riassunto esame embriologia, prof. Di Pietro, libro consigliato ''Embriologia, Barbieri,Carinci''

Embriologia

Introduzione

L’embriologia ha come obiettivo discutere di due eventi che sono tra loro correlati: come sia possibile la generazione di un organismo e come sia possibile lo sviluppo di questo organismo a partire dalla cellula uovo. Per capire come funzionano questi due eventi bisogna avere ben chiaro alcuni concetti:

• Il corpo è formato da milioni di milioni di cellule;
• Le funzioni cellulari sono svolte da proteine, costituite da una sequenza di amminoacidi, a loro volta codificate da geni insiti nel DNA;
• Il flusso delle informazioni parte dal DNA che viene trascritto nel RNA messaggero, che poi viene tradotto in proteine. Tutte le cellule somatiche hanno tutte lo stesso contenuto genetico, però si differenziano le une dalle altre perché esprimono geni diversi. Solo alcuni geni sono attivi, altri sono silenti. Saranno attivi quei geni che vanno a definire la morfologia, la funzione e le caratteristiche biochimiche.

La riproduzione

La riproduzione è un meccanismo che assicura la continuità della vita tra una generazione e l’altra, adattandosi all’ambiente. Esistono diversi tipi di riproduzione:

• Asessuata: più semplice, riguarda batteri, piante e protozoi. Anche detta agamica poiché necessita solo un individuo. Questa riproduzione ha anche parecchi limiti, perché pur essendo molto veloce producendo in breve tempo molti discendenti, ha come conseguenza l’uniformità genetica. Significa che se questo individuo ha caratteri genetici non compatibili con l’ambiente, la specie si estingue.
• Sessuata: riguarda gli animali superiori e noi stessi. L’embrione si forma dalla fusione di due cellule, chiamate gameti, un gamete maschile (spermatozoo) e un gamete femminile (la cellula uovo): l’unione tra le due genera lo zigote. L’unione del patrimonio genetico dà origine a un individuo con un proprio corredo genetico, unico e differente dai genitori. Il vantaggio di questa riproduzione è la variazione e il rimescolamento delle informazioni genetiche.

Implica l’interazione tra due cellule specifiche che sono diverse dalle cellule somatiche del nostro organismo, poiché hanno un corredo genetico dimezzato. Dal punto di vista del DNA e dei geni presenti nelle cellule del nostro corpo, ovociti e spermatozoi si differenziano dalle altre. La generazione dei gameti ha origine dalla meiosi e attraverso la fecondazione dei gameti si origina lo zigote. Nel nostro corpo, le cellule somatiche sono diploidi, ossia hanno 23 coppie di cromosomi; i gameti sono aploidi, ossia contengono solo 23 cromosomi. La costanza del numero dei cromosomi nelle specie va mantenuto, poiché la presenza di cromosomi in soprannumero o numericamente inferiori si hanno delle patologie.

Lo sviluppo dell’organismo

Lo sviluppo studia come da uovo si genera un nuovo organismo. È stata fondamentale la scoperta del DNA per capire quali sono i processi dello sviluppo dell’embrione. Si è capito che tutte le informazioni necessarie per costruire l’embrione erano contenute nel DNA. Lo sviluppo di un organismo avviene attraverso alcuni processi: proliferazione, differenziamento, morfogenesi e apoptosi. Lo sviluppo non è un processo che si completa con la nascita, ma si continua nell’attività adulta e non finisce mai, sebbene la parte più importante sia tra la fecondazione e la nascita.

I quattro processi sono:

• La proliferazione cellulare: è un processo estremamente importante per incrementare il numero di cellule. È un processo che continua in tutta la vita, soprattutto in alcuni tessuti come il sangue e la cute. Durante lo sviluppo le cellule somatiche si dividono per mitosi, assicurando un numero stabile di cromosomi.
• Il differenziamento cellulare: un’unica cellula è in grado di originare cellule molto diverse; nei primi giorni dello sviluppo quella cellula uovo fecondata inizia a dividersi nello stadio di morula. Queste cellule possono dare origine a qualsiasi parte dell’individuo. Dopo quel momento iniziano a prendere destini diversi le une dalle altre perché inizia il processo di differenziamento.

Questi processi di differenziamento hanno la base comune di cellule staminali, cellule non differenziate. Le cellule staminali possono essere di origine embrionale o presenti nell’adulto. Le cellule staminali embrionali hanno la caratteristica di potersi dividere senza differenziarsi, peculiarità difficile da mantenere nell’adulto, le cui cellule staminali, la maggior parte, si differenziano subito. Le cellule staminali nell’adulto le troviamo nel tessuto osseo, adiposo, nelle gonadi e nel tessuto epiteliale. Le cellule si dividono in:

• Totipotenti: presenti solo a livello embrionale, possono dare qualsiasi parte dell’adulto, capace di dare origine anche a annessi embrionali. Si hanno nella fase di morula.
• Pluripotenti: si trovano nella fase di blastocisti e danno origine a tutti i tessuti dell’individuo, non ad annessi embrionali;
• Multipotenti e Unipotenti: sia a livello fetale sia nell’adulto, possono dare origine a poche o a un unico genere di tessuti;

In queste cellule inizia ad esserci un’espressione selettiva di alcuni geni, tradotte in proteine in alcune cellule ma non in altre. Attraverso questo processo le cellule acquisiscono un certo fenotipo, avendo caratteristiche morfologiche, biochimiche e funzionali specifiche. Vedremo che il primo importante differenziamento avviene nella suddivisione dei foglietti embrionali: endoderma, ectoderma, mesoderma.

Il differenziamento avviene in due stadi:

1. Determinazione cellulare: la cellula non differenziata diventa destinata solo ad alcuni tipi di differenziamento (commited cell);
2. Differenziazione antifenotipica: per esempio le cellule dei somiti embrionali (mesoderma) si differenziano in mioblasti, precursori delle cellule muscolari: avviene una prima fase di determinazione in cui viene espresso il gene myoD prima spento che porta come prodotto della sua espressione una proteina myoD. La cellula a livello fenotipico è uguale, ma dentro si producono queste proteine che fungono da fattore di trascrizione per altri geni muscolo-specifici, quindi questa proteina si andrà a legare al promotore di altri geni muscolo-specifici attivando la promozione di actina, miosina ed altri. Ecco che oltre aver determinato quella cellula, l’ho anche differenziata morfologicamente.

Il differenziamento è spesso permesso dall’induzione. L’induzione è un processo che prevede che un induttore agisca su un secondo gruppo di cellule differenti, cambiando il loro destino. Affinché il secondo gruppo di cellule siano differenziate sono importanti i segnali cellulari, che devono conferire al gruppo ricevente la competenza per differenziarsi. Questi segnali possono creare delle interazioni di tipo paracrino o di tipo iuxtacrino.

1. Interazione di tipo paracrino: consiste nel sintetizzare induttori da una cellula, che diffondono per un breve tratto e poi vanno ad agire su una seconda cellula, attivando vie di trasduzione del segnale. Le vie di trasduzione consistono nel legare al recettore uno specifico ligando: quando avviene ciò l’interazione va ad attivare il recettore, di solito una proteina intramembrana che da una parte lega con il ligando e dall’altra ha una regione chinasica, in grado di fosforilare le proteine nel citoplasma, che in seguito al segnale possono essere attivate, quindi fosforilate. La fosforilazione determina la loro attivazione che spesso si traduce con la loro traslocazione al nucleo, fino a localizzarsi su promotori di geni specifici come fattori di trascrizione. Esempi sono nei fattori di crescita dei fibroblasti, proteine hedgehog, fattori di crescita trasformanti.
2. Interazione di tipo iuxtacrino: non ci sono fattori diffusibili, ma le tre vie del segnale iuxtacrino:
   • Possono coinvolgere una proteina sulla superficie della cellula che va a intervenire su un recettore adiacente;
   • Ligandi della matrice extracellulare che interagiscono con i recettori posti su cellule confinanti;
   • Utilizzando gap Junction;

Un esempio d’induzione durante lo sviluppo dell’occhio è la vescicola endodermica che promuove la formazione del cristallino tramite un’interazione paracrina.

Morfogenesi: la sintesi di tessuti particolari non è sufficiente, ma da una massa informe bisogna passare a costruire delle forme ben precise. Una volta che noi abbiamo indotto determinate cellule a specializzarsi dobbiamo produrre strutture simmetriche nella forma (braccia e gambe) e funzionali per la vita. Servono altre informazioni che forniscano la corretta determinazione spaziale dell’individuo. La morfogenesi si attua attraverso migrazioni cellulari, flussi di cellule che devono localizzarsi nei posti giusti, implicando interazioni tra cellule stesse e ambiente extracellulare (tra proteine della matrice e cellule; tra cellula e cellula). Questo si realizza tramite migrazioni cellulari, aggregazioni cellulari, ripiegamenti e invaginazioni.

Apoptosi: processo che elimina parti dell’embrione non necessarie e non mantenute nell’organismo adulto. Nel corso della formazione dell’embrione abbiamo forme diverse da quella finale, è importante rimuovere delle parti che non servono più nella vita extrauterina.

Nel corpo i tessuti devono avere una collocazione adeguata, devono essere definiti gli assi dell’embrione: antero-posteriore o cefalo-caudale; dorso-ventrale; asse destro e sinistro; le simmetrie (le gambe e le braccia devono essere speculari non uguali). Quindi ci servono dei geni particolari, di organizzazione spaziale del piano corporeo, chiamati geni del Pattern.

Il ciclo vitale dei metazoi e annessi embrionali

L’embriologia ha studiato prima i metazoi, ossia il regno animale, identificando un ciclo vitale, ossia quella serie di processi che vanno dalla generazione alla riproduzione.

1. Si parte dalla gametogenesi (la formazione dei gameti, che avvengono solo a seguito della maturità sessuale);
2. Segue la fecondazione in cui i gameti si fondono tra di loro;
3. La segmentazione: insieme di mitosi successive dello zigote, producendo cellule sempre più piccole, i blastomeri, che formano la morula, creando le prime determinazioni;
4. La gastrulazione: insieme di movimenti, differenziamento in foglietti, trasformazioni, che gettano le basi dell’architettura dell’individuo.
5. Organogenesi: il corpo dell’embrione viene suddiviso in aree generiche, creando la struttura tridimensionale dell’embrione, assumendo lo stadio fenotipico della specie, al terzo mese passando dalla fase embrionale a quella fetale;
6. La crescita dell’embrione: per raggiungere le proporzioni adeguate è necessaria una nuova proliferazione e un nuovo differenziamento per portare l’organismo al termine della gestazione al grado di vita indipendente.
7. Maturità sessuale: acquista la possibilità di produrre nuovi gameti e riprodursi;

Nei rettili, uccelli e mammiferi, vengono prodotti anche annessi embrionali necessari per la produzione del nuovo organismo:

• Amnios: sacco che avvolge l’embrione;
• Sacco vitellino: contiene le sostanze nutritive;
• Allantoide: sacco adibito alla raccolta di rifiuti;
• Corion: sacco più grande che avvolge gli altri e media gli scambi gassosi;

Nei mammiferi c’è qualcosa in più: abbiamo la placenta, quinto annesso embrionale, costituito sia dall’embrione che dalla madre. La placenta serve per nutrire l’embrione.

In questo modo si aggiunge un’ulteriore fase del ciclo dei metazoi: dopo la segmentazione avviene l’impianto nell’utero e solo a seguito di questo può avvenire la gastrulazione. Questa separazione tra segmentazione e gastrulazione avviene perché l’impianto dell’embrione nell’utero materno determina la gonadotropina corionica, segnale che entra nel circolo sanguigno della madre e raggiunge l’ovaio. In questo modo impedisce la mestruazione della donna e quindi l’espulsione dell’embrione stesso.

La gametogenesi

La gametogenesi è un processo che prevede la formazione del gamete femminile (ovogenesi) e del gamete maschile (spermatogenesi). La gametogenesi avviene nelle gonadi, ossia gli organi sessuali maschili e femminili (testicolo e ovaio). Le cellule gametiche richiedono la divisione meiotica.

Il cariotipo è l’insieme dei cromosomi presenti nelle nostre cellule, e ogni specie ha un cariotipo specifico. Nell’uomo ci sono 22 coppie di autosomi e una coppia di cromosomi sessuali, diversi nell’uomo e nella donna. All’interno di queste coppie di cromosomi troviamo cromosomi omologhi, uno derivante dal padre e uno dalla madre. Questi cromosomi omologhi portano le stesse sequenze di geni, tuttavia possono esprimere alleli diversi. Nella gametogenesi si arriva alla formazione dei gameti, che deriva dalla maturità sessuale, dove avviene la meiosi, che porta alla formazione di un corredo cromosomico aploide, corredo dimezzato. Riunendosi al momento della fecondazione, i corredi genetici danno origine a uno zigote che torna ad essere 2n, ricostituendo il cariotipo di 46 cromosomi diploidi. Il cariotipo diploide in seguito alla mitosi viene mantenuto. Se il corredo non venisse dimezzato con la meiosi, avremo un individuo tetraploide, non compatibile con la vita.

Le cellule germinali si riproducono per mitosi per aumentare di numero e poi avviene la prima e la seconda divisione meiotica. Il prodotto della mitosi consiste in due cellule 2n, diploidi, mentre il prodotto della meiosi consiste in quattro cellule n, aploidi. Il processo di meiosi si sviluppa attraverso due divisioni cellulari per ottenere quattro cellule, che sono il prodotto finale della divisione stessa.

La meiosi

• Il primo evento della meiosi consiste nella duplicazione del DNA: ciascun cromosoma prima di dividersi si replica. Nella fase S del ciclo cellulare il DNA viene duplicato, di conseguenza ciascun cromosoma è formato da una coppia di cromatidi.
• La prima divisione meiotica: la profase I è una divisione molto lunga con tempi diversi tra l’uomo e la donna. Nell’uomo dura giorni, ma nella donna dura anni. Nella donna inizia a livello embrionale e dura fino alla menopausa. La profase I è suddivisa in:
  • Leptotene: i cromosomi si spiralizzano e diventano ben visibili;
  • Zigotene: i cromosomi omologhi si avvicinano tra loro appaiandosi, eccetto l’X e l’Y;
  • Pachitene: la contrazione dei cromosomi che diventano più corti e più spessi;
  • Diplotene: i cromosomi omologhi iniziano a respingersi parzialmente eccetto i chiasmi. I chiasmi sono punti in cui i cromosomi s’incrociano e lì avviene uno scambio genico chiamato crossing over. Il risultato è che il cromosoma paterno non è più uguale a sé stesso perché presenta un pezzo di cromosoma materno e viceversa. Questo processo preserva la variabilità genetica.

Nella metafase I, i cromosomi ruotano e dispongono i centromeri verso i due poli della cellula sulla piastra metafasica grazie al fuso mitotico; nella anafase I i cromosomi omologhi si separano definitivamente spostandosi ai poli; nella telofase I si costituiscono i due involucri nucleari e abbiamo quindi due cellule separate.

• Nel corso della seconda divisione meiotica, la profase II è un processo molto veloce. Nella metafase II il fuso mitotico si crea e i cromosomi si dispongono centralmente; nell’anafase II i cromatidi fratelli si separano; nella telofase II avviene la citodieresi. Le due cellule figlie sono apolidi, per un totale di quattro cellule aploidi. La prima divisione sarà riduzionale, quindi la prima dà due cellule aploidi, che poi si separano per darne quattro aploidi.

Anomalie e patologie a carico della meiosi

A carico della gametogenesi ci sono molte anomalie cromosomiche sia di tipo numerico che di tipo strutturale. Le anomalie numeriche riguardano prevalentemente fenomeni di non disgiunzione dei cromosomi omologhi o dei cromatidi fratelli. Se gli omologhi rimangono attaccati, le due cellule figlie saranno diverse: una ne ha uno in più e una uno in meno. Avremo cellule aneuploidi, quindi con un numero di cromosomi anomalo.

Oltre alla non disgiunzione meiotica, che è un evento più frequente rispetto alla non disgiunzione mitotica, pur essendo presenti anche queste. Le non disgiunzioni mitotiche sono presenti nelle fasi precoci dello sviluppo. Questo tipo di non disgiunzione determina mosaicismo: alcune cellule dell’embrione presentano cellule aneuploidi e cellule diploidi. Gli individui affetti da queste patologie possono presentare poche o molte caratteristiche di una particolare sindrome in base al numero delle cellule colpite o alla loro distribuzione.

Nei gameti si possono riscontrare corredi cromosomici aneuploidi. Avere un cromosoma in più o in meno significa creare un fenotipo anomalo. Talvolta è così anomalo da essere incompatibile con la vita. La maggior parte degli autosomi aneuploidi sono letali o vanno incontro ad aborto spontaneo. Alcune trisomie sopravvivono: come le trisomie del cromosoma 21, 18 e 13. Esistono oltre alle aneuploidie che coinvolgono oltre agli autosomi anche i cromosomi sessuali, che possono essere o meno letali. Esse sono: XXY, XYY, XXX, XXXX, XXXXX. Le monosomie sono incompatibili con la vita eccetto la X0 che è la sindrome di Turner.

Aneuploidie autosomiche

• La trisomia 21 è responsabile della sindrome di Down, che provoca ritardo mentale e nello sviluppo, anomalie cranio-facciali, pliche epicantiche, difetti cardiaci, leucemie e invecchiamento precoce. La sindrome di Down aumenta in relazione all’età della madre: se a 20 anni c’è una probabilità su 2300, a 46 anni è uno su 46. La ripresa della seconda divisione meiotica nella madre a 40 anni può provocare una disfunzione di questo tipo, ma anche l’età dell’uomo è importante.
• Trisomia del cromosoma 13: provoca microcefalia, micro-oftalmia.