Embriogenesi dei vertebrati_2020.pdf

EMBRIOGENESI L’embriogenesi o sviluppo embrionale è l’insieme degli eventi attraverso cui, durante un ciclo vitale, da un uovo fecondato si genera un organismo pluricellulare, i cui differenti tipi cellulari sono organizzati in tessuti ed organi, ciascuno deputato a svolgere una specifica funzione....

EMBRIOGENESI L’embriogenesi o sviluppo embrionale è l’insieme degli eventi attraverso cui, durante un ciclo vitale, da un uovo fecondato si genera un organismo pluricellulare, i cui differenti tipi cellulari sono organizzati in tessuti ed organi, ciascuno deputato a svolgere una specifica funzione. L’embriogenesi è un aumento regolato del numero di cellule associato ad un aumento della diversità cellulare, coordinati nello spazio e nel tempo. (Liem et al., 2012, EdiSES) Da un uovo fecondato (zigote) si genera un organismo pluricellulare attraverso importanti processi tra loro correlati e sovrapposti nel tempo: divisione cellulare (blastomeri); determinazione: processo attraverso il quale una cellula viene specificata, determinata a svolgere una specifica funzione; è un processo influenzato dai contenuti citoplasmatici e dall’ambiente cellulare circostante; differenziamento: processo in cui si verificano i reali cambiamenti biochimici, morfologici e funzionali che portano ai diversi tipi cellulari di un organismo; dipende dall’espressione di geni differenti a partire dal medesimo corredo genetico, dipendente da specifici meccanismi regolatori; morfogenesi: processo che conduce al modellamento della forma di un organismo pluricellulare e dei suoi organi; i fattori chiave sono i movimenti cellulari e la morte programmata di determinate cellule. Le cellule che nascono dalle prime divisioni (blastomeri) sono equivalenti dal punto di vista genomico e delle loro potenzialità (totipotenti): ognuna di esse può dare origine a qualsiasi tessuto dell'organismo e perfino all'organismo intero. Le divisioni successive vedono invece una riduzione della capacità differenziativa dei blastomeri in diversi tessuti e una sempre loro maggiore specializzazione: le cellule manifestano un certo grado di disomogeneità che andrà sempre più aumentando, cosicché gruppi diversi di cellule mostreranno un'identità sempre più spiccata. A questo punto si entra in una fase di crescita e di maturazione. 5 classi di potenza cellulare: cellula capace di formare un organismo in toto cellula capace di dare origine a tutti e tre i foglietti embrionali cellula capace di generare, differenziandosi, i vari tipi cellulari dello specifico compartimento in cui risiede cellula che può differenziarsi terminalmente in un solo elemento cellulare cellula matura ZIGOTE BLASTOMERI in fase molto precoce BLASTOMERI in fase tardiva Nello sviluppo animale, i processi che rendono differenti l’una dall’altra cellule genotipicamente identiche (determinazione) possono dipendere da cause diverse, interne o esterne alla cellula stessa, ma operano in base ad un programma che è predisposto prima ancora della fecondazione, durante l’oogenesi. Tali processi si realizzano nel corso di due differenti modalità di sviluppo: 1) specificazione autonoma (sviluppo a mosaico) (nematodi, molluschi, anellidi e tunicati) la distribuzione eterogenea di vari determinanti citoplasmatici all’interno delle uova non fecondate determina differenze regionali nelle fasi precoci dello sviluppo embrionale: le cellule che ricevono differenti determinanti citoplasmatici si specializzano in modo diverso mRNA, fattori di trascrizione le cellule hanno destino diverso (Campbell e Reece, 2004, Zanichelli) 2) specificazione condizionata (sviluppo regolativo) (ricci di mare, vertebrati) l’informazione proviene principalmente dall’ambiente che circonda la cellula: segnali che giungono su una cellula embrionale (competente) da cellule embrionali vicine (inducenti) determinano cambiamenti a carico della cellula competente, secondo un processo chiamato INDUZIONE, che comporta cambiamenti dell’espressione genica nella cellula competente con conseguente avvio del destino differenziativo. L'induzione è di grande importanza sia nello sviluppo precoce (INDUZIONE PRIMARIA) sia nella formazione dei diversi organi (INDUZIONE SECONDARIA). I modelli di induzione embrionale sono: ▪ Interazioni di superficie cellula-cellula ▪ Diffusione di morfogeni secondo gradiente di concentrazione ▪ Diffusione di morfogeni nella matrice extracellulare fino al raggiungimento della cellula indotta (competente) La competenza della cellula indotta è data sia dalla capacità di legare molecole induttrici (presenza di recettori specifici) sia di attuare una risposta (trasduzione del segnale) (Liem et al., 2012, EdiSES) La modularità del piano corporeo degli animali pluricellulari necessita di una organizzazione spaziale dei tessuti e degli organi, controllata da un insieme di segnali (informazioni posizionali) che suggeriscono alla cellula la sua posizione rispetto agli assi corporei e alle cellule circostanti (differenziamento e morfogenesi). L’analisi genetica di Drosophila ha rivelato che i geni controllano lo sviluppo (meccanismo a cascata) e che i principi del suo sviluppo sono comuni ad altre specie, compreso l’uomo. Dopo che i maggiori assi corporei dell’embrione sono stati definiti dai geni materni della polarità dell’uovo, i geni della segmentazione dirigono la formazione dei segmenti, fornendo le informazioni posizionali del piano corporeo modulare dell’animale. Non appena i geni della segmentazione hanno definito i vari segmenti, i geni omeotici specificano le diverse appendici e le strutture che si formeranno a livello di ciascun segmento; i fattori di trascrizione che essi codificano, controllano l’espressione dei geni responsabili della formazione di strutture anatomiche specifiche. I geni omeotici hanno una sequenza evolutivamente conservata (omeobox) fatta di 180 paia di basi che codificano per una proteina di 60 aminoacidi (omeodominio). Nei vertebrati i geni contenenti omeobox sono stati chiamati geni HOX; essi sono organizzati in 4 cluster ognuno localizzato su un cromosoma distinto. Esiste una correlazione fisica tra la localizzazione (colinearità spaziale) di un gene nel proprio cluster e la sua espressione lungo l’asse anteroposteriore dell’embrione (colinearità temporale): i geni localizzati anteriormente sono espressi prima e in una regione anteriore rispetto a quelli localizzati verso l’estremità posteriore del cluster. Lo sviluppo embrionale degli animali triblastici può essere ripartito in tappe fondamentali: fecondazione segmentazione gastrulazione neurulazione citodifferenziamento e organogenesi Il risultato finale consiste o in una larva che subirà una metamorfosi per trasformarsi in adulto (sviluppo indiretto) o in un piccolo modello di adulto (giovanile) che si trasformerà in modo più limitato in adulto (sviluppo diretto). FECONDAZIONE Lo sviluppo embrionale prende il via da un evento di FECONDAZIONE, cioè la fusione dello spermatozoo con la cellula uovo, che porta alla formazione di una cellula diploide, lo zigote. La fecondazione è un fenomeno della RIPRODUZIONE SESSUATA (anfigonia), che è legata alla presenza di due gameti e porta allo scambio di materiale genetico tra gli individui di sesso diverso; la progenie presenta un corredo genetico differente da quello dei due individui parentali. La riproduzione sessuata aumenta la variabilità genetica e fenotipica della prole. La RIPRODUZIONE SESSUATA implica due eventi: 1. la formazione di cellule aploidi (gametogenesi), i gameti maschili (spermatozoi) e femminili (cellule uovo), prodotti rispettivamente nel testicolo (♂) e nell’ovario (♀); 2. la fecondazione. Durante la GAMETOGENESI avvengono due processi fondamentali: 1. Meiosi o divisione riduzionale: comporta due successive divisioni meiotiche in modo che i gameti diventano aploidi. 2. Acquisizione da parte dei gameti di specializzazioni necessarie per la fecondazione e l’embriogenesi. SPERMATOGENESI La spermatogenesi è un fenomeno rapido, ciclico o continuo, tipico del maschio adulto, che si realizza nei testicoli, sotto controllo ormonale. Nei vertebrati troviamo due tipi di organizzazione testicolare: ✓ AMPOLLARE: nelle diverse ampolle o cisti le cellule o germinali sono sincronizzate allo stesso stadio CISTICA della spermatogenesi (anamni) ✓ TUBULARE: all’interno dello stesso tubulo seminifero si trovano tutti gli stadi della spermatogenesi, da spermatogoni a spermatozoi (amnioti) Nella spermatogenesi dei vertebrati si distinguono 3 fasi: 3) FASE SPERMIOGENETICA: trasformazione degli spermatidi in spermatozoi maturi, abili a fecondare la cellula uovo. 1) FASE MITOTICA: moltiplicazione per mitosi degli spermatogoni diploidi derivanti da cellule germinali primordiali. 2) FASE MEIOTICA: gli spermatogoni entrano in fase S duplicando il DNA e (Menegola et al.,2019, EdiSES) diventano spermatociti primari che iniziano la meiosi I che porta alla formazione di due spermatociti secondari morfologicamente identici; ogni spermatocita secondario va incontro a meiosi II che porterà alla formazione di due spermatidi. Il processo meiotico termina con la formazione di quattro spermatidi aploidi morfologicamente identici e uniti da ponti citoplasmatici. La spermiogenesi comporta una serie di trasformazioni a carico degli spermatidi, quali formazione dell’acrosoma dall’apparato del Golgi, sviluppo del flagello con assonema (microtubuli 9+2), condensazione della cromatina e riduzione del volume nucleare, eliminazione del citoplasma. OOGENESI È un processo attraverso il quale i gameti femminili si formano e maturano in una struttura specializzata, il follicolo ovarico, formato da cellule follicolari e da un oocito. Quest’ultimo contiene tutti i fattori necessari per attivare il metabolismo e lo sviluppo del futuro embrione. La struttura e l’organizzazione dell’ovario varia in relazione al tipo di uovo maturato ed alla fisiologia della riproduzione: ovari CAVI (vertebrati non mammiferi e monotremi) e ovari PIENI (mammiferi marsupiali e placentati). Nell’oogenesi dei vertebrati si riconoscono 3 fasi: 1) FASE MITOTICA (per tutta la vita negli anamni; nel periodo embrionale negli amnioti): moltiplicazione per mitosi degli oogoni diploidi, derivanti da cellule germinali primordiali, che rimangono uniti da ponti citoplasmatici che garantiscono uno sviluppo sincrono. (Menegola et al.,2019, EdiSES) 2) FORMAZIONE DEGLI OOCITI: gli oogoni entrano in fase S duplicando il DNA e diventano oociti primari che rimangono bloccati nella profase della meiosi I per diversi giorni o anni, all’interno di piccoli follicoli promordiali. Gli oociti primari si accrescono o per accumulo continuo di vitello o tuorlo (fase di previtellogenesi e vitellogenesi) o per proliferazione delle cellule follicolari (follicologenesi che continua anche nella successiva fase). 3) FASE DI MATURAZIONE: completamento della meiosi I, in seguito alla quale ogni oocita primario si divide attraverso una citodieresi ineguale formando un oocita secondario e un globulo polare, che rimangono bloccati in metafase della meiosi II. In seguito a fecondazione, le due cellule saranno stimolate a completare la meiosi II che si conclude con la formazione di una cellula uovo e tre globuli polari. Nei mammiferi, gruppi di follicoli primordiali vengono reclutati e cominciano ad accrescersi attraverso un processo molto lungo e continuo denominato follicologenesi che comprende tre fasi: ❖ FASE PREANTRALE: l’oocita primario si accresce e le cellule follicolari si organizzano prima in un monostrato di cellule cubiche (follicolo primario, B) e poi a formare più strati di cui quello più interno costituisce la CORONA RADIATA mentre quelli più esterni costituiscono la GRANULOSA (follicolo primario multilaminare, C). ❖ FASE ANTRALE: un ulteriore aumento delle dimensioni del follicolo dà origine al follicolo secondario (D); fra le cellule della granulosa compaiono spazi contenenti liquido che confluiscono in un’unica cavità (ANTRO FOLLICOLARE), il cui ampiamento spinge le cellule della granulosa alla periferia mentre un piccolo gruppo di esse circonda l’oocita costituendo il CUMULO OOFORO. Il follicolo secondario matura in follicolo terziario o di Graaf (E) caratterizzato dalla proliferazione delle cellule della granulosa e dal rapido accumulo di liquido follicolare nell’ampio antro. ❖ FASE OVULATORIA: poco prima della fase ovulatoria, l’oocita primario presente nel follicolo di Graaf completa la meiosi I formando un oocita secondario che insieme al cumulo ooforo, sotto la spinta del liquido follicolare, viene espulso dal follicolo di Graaf. L’oocita secondario rimane bloccato nella metafase II fino al momento della fecondazione. (Menegola et al., 2019, EdiSES) Nelle cellule uovo si può tracciare un asse ideale, definito come "asse animale-vegetativo", paragonabile all’asse di rotazione terrestre, con un polo animale e un polo vegetativo. (Giudice et al., 2010, Piccin) POLO ANIMALE Granuli corticali della cortex (derivati dall’apparato di Golgi e posti sotto la membrana plasmatica dell’ovocita, considerati omologhi all’acrosoma per il loro contenuto in materiale mucopolisaccaridico ed enzimi proteolitici); assenti nei condroitti, negli anfibi urodeli, negli uccelli e in molti rettili Membrana plasmatica Membrana ovulare primaria (secreta dalla cellula uovo): CORION (pesci) MEMBRANA VITELLINA o INVOLUCRO VITELLINO (anfibi) ZONA PELLUCIDA (mammiferi) Membrane ovulari secondarie (secrete dalle cellule follicolari): involucro gelatinoso (anfibi) Membrane ovulari terziarie (secrete dall’ovidotto): albume, membrana testacea, guscio (rettili, uccelli) POLO VEGETATIVO B: pesce teleosteo C: anfibio anuro (Menegola et al., 2019, EdiSES) D: pollo E: topo In base alla quantità e alla disposizione del TUORLO, le cellule uovo si distinguono in: ❖ UOVA ALECITICHE (mammiferi placentati): prive di tuorlo. ❖ UOVA OLIGOLECITICHE, ISOLECITICHE (urocordati, anfiosso): poco tuorlo, disposto uniformemente nel citoplasma. L’uovo si schiude presto in larva che metamorfosa rapidamente e comincia a nutrirsi. ❖ UOVA MESOLECITICHE (lamprede, attinopterigi non teleostei, dipnoi, anfibi): quantità moderata di tuorlo, disposto nel polo vegetativo. L’uovo si sviluppa presto in larva capaci di nutrirsi, che poi metamorfosa. ❖ UOVA MACROLECITICHE, TELOLECITICHE (missine, condroitti, teleostei, celacanti, rettili, uccelli, mammiferi monotremi): molto tuorlo, che occupa la maggior parte del citoplasma tranne una piccola area al polo animale contenente citoplasma con nucleo. Gli embrioni si sviluppano come adulti in miniatura, prima della schiusa. Le uova dei mammiferi marsupiali contengono tuorlo, che viene utilizzato solo nelle prime fasi della segmentazione; questa procede come in un uovo oligolecitico. La FECONDAZIONE provvede alla ricombinazione di corredi cromosomici aploidi e all’attivazione della cellula uovo, e implica: la penetrazione dello spermatozoo nell’uovo, la fusione dei due pronuclei, blocco della polispermia, l’attivazione del metabolismo dell’uovo per l’avvio allo sviluppo dell’embrione. La fecondazione può essere: esterna, in ambiente acquatico (ciclòstomi, osteitti, anfibi anuri) interna, all’interno delle vie genitali femminili (condroitti, anfibi urodeli e gimnofioni, rettili, uccelli, mammiferi). Negli animali a fecondazione esterna le uova deposte sono per lo più rivestite di un involucro gelatinoso. Le possibilità di incontro dei due gameti risultano incrementate dal loro rilascio contemporaneo, in seguito ad un rito di corteggiamento, e da una reciproca attrazione chimica tra gameti maschili e femminili della stessa specie, che è anche alla base dell’adesione dello spermatozoo all’oocita e dell’inibizione della cross-fecondazione tra specie diverse. Questo tipo di fecondazione richiede una notevole emissione di gameti, con dispendio di energia molto alto, e un consistente rischio di insuccesso. Negli animali a fecondazione interna, gli spermatozoi vengono rilasciati nelle vie genitali femminili, dove vengono anche trattenuti gli oociti. In questo caso le probabilità che la fecondazione abbia successo aumentano grazie all’elevato numero di spermatozoi eiaculati e alla notevole dimensione degli oociti. Nella fecondazione interna dei mammiferi, lo spermatozoo, durante il passaggio attraverso il tratto riproduttore femminile, subisce molte modificazioni mediante le quali acquisisce la capacità di fecondare (CAPACITAZIONE). Tali modificazioni consistono in cambiamenti fisiologici a carico della sua membrana plasmatica, quali 1) rimozione di colesterolo che favorisce un aumento della fluidità di membrana, un prerequisito per la reazione acrosomiale, 2) smascheramento di recettori che dovranno interagire con la zona pellucida dell’oocita secondario, 3) ri-collocazione di specifiche proteine di membrana che dovranno mediare la fusione tra i due gameti. Il contatto dello spermatozoo con l’uovo, mediato da recettori speciespecifici, induce: REAZIONE ACROSOMIALE che consiste nella fusione dell’acrosoma con la membrana plasmatica dello spermatozoo e l’emissione degli enzimi idrolitici per i rivestimenti esterni dell’uovo. REAZIONE CORTICALE che consiste in modificazioni a carico della membrana ovulare primaria che impedisce l’entrata di altri spermatozoi (polispermia). Nei vertebrati in cui la cellula uovo non contiene i granuli corticali, è possibile l’ingresso di più di uno spermatozoo nell’uovo; in questo caso solo uno spermatozoo può unirsi al pronucleo femminile, dal momento che i pronuclei degli spermatozoi soprannumerari degenerano. REAZIONE ACROSOMIALE e REAZIONE CORTICALE nei mammiferi Lo spermatozoo capacitato interagisce con la zona pellucida dell’oocita secondario e va incontro alla reazione acrosomiale durante la quale lo spermatozoo libera enzimi idrolitici che gli consentono di raggiungere e fondersi con la membrana plasmatica dell’uovo: il pronucleo spermatico penetra nell’oocita (1-4). La fusione della membrana plasmatica dello spermatozoo con la membrana plasmatica dell’oocita determina il completamento della meiosi II dell’oocita, requisito necessario perché il pronucleo femminile possa fondersi con il pronucleo maschile. La traslocazione del pronucleo maschile nel citoplasma dell’oocita determina un incremento di Ca2+ nel citoplasma dell’oocita, rilasciato dal REL, che scatena l’esocitosi dei granuli corticali (reazione corticale) (5) con il conseguente rilascio del loro contenuto (enzimi e polisaccaridi) a ridosso della zona pellucida inducendo un suo irrigidimento con conseguente blocco della polispermia. (Campbell e Reece, 2004, Zanichelli) Una volta fecondate, le uova si possono sviluppare: ❖in ambiente esterno (acquatico o terrestre) organismi ovipari (alcuni elasmobranchi, olocefali, osteitti, anfibi, alcuni rettili, uccelli e mammiferi monotremi). Le uova sono provviste di tuorlo per il completo sviluppo dell’embrione. In ambiente acquatico l’unico annesso embrionale è il sacco del tuorlo (pesci anamni; non presente negli anfibi), in ambiente terrestre compaiono anche altri annessi embrionali: amnios, corion, allantoide (rettili, uccelli e mammiferi monotremi amnioti); ❖in ambiente interno, cioè all’interno del corpo materno; si stabilisce quindi un rapporto di "dipendenza" dell’embrione nei confronti della madre: se la dipendenza è parziale, in quanto l’embrione mantiene al suo interno il materiale nutritizio (tuorlo) e dipende dalla madre per scambi respiratori, si parla di ovoviviparità (alcuni elasmobranchi, alcuni rettili); se la dipendenza è totale (nutrimento, scambi respiratori e smaltimento dei prodotti del metabolismo) si parla di viviparità (alcuni elasmobranchi, alcuni rettili, mammiferi marsupiali e placentati); negli elasmobranchi si sviluppa un sacco vitellino-placenta, negli amnioti si sviluppa una placenta. Sia gli ovovivipari che i vivipari partoriscono piccoli completamente formati. La fecondazione produce una redistribuzione di materiale nel citoplasma della cellula uovo tale da attivarla. assorbono la radiazione solare scaldando l’uovo e accelerando lo sviluppo; effetto mimetico (Alberts et al., 2004) (Liem et al., 2012, EdiSES) Uovo di anfibio anuro Negli anfibi durante la fecondazione il citoplasma periferico pigmentato ruota verso il punto di ingresso dello spermatozoo (rotazione corticale) mettendo in evidenza una semiluna grigia su una metà dell’equatore dell’uovo; essa segna il futuro lato dorsale dell’embrione e quindi definisce l’asse dorsoventrale. L’asse antero-posteriore è determinato dall’asse animalevegetativo. (Campbell e Reece, 2004, Zanichelli) Negli anfibi tutti e tre gli assi embrionali vengono determinati molto precocemente La rotazione corticale comporta la rilocalizzazione citoplasmatica dei fattori materni; questo porta alla formazione del centro di Nieuwkoop situato al di sotto della semiluna grigia. La sua presenza nell’embrione a questo stadio, insieme al territorio della semiluna grigia, specifica l’asse dorso-ventrale e l’asse destra-sinistra (asse di simmetria bilaterale). Il piano di simmetria bilaterale cade a metà di questi territori e del sito di ingresso dello spermatozoo e coincide con il primo solco di segmentazione. Il territorio della semiluna grigia e il Centro di Nieuwkoop esercitano quindi l’induzione del lato dorsale dell’embrione (induzione dorsalizzante). Questo è un esempio di INDUZIONE PRIMARIA che ha inizio al momento della fecondazione e alla fase iniziale dello stadio di blastula. Importanza della semiluna grigia e del centro di Nieuwkoop L’isolamento di blastomeri contenenti o no la semiluna grigia o il centro di Nieuwkoop produce lo sviluppo di larve normali o aberranti. Lo specifico schema di segmentazione determina il destino delle cellule che compongono l’embrione. privo di strutture dorsali (Campbell e Reece, 2004, Zanichelli) SEGMENTAZIONE La segmentazione consiste in una serie di rapide divisioni mitotiche mediante le quali lo zigote unicellulare si trasforma in un embrione multicellulare, la blastula, ad un solo foglietto (blastoderma), costituita da tanti blastomeri che delimitano una cavità, il blastocele, ripiena di acqua e proteine; il blastocele è posto al centro nelle blastule che derivano da uova oligolecitiche mentre è situato verso il polo animale in quelle che derivano dalle uova con più tuorlo. Il ciclo di divisioni termina quando si è raggiunto il rapporto nucleo/citoplasma caratteristico della specie. ✓ Durante la segmentazione non si ha accrescimento citoplasmatico: il volume totale dell’embrione non aumenta e i blastomeri divengono sempre più piccoli. Il tipo di segmentazione dipende dalla quantità e dalla distribuzione del tuorlo: OLOBLASTICA RADIALE (totale), tipica delle uova oligo- e mesolecitiche (urocordati, anfiosso, lamprede, attinopterigi non teleostei, dipnoi, anfibi, mammiferi marsupiali) MEROBLASTICA DISCOIDALE (parziale), tipica delle uova macrolecitiche (missine, condroitti, teleostei, celacanti, rettili, uccelli, mammiferi monotremi) OLOBLASTICA ROTAZIONALE (totale), tipica delle uova alecitiche (mammiferi placentati) blastoderma o blastodisco (Liem et al., 2012, EdiSES) SEGMENTAZIONE OLOBLASTICA RADIALE ANFIBI - uovo mesolecitico Avviene in ambiente acquatico. Piani di divisione paralleli all’asse animalevegetativo meridiani Piani di divisione perpendicolari all’asse animale-vegetativo equatoriali Lo strato esterno di blastomeri forma giunzioni strette isolando il blastocele dall’ambiente esterno; i blastomeri interni sono uniti da giunzioni comunicanti (Campbell e Reece, 2004, Zanichelli ) micromeri macromeri SEGMENTAZIONE MEROBLASTICA DISCOIDALE UCCELLI (RETTILI E MAMMIFERI MONOTREMI) - uovo macrolecitico La segmentazione avviene nell’ovidotto; interessa solo una limitata regione citoplasmatica dell’uovo priva di vitello (blastodisco o disco citoplasmatico). All’inizio il blastoderma è monostratificato. Poi, divisioni equatoriali e meridiane suddividono il blastoderma in un tessuto dello spessore di 5-6 strati di cellule. (Gilbert, 2000) Il blastoderma costituisce l’epiblasto. Tra esso e il tuorlo si trova uno spazio denominato cavità subgerminale, contenente un fluido. Pertanto nel blastoderma è possibile identificare un’area pellucida, costituita dalle cellule al di sopra della cavità subgerminale, delimitata da un’area opaca, in cui le cellule sono attaccate al tuorlo. Tra l'area pellucida e l'area opaca si trova un sottile strato di cellule detto zona marginale posteriore. (Lancieri, 2007) Per delaminazione dell’epiblasto, si forma un ipoblasto primario e, dalla migrazione di cellule dalla zona marginale posteriore dell’epiblasto (falce di Koller, individuata da un ispessimento), si forma un ipoblasto secondario. Lo spazio tra epi- e ipoblasto costituisce il blastocele. Dall’epiblasto origina l’intero embrione e la maggior parte degli annessi embrionali, dall’ipoblasto origina il sacco vitellino. Falce di Koller (Lancieri, 2007) SEGMENTAZIONE OLOBLASTICA ROTAZIONALE MAMMIFERI PLACENTATI – uovo alecitico Avviene nell’ovidotto; è irregolare (i piani di segmentazione hanno orientamento differente nei primi due blastomeri), lenta e asincrona, per cui i blastomeri possono essere anche dispari. I divisione (2 cellule): meridiana II divisione (4 cellule): mista (meridiana per un blastomero e equatoriale per l’altro blastomero) III divisione (8 cellule): compattazione (E-caderina)  i blastomeri non sono più totipotenti IV divisione (16 cellule): morula V divisione (32 cellule): blastula (blastocisti) La blastocisti è costituita da uno strato esterno detto trofoblasto che contribuirà a formare la placenta, e da una massa cellulare interna (embrioblasto o nodo embrionale) che darà origine all’embrione e alla maggior parte degli annessi embrionali. compattazione (Menegola et al., 2019; EdiSES) A questo stadio la blastocisti sguscia dalla zona pellucida che l’ha finora circondata e che viene digerita dalle cellule del trofoblasto. La blastocisti si impianta nell’utero attraverso le cellule del trofoblasto che penetrano nei tessuti della parete uterina (endometrio) attraverso il rilascio di enzimi litici. La massa cellulare interna si dispone su due strati a dare il disco germinativo bilaminare formato da un epiblasto superiore, da cui deriverà l’embrione, e da un ipoblasto inferiore (o endoderma primitivo) che partecipa alla formazione degli annessi embrionali. Cavità della blastocisti (Campbell e Reece, 2004, Zanichelli) ✓ I blastomeri, pur presentandosi indifferenziati in senso citologico non sono equivalenti quanto alle loro potenzialità. Alla fine della segmentazione è possibile tracciare le mappe dei territori presuntivi destinati a dare successivamente i diversi foglietti embrionali e quindi gli organi. Si lascia sviluppare un embrione fino allo stadio di blastula, quindi si marcano alcune cellule con coloranti vitali o fluorescenti. Si lascia proseguire lo sviluppo attraverso la gastrulazione e le prime fasi dell’organogenesi e si osservano le cellule marcate. ECTODERMA MESODERMA ENDODERMA (Purves et al., 1998, Zanichelli) ✓ Negli anfibi l’analisi della mappa dei destini dei territori embrionali ha rivelato che la semiluna grigia corrisponde alla regione che al termine della segmentazione dà inizio ai processi di gastrulazione formando il labbro dorsale del blastoporo. GASTRULAZIONE La gastrulazione è la fase caratterizzata da movimenti morfogenetici, mediante i quali le cellule dell’embrione cambiano forma e posizione migrando dalla superficie in zone più profonde, trasformando la blastula in un embrione stratificato in 3 foglietti germinativi primitivi (gastrula tristratificata), che corrispondono ai futuri tessuti embrionali: ECTODERMA strato esterno dalle cui cellule si formeranno l’epidermide della pelle, i maggiori organi di senso e il sistema nervoso (neuroectoderma). MESODERMA foglietto intermedio che darà origine alla notocorda, derma della pelle, muscoli, cuore, reni, gonadi. ENDODERMA foglietto interno destinato a diventare l’intestino primitivo o archenteron che si apre all’esterno con il blastoporo che nei deuterostomi diventerà l’ano. Dalle cellule dell’endoderma si formerà il rivestimento dell’apparato digerente, compresi fegato e pancreas, e l’apparato respiratorio. Durante lo sviluppo embrionale le cellule possono essere di tipo epiteliale oppure di tipo mesenchimale. EPITELIO Le cellule sono a contatto l’una con l’altra attraverso complessi giunzionali e poggiano su una lamina basale ricca di proteine, proteoglicani, glicoproteine. Le cellule che formano un epitelio sono in genere polarizzate. MESENCHIMA Le cellule, in genere di forma irregolare, sono disperse nell’ECM che presenta una consistenza gelatinosa. Le cellule mesenchimali non presentano una forma definita né specializzazioni; in genere non sono in contatto con altre cellule. (Liem et al., 2012, EdiSES) La gastrulazione implica cambiamenti nella forma cellulare, nella motilità e nell’adesione cellulare; in tali processi sono coinvolti il citoscheletro, la matrice extracellulare e molecole di adesione cellulare. I principali tipi di movimento che avvengono durante la gastrulazione comprendono: Invaginazione o embolia: ripiegamento di una parte di una lamina epiteliale verso il blastocele (A). Involuzione: ripiegamento e scorrimento di una lamina epiteliale in modo da accollarsi alla superficie interna dello strato superficiale (B) in attiva espansione (C). Ingressione o immigrazione: migrazione di singole cellule dall’epitelio che delimita il blastocele dove successivamente si riuniscono (D). Transizione epitelio-mesenchimale. (Menegola et al., 2019; EdiSES) Intercalazione radiale: le cellule si interpongono secondo una direzione perpendicolare alla superficie, determinando un assottigliamento dello strato cellulare iniziale. L’intercalazione radiale si osserva nel movimento di epibolia, in cui le cellule del polo animale scorrono al di sopra delle altre cellule, rivestendole. Intercalazione laterale: le cellule si riorganizzano all’interno dello stesso strato originando un foglietto più stretto e lungo senza cambiamenti della superficie iniziale. Se intercalandosi le cellule convergono verso la linea mediana si ha una estensione convergente. (Menegola et al., 2019; EdiSES) GASTRULAZIONE ANFIBI - uovo mesolecitico L’inizio della gastrulazione coincide con la comparsa di un solco a livello della semiluna grigia, a causa della invaginazione di un numero ridotto di cellule vegetative (cellule a bottiglia); la parte dorsale del solco diventa il LABBRO DORSALE DEL BLASTOPORO. Le cellule a bottiglia forzano i macromeri vegetativi a introflettersi (involuzione); parallelamente i micromeri del polo animale involvono e si spostano lungo la superficie interna dell’emisfero animale inserendosi tra le cellule superficiali e i macromeri, in direzione della futura estremità anteriore dell’embrione. La fessura blastoporale si estende lateralmente e ventralmente fino a che il blastoporo assume una forma circolare. Alla fine della gastrulazione: -uno strato di micromeri formerà il mesoderma; -la massa di macromeri formerà l’endoderma che riveste l’archenteron che sostituisce il blastocele; -uno strato di cellule superficiali formerà l’ectoderma che ricopre l’embrione (intercalazione e epibolia). Formazione delle cellule a bottiglia La contrazione di anelli di actina apicale determina l’allungamento dei microtubuli. Nel corso dello sviluppo degli anfibi, i segnali che inducono la formazione del mesoderma generico nella regione equatoriale, sono generati durante la segmentazione dalla regione del polo vegetativo della blastula: si verifica un evento di induzione primaria, l’induzione del mesoderma. ✓ La ricombinazione della calotta animale e vegetativa dà luogo a strutture mesodermiche. I blastomeri vegetativi della blastula inducono, attraverso fattori diffusibili, le cellule della regione equatoriale a differenziarsi in mesoderma generico. labbro dorsale del blastoporo (Barsacchi e Vignali, 2007) Nella blastula media, il centro di Nieuwkoop, situato nel quadrante dorso-vegetativo, induce la formazione, nella zona equatoriale dorsale, del labbro dorsale del blastoporo da cui derivano il mesoderma cefalico, il mesoderma dorsale assile (cordomesoderma) e l’endoderma faringeo. Con la gastrulazione, il labbro dorsale del blastoporo (organizzatore primario), oltre che promuovere i movimenti gastrulari, induce la formazione del mesoderma dorsale parassiale e intermedio, di parte dell’archenteron e del tessuto neurale. GASTRULAZIONE POLLO - uovo macrolecitico Nell’area pellucida, le cellule dell’epiblasto anteriori alla falce di Koller proliferano e convergono verso la linea mediana, formando un ispessimento, denominato linea primitiva, che si allunga in senso postero-anteriore e che forma un solco analogo alle labbra laterali e ventrali del blastoporo degli anfibi. La falce di Koller contiene cellule che fungono da equivalente del centro di Nieuwkoop degli anfibi. (Menegola et al., 2019; EdiSES) All’estremità anteriore della linea primitiva si sviluppa il nodo di Hansen al centro del quale si crea una fossetta; il nodo di Hansen è l’equivalente funzionale del labbro dorsale del blastoporo degli anfibi. (Menegola et al., 2019; EdiSES) Le cellule dell’epiblasto che immigrano attraverso il nodo di Hansen si portano in direzione anteriore e formano l’endoderma faringeo e il mesoderma cefalico. Esse spingono verso l'alto la regione anteriore dell'epiblasto e formano il processo cefalico il capo dell'embrione degli uccelli si forma anteriormente al nodo di Hensen. Le altre cellule che migrano successivamente attraverso il nodo di Hensen diventano cellule del cordomesoderma (notocorda). (Menegola et al., 2019; EdiSES) Le cellule dell’epiblasto che passano attraverso le parti posteriori della linea primitiva danno origine alla maggior parte dell’endoderma (sostituisce l’ipoblasto) e del mesoderma. Le cellule epiblastiche che restano in superficie formano l’ectoderma. NB: Tutti i tre foglietti germinativi derivano dall’epiblasto La linea primitiva viene così a definire gli assi embrionali: divide l’embrione in una parte ds e una parte sx, si estende dalla parte posteriore (falce di Koller) a quella anteriore (nodo di Hansen) e le cellule in proliferazione migrano dalla parte dorsale a quella ventrale. Mentre negli anfibi le cellule migrano nel blastocele in forma di lamine cellulari, le cellule che si portano all'interno dell'embrione negli uccelli entrano come elementi individuali (immigrazione), dopo avere subìto una trasformazione epitelio-mesenchimale. Mentre la gastrulazione procede, la linea primitiva comincia a regredire e il nodo di Hensen si sposta verso l’estremità posteriore dell’embrione (futura regione anale). I processi di sviluppo mostrano un chiaro gradiente: nella parte anteriore è già attiva l’organogenesi e in particolare la formazione del tubo neurale e dei somiti mentre nella parte posteriore si sta ancora attuando la gastrulazione. Dalle fasi inoltrate della gastrulazione, si verifica la formazione degli annessi embrionali. Sono strutture che non fanno parte del corpo dell’embrione e che sono organizzate dalla parte extraembrionale dei foglietti embrionali; svolgono funzioni di nutrimento, respirazione e protezione dell’embrione e vengono eliminati al momento della nascita (schiusa o parto). Ontogeneticamente e filogeneticamente la comparsa degli annessi embrionali segue questa sequenza: Sacco del tuorlo o vitellino: in tutti i vertebrati ad eccezione degli anfibi; nei pesci si forma da ecto-, meso- ed endoderma; negli amnioti si forma da endo- e mesoderma. Funzione trofica: le sue cellule endodermiche digeriscono il tuorlo e il nutrimento viene trasportato all’embrione da vasi sanguigni derivati dalla componente mesodermica extraembrionale; sede di formazione delle prime cellule del sangue; sede di formazione delle cellule germinali (mammiferi). Amnios Corion Allantoide ecto-meso, non vascolarizzato, funzione protettiva (dall’essiccamento) amnioti ecto-meso, vascolarizzato dai vasi allantoidei, respirazione, formazione della placenta endo-meso, vascolarizzato, respirazione, deposito prodotti di escrezione azotata GASTRULAZIONE MAMMIFERI PLACENTATI - uovo alecitico Dopo l’impianto della blastocisti nell’utero….. Cavità della blastocisti (Campbell e Reece, 2004, Zanichelli) …due annessi embrionali si formano prima dei foglietti embrionali: l’amnios, che individua la cavità amniotica, si forma per cavitazione dell’epiblasto; il sacco vitellino si forma dall’endoderma extraembrionale, a sua volta derivato dall’ipoblasto. Il sacco vitellino rappresenta la sede temporanea delle cellule germinali primordiali e delle prime cellule sangue. A partire dalle pareti del sacco vitellino, si forma il mesoderma extraembrionale, che riempie tutta la cavità della blastocisti, dal quale si formano i vasi del cordone ombelicale. A questo punto la blastocisti entra completamente nello stroma dell’endometrio. rivestita da ectoderma extraembrionale amniotico (Campbell e Reece, 2004, Zanichelli) Il disco germinativo bilaminare sospeso tra amnios e sacco vitellino va incontro a gastrulazione che avviene mediante immigrazione di cellule dell’epiblasto attraverso il solco della linea primitiva. Il mesoderma extraembrionale si ritira a formare una splancnopleura extraembrionale posta intorno al sacco vitellino e una somatopleura extraembrionale posta intorno al trofoblasto ed all'amnios. Si forma così una nuova cavità, il celoma extraembrionale. (Giudice et al., 2010, Piccin) Dal trofoblasto e dalla somatopleura extraembrionale si forma il corion. Dalla superficie del corion si estendono i villi coriali, precursori dei villi più grandi che formeranno in seguito la placenta. L’allantoide si abbozza come una evaginazione della zona dorso-caudale del sacco vitellino. (trofoblasto + somatopleura extraembrionale) (Campbell e Reece, 2004, Zanichelli) Placenta: corion-vitellina, poco efficiente nei mammiferi marsupiali, corion-allantoidea, più efficiente nei mammiferi placentati. La formazione della placenta permette gli scambi di sostanze fra l’embrione e la madre. La placenta è una struttura mista fatta da componenti embrionali/fetali, quali il corion da cui si formano numerosi villi che possiedono vasi sanguigni (vasi ombelicali), e da componenti materne, quali l’endometrio. (Campbell e Reece, 2004 Zanichelli) Dopo la gastrulazione cominciano a manifestarsi eventi di differenziamento, processo attraverso il quale le cellule acquisiscono specifiche caratteristiche e proprietà funzionali, e quindi la capacità di svolgere un preciso compito nel contesto dell’organismo, subendo una restrizione delle loro potenzialità. Completando i loro processi differenziativi, i diversi tipi cellulari si organizzano in tessuti ed organi (ORGANOGENESI). Il primo evento organogenetico che si realizza nei vertebrati è la formazione della notocorda, benché il primo visibile all’osservatore sia la neurulazione. DIFFERENZIAMENTO DEI FOGLIETTI EMBRIONALI Le cellule dei 3 foglietti germinativi subiscono una transizione epitelio-mesenchimale e migrano per raggiungere le loro localizzazioni finali. Embrione di anfibio Foglietti germinativi a fine gastrulazione Successivo differenziamento dei foglietti germinativi (Menegola et al., 2019; EdiSES) MESODERMA E’ il foglietto germinativo intermedio e si differenzia in: mesoderma cefalico che forma gran parte dei connettivi e dei muscoli della faccia mesoderma dorsale assile (cordomesoderma) che forma la notocorda mesoderma dorsale parassiale metamerico che dà origine ai somitomeri e ai somiti mesoderma intermedio metamerico solo anteriormente che forma il sistema urogenitale mesoderma delle lamine laterali che forma cuore, vasi sanguigni e linfatici, sangue, muscolatura liscia e connettivo viscerale (splancnopleura); derma laterale e ventrale del tronco e degli arti (somatopleura); rivestimento delle cavità interne del corpo (splancnopleura e somatopleura) del tronco Cordomesoderma Mesoderma dorsale parassiale Mesoderma Intermedio Mesoderma ventrale o laterale Embrione di anfibio (Liem et al., 2012, EdiSES) Il cordomesoderma e il mesoderma dorsale parassiale si allungano per estensione convergente lungo l’asse antero-posteriore. Il mesoderma dorsale parassiale si segmenta a partire dall’estremità cefalica e forma blocchi metamerici più o meno distinti definiti somitomeri e somiti. (Giudice et al., 2010, Piccin) Embrione di anfibio Embrione di pollo Embrione di mammifero I somiti contribuiscono alla definizione di strutture ripetute come le vertebre e le costole (sclerotomo), di muscoli del tronco e della coda (muscolatura somatica) (miotomo), del derma dorsale del tronco (dermatomo). Sclerotomo Cordomesoderma Miotomo Dermatomo Cresta genitale Cresta nefrica Porzione splancnica del mesoderma laterale Porzione somatica del mesoderma laterale (Liem et al., 2012, EdiSES) Embrione di anfibio ECTODERMA E’ il foglietto germinativo più esterno e si differenzia in: neuroectoderma da cui derivano il tubo neurale e la cresta neurale (NEURULAZIONE) ectoderma di rivestimento da cui derivano epidermide e derivati epidermici, placodi, stomodeo (apertura buccale) e proctodeo (apertura cloacale) NEURULAZIONE Quando la gastrulazione sta per completarsi e si formano i somiti, il cordomesoderma induce le cellule ectodermiche che lo sovrastano (neuroectoderma) a ispessirsi per formare la piastra o placca neurale (inizio della neurulazione) che si estende longitudinalmente per estensione convergente (induzione del tubo neurale). Cordomesoderma (Liem et al., 2012, EdiSES) Ad eccezione che nelle lamprede e nei neopterigi, i margini della placca neurale si alzano in due pieghe neurali e le cellule poste medialmente si ripiegano subendo una contrazione apicale che determina la formazione della doccia neurale. I lembi laterali della doccia neurale convergono per contrazione apicale delle cellule latero-dorsali e si saldano lungo la linea mediana con la formazione del tubo neurale cavo. L’ectoderma si fonde dorsalmente al tubo neurale e forma l’epidermide dorsale dell’embrione. Cordomesoderma (Liem et al., 2012, EdiSES) La formazione del tubo neurale dipende dal cambiamento di forma delle cellule della placca neurale che diventano cilindriche a causa della riorganizzazione di molecole del citoscheletro: microtubuli e filamenti di actina. Allungamento delle cellule Placca neurale Deformazione delle cellule Doccia neurale Parallelamente alla saldatura del tubo neurale, dalla sommità delle pieghe neurali si distaccano, per tutta la lunghezza del tubo neurale, le cellule della cresta neurale (4° foglietto embrionale) che migrano verso varie destinazioni, colonizzando varie zone del corpo e dando tipologie cellulari di diversa natura (cellule pluripotenti). Cordomesoderma (Liem et al., 2012, EdiSES) Questo si verifica dopo la trasformazione delle cellule della cresta neurale in mesenchima (transizione epitelio-mesenchimale), durante la quale si ha una diminuzione della N-caderina; la migrazione avviene attraverso una ECM lassa dove è presente la fibronectina (FN), che fa da “sentiero” attraverso cui le cellule si muovono. Quando la concentrazione di FN diminuisce, le cellule si fermano e si aggregano in tessuti. delle pieghe neurali (N-caderina) (Liem et al., 2012, EdiSES) Alla chiusura del tubo neurale e per induzione di questo, compaiono sull’ectoderma di rivestimento, in aree ben localizzate della testa, coppie di ispessimenti detti placodi neurali.         profondo e trigemino     profondo e trigemino   (Liem et al., 2012, EdiSES) In fase di neurulazione, i tre tessuti neurogeni dei vertebrati (tubo neurale, cresta neurale e placodi neurali) sono così disposti Ectoderma di rivestimento (Liem et al., 2012, EdiSES) ORGANIZZAZIONE SISTEMA NERVOSO DEI VERTEBRATI ❑ SISTEMA NERVOSO CENTRALE (SNC): encefalo e midollo spinale. ❑ SISTEMA NERVOSO PERIFERICO (SNP): 1)nervi cranici e spinali che collegano il SNC alle altre parti dell’organismo; 2)gangli presenti lungo il percorso dei nervi; 3)recettori sensitivi. I principali componenti cellulari sono: ▪ NEURONI che trasmettono segnali ad altri neuroni, muscoli, ghiandole, cellule recettrici. Possono originare dal tubo neurale (SNC), dalla cresta neurale (SNP), dai placodi neurali (recettori sensitivi). ▪ CELLULE GLIALI, non nervose, che sono il supporto strutturale e funzionale dei neuroni. Possono originare dal tubo neurale (SNC) e dalla cresta neurale (SNP). Dal TUBO NEURALE deriva il sistema nervoso centrale (SNC): la porzione anteriore più ampia della placca neurale darà origine all’encefalo mentre dalla porzione più stretta si formerà il midollo spinale.. encefalo midollo spinale Nella sua parte anteriore il tubo neurale si rigonfia dando origine prima a 3 vescicole primarie e poi a 5 vescicole secondarie. La CRESTA NEURALE CEFALICA forma ectomesenchima che migra ventralmente intorno all’occhio e nella regione della faringe (testa). La cresta neurale cefalica origina: parte dei neuroni sensitivi dei gangli cranici (V, VII, IX, X) meningi cartilagine e osso del cranio (parte del neurocranio e del dermatocranio, splancnocranio) odontoblasti degli abbozzi dei denti connettivi e muscoli di elementi oculari e perioculari connettivo e muscolatura delle grandi arterie (Liem et al., 2012, EdiSES) Le cellule della CRESTA NEURALE DEL TRONCO migrano tra i somiti e originano: cellule pigmentate del tegumento (cromatofori) midollare del surrene neuroni dei gangli del sistema simpatico e parasimpatico neuroni sensitivi dei gangli spinali cellule di Schwann e cellule satelliti Dal differenziamento dei PLACODI derivano i maggiori sistemi sensoriali, alcuni nervi cranici e gangli a loro associati. epitelio olfattorio e I nervo cranico (OLFATTO) parte dei neuroni sensitivi del ganglio associato al V nervo cranico (ramo oftalmico e maxillo-mandibolare) cristallino dell’occhio (VISTA) profondo e parte dei neuroni sensitivi dei gangli associati ai nervi cranici VII, IX e X (GUSTO) neuroni dell’organo della linea laterale dei pesci epitelio sensoriale dell’orecchio interno e VIII nervo cranico (UDITO) (Giavini e Menegola, 2010, EdiSES) ENDODERMA E’ il foglietto germinativo più interno e si differenzia in: rivestimento epiteliale del tubo digerente (faringe, esofago, stomaco, intestino) e ghiandole annesse (fegato, pancreas) branchie, vescica natatoria, rivestimento epiteliale della laringe, trachea, bronchi, polmoni rivestimento epiteliale della vescica urinaria, uretra, cavità timpanica, tuba di Eustachio timo, tonsille, tiroide e paratiroidi Nello schema corporeo dei vertebrati è fondamentale l’ORGANIZZAZIONE SEGMENTALE (metameria). Essa è evidente soprattutto nel tronco e nella coda, dove fin dalle prime fasi dello sviluppo, il mesoderma parassiale si suddivide in somiti, precursori metamerici di vertebre, costole e muscoli. Tuttavia, durante lo sviluppo embrionale precoce, anche la testa, apparentemente priva di segmentazione, evidenzia una metameria che interessa strutture derivanti da tutti e tre i foglietti embrionali. I branchiomeri sono un chiaro esempio di tale organizzazione. I BRANCHIOMERI sono strutture seriali della parete della faringe, separate dalle tasche o dalle fessure faringee, in cui si formeranno molte strutture del cranio. (embrione di axolotl) (Liem et al., 2012, EdiSES) Da embrioni tutti i vertebrati hanno tasche faringee che si sviluppano come evaginazioni laterali dell’endoderma faringeo che dirige la loro formazione (segmentazione della faringe). Contemporaneamente fossette ectodermiche si approfondano dalla superficie verso ciascuna tasca. Tasche e fossette sono separate da sottili lamine o membrane branchiali che nei pesci e negli anfibi larvali si perforano dando origine alle fessure faringee. (Kent, 1997) Le fessure o le tasche faringee sono separate da BRANCHIOMERI; è dentro queste strutture che i nervi, i muscoli e i componenti dello scheletro si sviluppano: ciascun branchiomero contiene un asse scheletrico di sostegno cartilagineo o osseo (splancnocranio), un arco aortico, rami del nervo cranico ad esso associato e muscoli branchiomerici. (embrione di razza) (Liem et al., 2012, EdiSES) Nomenclatura dei branchiomeri negli elasmobranchi (Liem et al., 2012, EdiSES)