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- EMBRIOLOGIA/BIOLOGIA DELLO SVILUPPO -
CENNI GENERALI
Vari tipi di sviluppo:
- Specificazione regionale : la cellula capisce la sua collocazione.
- Differenziamento cellulare : meccanismo con cui si originano i vari tipi di cellule.
- Morfogenesi : movimenti e modificazioni di posizioni di cellule e tessuti che formano un insieme di tessuti primordiali e poi ai tessuti maturati.
- Accrescimento : aumento e regolazione delle proporzioni tra le cellule. Tappe dello sviluppo:
- Fecondazione : l’incontro di due gameti mette in moto irreversibilmente la formazione di un nuovo organismo.
- Ontogenesi: insieme dei processi che portano ad un individuo adulto.
- Segmentazione : divisione cellulare fino alla formazione di una blastula.
- Gastrulazione : si formano i foglietti embrionali.
- Neurulazione : si forma il sistema nervoso.
- Organogenesi la fase più lunga dello sviluppo embrionale, nella quale si formano e accrescono gli organi. Lo sviluppo post-embrionale può essere diretto o indiretto.
- Diretto: lo stato di adulto viene raggiunto tramite solo accrescimento delle dimensioni.
- Indiretto: il risultato dello sviluppo embrionale è diverso dall’organismo adulto (brucofarfalla).
GAMETOGENESI
È il processo che porta alla formazione dei gameti : si chiama spermatogenesi nel caso degli spermatozoi e oogenesi nel caso delle cellule uovo. I due processi possono avvenire in organismi differenti detti gonocorici , oppure nello stesso organismo detto ermafrodita. Entrambi i processi partono da cellule germinali che si dividono per mitosi, con aumento del numero delle cellule.
Spermatogenesi Oogenesi
Durata: Uccelli: 12/15 gg Topo: 25 gg Ratto: 40 gg Uomo: 74 gg
Può durare tutta la vita fertile dell’individuo.
Moltiplicazione degli spermatogoni dura tutta la vita dell’individuo.
Moltiplicazione termina con la fine della vita fertile dell’individuo, quindi con la menopausa. (prima mestruazione si chiama menarca ) Lo spermatozoo non accresce le proprie dimensioni troppo.
Le cellule uovo sono grandi perché accumulano man mano sostanze importanti per lo sviluppo. Cellule germinali (per mitosi) Spermatogoni: hanno grande quantità di eucromatina (meno condensata). (per meiosi I) 1 spermatocita primario 2 spermatociti secondari (per meiosi II) 4 spermatidi (tramite spermiogenesi) 4 spermatozoi
Cellule germinali primordiali oogoni oociti (la meiosi si ferma a profase I al 7 mese di vita del feto) (inizia la vita fertile della bambina, ca. 11 anni) oocita primario oocita secondario follicolo primordiale follicolo primario follicolo secondario follicolo terziario follicolo di Graaf (ovulazione) ovuli. Due spermatociti secondari quattro spermatidi quattro spermatozoi
= 4 spermatozoi (aploidi)
Un oocita primario un oocita primario e un corpo polare (molto meno citoplasma rispetto all’oocita secondario) Corpo polaredue corpi polari
Oocita secondarioun uovo, un corpo polare
= 1 uovo (aploide) + 3 corpi polari
Spermatogenesi La spermatogenesi avviene nei tubuli seminiferi dei testicoli dell’uomo. Alla base del tubulo si trovano le cellule germinali chiamate spermatogoni staminali. Queste si dividono in modo asimmetrico perché delle cellule figlie alcune rimangono cellule staminali per mantenere una popolazione stabile, mentre altre cominciano la spermatogenesi. La divisione degli spermatogoni dura tutta la vita fertile dell’individuo. Dalle cellule staminali diploidi, per mitosi, si formano gli spermatociti primari. Da uno spermatocita 1°, per meiosi I, si formano due spermatociti secondari aploidi. Dai due spermatociti 2°, per meiosi II, si generano quattro spermatidi aploidi. Tramite il processo di spermiogenesi, questi assumono le sembianze di uno spermatozoo. Spermiogenesi Processo grazie al quale gli spermatidi assumono le sembianze di spermatozoi. Lo spermatidio iniziale ha una forma arrotondata e presenta una vescicola proacrosomica nella futura zona apicale dove si è spostato anche il Golgi. La cromatina viene condensata in modo da preservare il patrimonio genetico fino alla formazione dello zigote e per ridurre l’ingombro spaziale. Dalla vescicola proacrosomica si forma l’ acrosoma che va a rivestire buona parte del nucleo. Nella vescicola sono presenti degli enzimi litici che serviranno per penetrare la cellula uovo degradando la membrana. Nel frattempo il flagello si forma dal complesso centriolare. È molto importante perché permette i lunghi movimenti allo spermatozoo. Il flagello è collegato alla testa tramite il segmento intermedio , dove sono disposti tutti i mitocondri che forniscono l’energia allo spermatozoo per muoversi. Il citoplasma in eccesso viene riassorbito. Nel momento in cui gli spermatozoi precoci si staccano dalle cellule del Sertoli, non sono mobili. Anatomia dello spermatozoo Lo spermatozoo umano è lungo circa 53 micrometri. La testa comprende il nucleo , contenente eterocromatina, e l’acrosoma , contenente enzimi litici che degraderanno la membrana della cellula uovo. Il flagello contiene il collo , il segmento intermedio e la coda. Nella parte del collo e del segmento intermedio si trova il motore mitocondriale che farà muovere lo spermatozoo, la coda invece è composta solo da citoscheletro. Dei mitocondri dello spermatozoo, nessuno andrà a formare il corredo della cellula fecondata. Arrivati a completa maturazione, gli spermatozoi non hanno potere di movimento o fecondante. La capacità di movimento è acquisita nell’epididimo con il processo di capacitazione. Capacitazione È un processo grazie al quale lo spermatozoo acquisisce la capacità di movimento e di fecondazione. Deve quindi avvenire prima di arrivare nella cellula uovo. Vengono smascherate le proteine di riconoscimento nella testa dello spermatozoo, che fanno sì che questi fecondino la giusta cellula uovo (molto importante negli organismi con fecondazione esterna). Inoltre viene tolto il colesterolo dalla membrana, in modo da aumentare la fluidità dello spermatozoo. Gli spermatozoi sopravvivono per 2/3 giorni. Oogenesi Oogenesi avviene nelle ovaie e parte con gli oogoni nell’epitelio germinativo della porzione più esterna dell’ovaio. Nel periodo embrionale, da una cellula germinale primordiale , proliferano gli oogoni. Gli oogoni che derivano dalla stessa cellula germinale primordiale sono ancora collegati tra loro da ponti di citoscheletro. Oocita primario e struttura dei follicoli Da un oogonio, per mitosi, si genera un solo oocita primario. Fino al settimo mese di gravidanza il feto sviluppa gli oogoni e poi gli oociti che si fermano in profase I rimanendo in stato quiescente fino all’inizio della vita fertile della donna quando ricomincerà l’oogenesi. L’oocita iniziale è circondato da cellule follicolari che ne aumentano la superficie membranosa. Le cellule follicolari sono in contatto con l’oocita tramite microvilli , prolungamenti dell’oocita, e macrovilli ,
La fusione dei nuclei determina tutte le caratteristiche future tra cui il sesso, dando origine allo zigote. La fecondazione può essere esterna, come nella maggior parte degli animali acquatici, nella quale i gameti vengono rilasciati in acqua. Nei mammiferi e animali terrestri la fecondazione è interna. Nella fecondazione interna, 100+ milioni di spermatozoi entrano nell’utero che ha pH acido, molti dei quali muoiono lasciandone pochi milioni. Molti muoiono per strada, fino ad arrivare a poche migliaia di spermatozoi. Gli spermatozoi sono sempre immersi in qualche fluido, nel liquido seminale prima, nei liquidi della vagina poi, per facilitare il movimento degli spermatozoi. Nei dotti seminiferi, alcune piccole contrazioni aiutano gli spermatozoi ad avvicinarsi alle ovaie. Riconoscimento e attacco dell’uovo I gameti si devono riconoscere e un solo spermatozoo entra nell’ovulo. La rottura della vescicola acrosomica nello spermatozoo è la reazione acrosomica , e permette la rottura della membrana dell’ovulo. La testa dello spermatozoo si avvicina alla gelatina ovulare intorno all’ovulo, si ha un aumento di calcio nello spermatozoo e qualcosa accade che permette la fusione della membrana plasmatica dello spermatozoo e la membrana acrosomica. Reazione acrosomica Questa fusione permette la fuoriuscita di materiale acrosomico che comincia a degradare la membrana dell’ovulo. Le glicoproteine zp1, zp2, zp3 sono nella zona pellucida e i recettori per queste sono sullo spermatozoo. L’adesione avviene grazie a queste proteine che si legano ai loro recettori. La zp3 è responsabile della reazione acrosomica che avvia la fecondazione. Una volta legati recettori e glicoproteine, si fondono le membrane plasmatiche e acrosomiche formando dei pori che rilasciano il materiale acrosomico. Gli enzimi lavorano in ambiente acido , quindi avviene il rilascio di ioni H+ rendendo l’ambiente adatto. Nell’acrosoma ci sono la ialuronidasi che degrada acido ialuronico, e acrosina che degrada l’aspetto esterno della zona pellucida che presenta la zp3. Nella rottura della membrana della vescicola acrosomica, il recettore per la zp2, presente nella zona interna della vescicola acrosomica, si lega alla zp2 mantenendo ancorato lo spermatozoo. Entrata dello spermatozoo La testa dello spermatozoo si adagia in posizione tangenziale rispetto alla cellula uovo, appoggiandosi alla zona pellucida. Il flagello si stacca prima della fusione della testa con l’uovo. Nella fusione delle membrane nello spermatozoo viene esposta la proteina bindina che ha un recettore sulla membrana dell’ovulo. Se la bindina e il recettore si legano, si crea il varco che permette la fusione dei due nuclei. Gli spermatozoi arrivano vicino alla zona radiata e grazie agli enzimi, le cellule della zona radiata si allontanano un poco permettendo l’entrata dello spermatozoo. La cellula uovo deve impedire l’entrata di altri spermatozoi e forma la membrana di fecondazione dal cortex. Il cortex cambia la disposizione delle molecole (cambia colore da giallo a bianco per rifrazione della luce)(avviene in 7 sec). Si ha un aumento esponenziale di Ca 2 +^ libero a livello del citoplasma (20 sec) che poi scende altrettanto velocemente. Si forma la membrana di fecondazione dai granuli del cortex. Il contenuto dei granuli viene esocitato e forma una barriera resistente agli altri spermatozoi (se entrassero due spermatozoi si avrebbe un individuo triplode). Per formare lo zigote si devono fondere i due nuclei. Il nucleo maschile aumenta di dimensioni e diventa pronucleo maschile. Il nucleo femminile termina le divisioni producendo gli altri corpi polari e, diventato pronucleo femminile , si dirige verso quello maschile per la fusione.
SEGMENTAZIONE
Il numero delle cellule aumenta tramite mitosi e il volume della cellula totale rimane uguale , diminuendo quindi le dimensioni delle singole cellule. Si arrivano ad avere 4000 cellule nello stesso volume della cellula iniziale. Le singole cellule sono i blastomeri e l’insieme di cellule si chiama blastula. All’interno della blastula, poco per volta, gli spazi vuoti che si sono formati convertono e vanno a formare il blastocele (ha un tetto di qualche strato di cellule). Si passa quindi alla celoblastula. Tipi di uova e di segmentazione
Le uova delle varie specie immagazzinano materiale di riserva (vitello) utile per lo sviluppo del feto, ma in quantità diverse:
- Uova alecitiche : non presentano vitelli=sostanze di riserva. È tipica dell’uomo perché le sostanze sono fornite dalla mamma.
- Uova oligocitiche : hanno poco materiale.
- Uova Mesolecitiche : abbondante materiale di riserva che si accumula al polo vegetativo.
- Uova Telolecitiche : il polo animale con il nucleo è ridottissimo e c’è moltissimo materiale di riserva (uccelli).
- Uova Centrolecitiche : nucleo al centro circondato da materiale di riserva, e c’è una corona di citoplasma all’esterno che si chiama cortex (insetti). In base alla quantità di vitello presente nell’uovo, ci saranno diversi stadi di segmentazione. Se c’è una grande quantità di vitello sarà più difficile compiere segmentazione che sarà quindi meroblastica = parziale. La segmentazione totale tipica dei mammiferi prende il nome di oloblastica che può avvenire in due modi diversi:
- Tutti i blastomeri hanno dimensioni uguali tipica delle alecitiche e oligocitiche ( segmentazione eguale ).
- Blastomeri di piccole dimensioni (micromeri) si trovano nella porzione animale e blastomeri più grandi si trovano invece nella porzione vegetativa (macromeri). Questa segmentazione è tipica di mesolecitiche e telolecitiche ( segmentazione ineguale ). Segmentazione oloblastica totale può avvenire in tre modi:
- Radiale : (anfibi) prima divisione crea un piano meridiano, seconda divisione crea un altro piano meridiano parallelo al primo, terza divisione crea un piano latitudinale che taglia i meridiani in due parti.
- Seg. eguale : il terzo piano crea tutte cellule uguali
- Seg. ineguale : il terzo piano taglia le cellule non al centro e le crea più grandi verso la porzione vegetativa e più piccole nella porzione animale.
- Spirale : prima e seconda divisione sono meridiani paralleli tra loro, terza divisione il fuso mitotico si gira di 45 gradi portando la cellula nuova sfasata (molluschi).
- Rotazionale : (mammiferi) prima divisione piano meridiano, seconda divisione un blastomero si divide con un piano meridiano e l’altro si divide con un piano latitudinale. Tutti i blastomeri saranno girati di 90 gradi rispetto ai fratelli. Segmentazione meroblastica parziale può avvenire in due modi diversi:
- Discoidale : (uccelli) interessa solo il polo animale delle uova telolecitiche. Si forma la Discoblastula.
- Periferica : (insetti) interessa le uova centrolecitiche il nucleo si sposta verso il cortex e le cellule occupano solo quella porzione formando la periblastula. Processo di segmentazione Un oocita, una volta al mese, viene ovulato e arriva alla maturazione completa espellendo i corpi polari. L’ovulo ha ancora intorno a se la corona radiata e la zona pellucida. La fecondazione può avvenire entro 24 ore dall’ovulazione e avviene nell’ampolla della tuba dove si forma lo zigote. Nella tuba lo zigote comincia a dividersi. Prima divisione avviene dopo 30 ore dalla fecondazione, la seconda divisione avviene dopo 40-50 ore dalla fecondazione. Dopo 4 giorni si hanno 12- cellule. Le divisioni nella blastula dell’uomo, sono asincrone e quindi avvengono in tempi diversi l’una dalle altre. A 12-16 cellule diventa morula e tramite compattazione le cellule si compattano e si forma, dopo 5 giorni, il blastocele. Una volta nell’utero, la zona pellucida deve staccarsi per permettere l’impianto (6 giorni). La celoblastula comprende uno strato di cellule, chiamato trofoblasto che assomiglia ad un epitelio, cellule della massa interna , e blastocele.
GASTRULAZIONE
In questa fase si ha la formazione dei foglietti embrionali fondamentali per dare una specificazione embrionale e regionale alle cellule della morula. All’interno del foglietto tutte le cellule saranno simili ma con caratteristiche diverse perché sono destinate a funzioni diverse.
NEURULAZIONE
È il processo di formazione del sistema nervoso tramite tappe definite e cadenzate. Il sistema nervoso si genera dall’ectoderma che prende il nome di neuroectoderma. Deve acquisire la competenza di rispondere ai segnali e ha bisogno di un indirizzamento funzionale e posizionale. Devono acquisire il destino cellulare per differenziarsi nelle innumerevoli cellule nervose diverse. Devono quindi migrare per acquisire l’ubicazione definitiva. Infine deve avvenire la crescita assonale per andare a formare le giunzioni al termine degli assoni per permettere la comunicazione. Differenziazione Gli stimoli che il neuroectoderma riceve per la differenziazione sono fattori intrinsechi e fattori estrinseci come fattori di crescita. Si ha una popolazione di progenitori multipotenti che hanno caratteristiche simili. Vengono poi differenziate da fattori di crescita come l’ NGF (nerve growth factor scoperto da Rita Levi Montalcini). L’NGF ha diverse funzioni:
- Azione trofica : viene assorbito dalle terminazioni nervose e va a stimolare la sintesi proteica , fondamentale per la crescita delle cellule.
- Azione chemiotattica : si posiziona in un punto andando a direzionare l’assone che sta crescendo, nella giusta direzione.
- Azione differenziativa : stimolando la sintesi proteica, mette in atto tutte le proteine che renderanno la cellula differenziata.
- Azione modulatrice : quando la cellula è completamente sviluppata va a modulare l’azione del neurone. Formazione del tubo neurale La neurulazione è la successione di eventi che porta alla formazione del tubo neurale e poi dell’intero sistema nervoso dalla lamina del neuroectoderma , una porzione dell’ectoderma. Tutto il processo della formazione del tubo neurale parte dal labbro dorsale del blastoporo. L’ectoderma comincia a cambiare conformazione: le cellule diventano colonnari e s’inspessisce la zona che sarà neuroectoderma , formando la piastra neurale. La piastra neurale spinge formando le pliche neurali che sono incurvamenti sollevati. Il mesoderma forma la notocorda a livello dell’invaginamento dell’ectoderma. Schiacciandosi, poco per volta, le pliche neurali formano il solco neurale vero e proprio. Le forze che spingevano le pliche neurali continuano a spingere fino a chiudere il solco formando in tubo neurale che rimane al di sotto dell’ectoderma. Nel momento in cui il solco si chiude, una parte dell’ectoderma rimane tra il tubo neurale e l’ectoderma, e prende il nome di cresta neurale. La chiusura del tubo non avviene contemporaneamente in tutta la lunghezza: avviene prima in centro, poi a livello encefalico e in fine a livello caudale. Quando il tubo si sta formando al centro, a livello caudale si è ancora alla gastrulazione gastrulazione e neurulazione sono mischiate e poco definite. Questo può portare a diversi tipi di problemi (anencefalia, meroencefalia, spina bifida o cistica). Organizzazione del tubo neurale Lungo il tubo neurale si formano delle vescicole o rigonfiamenti, con altrettante cavità al loro interno, che formeranno le diverse parti del sistema nervoso. Il tubo si divide in due porzioni: placca basale (ventrale) che formerà la parte motoria, e placca alare (dorsale) che formerà la parte sensoriale. Tra le due placche si individua il solco limitante. A livello cellulare , dopo un certo numero di divisioni, queste cominciano a differenziarsi nelle varie cellule del sistema nervoso. Dalle cellule progenitrici derivano tutte le cellule neurali del sistema nervoso. Le cellule migrano nella posizione definita mantenendo le cellule nuove sempre verso l’esterno del tubo neurale. Per mantenere la popolazione di cellule staminali stabile, una cellula figlia rimane progenitrice e una si differenzia. Si indentificano tre tipi di strati cellulari:
- Ependimale : strato più interno a contatto con il lume del tubo neurale, mantengono il potere di proliferare. Ci sono delle cellule della glia radiale che hanno il corpo cellulare a livello
dello strato ependimale e che hanno un prolungamento che attraversa tutti e tre gli strati mantenendoli uniti.
- Mantello : strato intermedio più spesso, sono cellule uscite dallo stato staminale e che hanno preso a via del differenziamento nei vari strati.
- Marginale : strato più esterno, è una capsula formata da fibre che diventeranno la sostanza bianca. Crescita degli assoni Le cellule nervose devono far crescere l’assone in modo da poter comunicare con le altre cellule. Da un prolungamento citoplasmatico si forma un cono di emergenza. Nella parte terminale del cono di crescita, in un primo momento, troviamo dei filpodi che vengono allungati e accorciati, grazie ai quali la cellula capisce la sua posizione. La cresta neurale si può definire quarto foglietto embrionale perché da essa si ricavano diverse cellule differenziate (neuroni, melanociti, condrociti che formano la cartilagine, adipociti, osteoblasti e osteoclasti, cellule muscolari lisce). La neurulazione è un processo preciso e alla fine si può ben identificare la neurula.
ORGANOGENESI
Gli organi derivano per la maggior parte da mesoderma e dall’endoderma. Derivati del mesoderma Dal mesoderma parassiale (più vicino a notocorda e tubo neurale) derivano i somiti. Dal mesoderma intermedio si formano le gonadi , i reni e le surreni. Dal mesoderma laterale c’è una porzione che si chiama lamina del mesoderma somatico da cui derivano gli arti. Dalla lamina interna del mesoderma splaknico derivano mesentere e cuore. Le ossa del cranio derivano dalla cresta neurale e le vertebre derivano dalla notocorda e dai somiti (porzione centrale del mesoderma). La porzione scheletrica degli arti prende origini dal mesoderma somatico. Derivati dell’endoderma Dall’endoderma derivano l’epitelio dell’apparato digerente e respiratorio, molte ghiandole esocrine, la vescica e l’apparato riproduttore. Derivati dell’ectoderma Dall’ectoderma derivano principalmente l’apparato tegumentario e il sistema nervoso come già visto. Somitogenesi e miogenesi I somiti sono strutture che si formano intorno al tubo neurale e sono la dimostrazione palese della nostra composizione segmentaria. Vanno a formare il piano strutturale di tutto l‘ organismo. Si formano in successione, iniziando nella porzione cefalica e spostandosi verso la porzione caudale. Sono un’indicazione precisa dello stadio dello sviluppo dell’organismo. Una porzione di mesoderma si dispone vicino alla notocorda andando a formare il somite , le cui cellule si chiamano somitomeri. Le cellule in questa fase dello sviluppo si muovono tramite la transizione epitelio- mesenchimale , e le cellule derivate dal somite si spostano nella destinazione con questo processo. Le cellule in prossimità della notocorda, si staccano dal mesoderma e formano gli sclerotomi da cui derivano le vertebre e le costole. Una metà di una vertebra si origina da uno sclerotomo di un somite, l’altra metà si genera da uno sclerotomo di un altro somite. Il somite si può dividere in sclerotomo, più vicino alla notocorda, miotomo, parte più lontano dalla notocorda, e dermatomo che sta tra miotomo e sclerotomo. La parte dorsale dello sclerotomo andrà a formare i tendini e quindi si chiama sindetono. Dermatomo forma la cute, il miotomo forma la parte muscolare dell’organismo. Arti Gli arti derivano dalle gemme degli arti che sono una parte del mesoderma ricoperto da epitelio generato dall’ectoderma. Partendo da un ammasso informe di mesoderma ed epitelio, si allunga e si crea la forma predefinita. C’è una protuberanza chiamata cresta ectodermica apicale (AER ) che è una regione di regolazione fondamentale che fa sì che l’arto cresca con la giusta posizione e la giusta lunghezza, ma anche che le ossa si posizionino una dopo l’altra nel modo corretto. La gemma dell’arto ha due porzioni di epidermide che la ricoprono: dorsale e ventrale (che da
