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APPROFONDIMENTIDI
EMBRIOLOGIAMOLECOLARE
All’inizioiprocessidellosviluppo(divisionicellulari,riprogrammazionegenetica,approvvigionamento
energetico)sonopossibiligrazieaproteineedRNAaccumulatinell’oocito
Allostadiodi4-8cellule(nell’uomo) iprocessidisviluppopassanosottoilcontrollodelgenomaproprio
dell’embrione
Sitrattadiprocessimolecolariintrinseciallecelluleembrionaliattivatidurantelafecondazioneodovuti
adinterazionitralecellule
Leprimecellule(blastomeri dellamorula)sonocaratterizzatedaunampionumerodigeniaccessibili
allatrascrizioneà TOTIPOTENZA
Quandol’embrionegiungeacontattoconl’endometrioleesigenzenutrizionaliinnescanomeccanismidi
differenziazionedicellulespecializzateperl’adesione,invasioneetrasporto(trofoblasto)
LecelluledellaICMinizianoadareorigineaiprimifogliettiembrionali(ipoblastoedepiblasto)
Dall’epiblastosiverificapoilaformazionedeitrefogliettiembrionali,ectoderma,mesoderma
endoderma graziealprocessodigastrulazione
LalineaprimitivaeilnododiHensen organizzanoilprocessodigastrulazioneelaformazionedell’asse
antero-posterioredell’embrioneedellasimmetriadx-sx delcorpo
Questiprocessisonoindottiinizialmentedasegnalicheprovengonodall’esternodell’embrione
Rapidamenteitessutiembrionaliinformazionediventanoalorovoltafontedisegnalichedeterminano
influenzereciprochetralecellule
Talisegnaliattivanooinibisconol’espressionedigenichedirigono:
• Istogenesi(formazionedeitessuti)eOrganogenesi(formazionedegliorgani)
IGENICOINVOLTINELLOSVILUPPO
EMBRIONALE
Ø Lamaggiorpartedeglistudisonoaffrontatisumodellianimali
(moscerino=Drosofila,verme=C.Elegans,rospo=Xenopus,pollo,topo)
Ø Ilnumerocomplessivodigenichecodificanoproteinesegnalenondifferisce
moltonellediversespecie
Ø Lacomplessitàdellestrutturediorganismidiversiderivadaschemidiversidi
organizzazionedeimeccanismidiregolazione
Ø Ilgenomaumanoesercitailcontrollodeiprocessivitalimedianteunnumero
complessivodicirca28.000-40.000geni
Ø Sistimacheinunacellulasianoattiviinognimomento2000-5000geni
Ø Nellosviluppoembrionaleavvienecheungeneogruppidigenivieneattivatoo
repressoinunacellulaoinungruppodicelluleinundatomomentoinunazona
dell’embrione
Ø Questaattivazioneorepressionemodificailfenotipoelafunzionedellecellule
Ø Igenichecontrollanolosviluppoembrionalesonocirca2000-4000(10-20%del
totaledeigeni)
CLASSIDEIGENIDELLOSVILUPPOEMBRIONALE
1.
Genideglieffettimaterni(bicoid,nanos,caudal ecc):genichefavoriscono
l’immissionenellacellulauovodiproteinecongradientidiconcentrazione
(bicoid >>estremitàanteriorepartecipaadeterminarestrutturedellatesta;
nanos ecaudal >>estremitàcaudale)
2.
Genigap(Kruppel,Knirps,hunchback ecc)leloromutazioniprovocanoperdita
disegmenticorporei(gap)equindisononecessaripercostruireundeterminato
segmento
3.
Genipair-rule (hairy,even-skipped,fushi tarazu ecc)agisconosucoppiedi
segmenti
4.
Genisegment polarity (engrailed,wingless,hedgehog ecc)agisconoall’interno
diunsegmento
5.
Geniomeotici(antennapedia,ultrabithorax,abdominal Aecc)determinano
l’identitàdiunsegmentoossial’appartenenzaallatesta,toraceaddomeecc
6.
Geniorgano-iniziatori(eyless,distalless,tinman ecc)hannolafunzionedidare
inizioallaformazionediorgani(occhi,arti,cuore)
IGENIDELLOSVILUPPOEMBRIONALE:
GENIOMEOTICIEIGENIHOX
q Iprimigenicoinvoltinellosviluppoembrionalechefuronoscopertisonoigeni
omeotici
q Igeniomeoticiregolanolosviluppoanatomicoinvariorganismi
(insetti=drosofila----mammiferi)mediantel’espressioneprogrammatadivari
fattoriditrascrizione
q Mutazioniditaligenicomportanoposizionianomalediorganiepartianatomiche
q Regolanolaposizionespazialedegliorgani
q Contengonounasequenzadi180nucleotididettahomeobox checodificaper
unacatenadi60aminoacididettaomeodominio
q Formanosuicromosomidegliinsiemidetticomplessiomeoticio complessi
HOM
q Sièscopertochegenichecontengonol’homeobox sonopresentiintuttigli
animali
q Igeniomeoticichecontengonol’homeobox sonostatidenominatigeni Hox,
q Sonoresponsabilidellaorganizzazionespazialedegliorganilungol’asseanteroposteriore (segmentazionecorporea=segmentiripetitivilungol’assedelcorpo)
q Determinanol’identitàdellaorganizzazionediognisegmentoovveroindicano
qualistrutturesidevonoformareinciascunsegmento
Negliinsetti
• siformaununicocomplesso
HOM chesitrovasuunsolo
cromosoma
Neivertebrati
• ilcomplessoHOM èstato
duplicato4volte durante
l’evoluzioneesitrovasu4
cromosomidiversi
• NeltopoIcomplessisono
chiamatiHoxa,Hoxb,Hoxc, Hoxd
e sitrovanosuicromosomi
6,11,15e2
• Nell’uomosonochiamatiHOXA
HOXBHOXCHOXDesono
localizzatisuicromosomi71712
e2
IGENICOINVOLTINELLOSVILUPPOEMBRIONALE
• Lamaggiorpartedeigeni coinvoltinellosviluppoembrionale
codificaper:
vFattoriditrascrizione
vFattoridicrescita
vRecettoriperifattoridicrescita
vProteineadesive
Igeni checontrollanolosviluppoembrionalesonoespressi
anchenell’adulto
nell’adultocontrollano processidirigenerazione,riparazione
tessutaleincondizioninormaliepatologiche
FATTORIDITRASCRIZIONE(TF)
ü Sonoproteine chesileganoasequenze
specifichediDNA
ü modulano l’attivitàdellaRNAPolimerasi II
(ENZIMADELLATRASCRIZIONE)
ü Controllano l’espressione diunoopiùgeni
ü Il10%delgenomaumanocodificaperTF
ü Ingenereilcontrollo dell’espressione
avvieneall’iniziodellatrascrizione
ü Amontedellasedediiniziodella
trascrizionesitrovanoipromotoridel
gene=BoxTATAchecontengonosequenze
regolatrici:Enhancers
FATTORIDITRASCRIZIONE(TF)
üEsistonoduecategoriedi
fattoriditrascrizione:
• Generali=intervengononella
trascrizionedituttiipromotori
• leganoRNAPolimerasi IIdituttii
promotori
• formanoilCOMPLESSOdi
INIZIAZIONE -->TRASCRIZIONE
Geni-specifici=leganosequenzediDNAche
controllanogenispecifici
•
•
maggiormenteimplicatinello
sviluppoembrionale)
REGOLAZIONEDELL’ESPRESSIONEDEIGENI
Laregolazionedell’espressione(comepertuttiigeni)puòavvenirealivello:
• trascrizionale, primaedurantelatrascrizione
• Post-trascrizionale
• SugliRNAtrascritti
• SullatraduzionedegliRNAinproteine
REGOLAZIONEDELL’ESPRESSIONEDEIGENIDELLO
SVILUPPOEMBRIONALE
• Igenidellosviluppoembrionalehannoalcunepeculiarità
cheaumentanolapossibilitàdiregolazione
dell’espressione:
• >>>numerodienhancer (intensificatori)
• LungheregionidiDNAintergenico
• Lungheregioniintroniche
• Localizzati inregioniaconformazioneaperta=facile
accessoRNAPolimerasi II(ENZIMAdella
TRASCRIZIONE)alPROMOTORE=avviotrascrizione
FATTORIDICRESCITA(GF)
Ø Unfattoredicrescitaèunamolecolaingradodiregolareattivitàcellulari
come:
v Proliferazione
v Migrazione
v Sopravvivenza/morte
v Attivazione/Repressionegeni=Differenziamento
v Lostessofattorepuòaverepiùazioninellastessacellula
v Lostessofattorepuòavereazioniopposteincellulediverse
Ø InbaseastrutturamolecolareefunzioneiGFvengonosuddivisiin10
famiglieosuperfamiglie
Ø Sonoindicaticonacronimiosiglechedisolitosiriferisceaprimaloro
funzionescoperta
Ø NellosviluppoembrionalesonocoinvoltiGFformatidapolipeptidiabasso
pesomolecolare(pochedecine----100-150AA)
RECETTORIPERIFATTORIDICRESCITANELLO
SVILUPPOEMBRIONALE
v PerogniGF(ligando) esisteunrecettorespecifico
v Polipeptide/proteineingradodilegareilGF(ligando)inmodospecifico
v Ilrecettoreèespressosullamembranadellecellule cherispondonoalGF
v UnacellulapuòavererecettoriperpiùGF
v irecettoriregolanol’attivitàdiproteineintracellularidandoluogoa
trasduzionedelsegnaleintracellulare
v Ilsegnaleintracellulareraggiungevaribersagli,spessoTF
v Esistonofattoridicrescita nonproteicicheagisconosuprocessidello
sviluppoembrionale=ormonisteroideieacidoretinoico(RA)
PROTEINEADESIVENELLOSVILUPPOEMBRIONALE
o Proteineintrinsechedellamembranachegeneranoforzediattrazionemolecolarepiùo
menostabili(legaminoncovalenti):
q Adesioneomofilica:contattotraproteineidentichetraloro
q Adesioneeterofilica:contattotraproteineditipodiverso
o Possonomediarel’adesionetra:
q Cellula-cellula
q Cellula-matrice
DIFFERENZIAMENTOINIZIALEDELLECELLULE
EMBRIONALI
• Ilmicroambientedelletubeinfluenzal’espressionedialcunigeninelleprimecellule
embrionalioblastomeri
• OCT4(Octamer-binding Transcription Factor 4):
• NANOG
• SOX2 (Sry related HGM-box 2)
• Questigenicodificanoperenzimicapacidimantenerelecellulenellostato
indifferenziato(cellulestaminaliembrionalidotateditotipotenza differenziativa)
• Eprobabilecheoltreall’ambienteesterno,taligenisianoinfluenzatiedespressigrazie
aproteinedisegnaleendogene
• WNT (Wingless andIntegrated)
• Attivina eNodal appartenentiallafamiglia
diTGFbeta (Transforming Growth Factor
beta)
COMPATTAZIONE
• inseguitoall’espressionediquestemolecoleiblastomeri
assumonolaformapoliedricaeadattanoleproprie
superficileuneconlealtre
• talemodificazionevienedefinitacompattazione
• Ilcambiamentodiformadellecelluleèdovutoa
ridistribuzionedellemolecolediadesione(E-Caderine)
• LeE-caderine medianointerazioniomofiliche tracellulae
cellulaconlacostituzionedigiunzionitralesuperfici
cellulari
• leE-caderine sileganoalcitoscheletrointernodiactina
deiblastomerimediantecatenine
• nellecellulepiùperiferichedellamorulaleE-caderine
sonoespresseprimasututtelesuperficieinseguitosolo
sullesuperficibaso-laterali
• ciòdeterminariorganizzazionedell’architetturacellularee
cambiamentodellaformacellulare(dasferica apoliedrica)
MORULA
• inquestafaseèpossibiledistinguereunostratodicellule
periferichecheappaionopiùchiareeungruppodicellulepiù
scureall’interno
• questoèancorapiùevidenteinsezionidellamorulacoloratecon
metodiistochimici
• lecelluleperiferichesonounitedagiunzionistrette(occludens
FORMATEDAOCCLUDINEECLAUDINE)
• lecellulepiùscureinternecostituisconolamassacellulare
interna(ICM)
• lecelluleinternepiùscurestabilisconocontattitraleloro
superficilateralimediantespecializzazionideltiponexus
• lapresenzadellegiunzioninexus determinaunaintegrazione
funzionaletralecelluledellamassacellulareinterna
ULTERIOREDIFFERENZIAZIONEDELLECELLULEDELLA
MORULA
• Lecelluleperiferichesidifferenziano ulteriormenteediventano
lecelluledeltrofoblasto
• Ciòavvienemediantel’espressionedialtremolecoledi
adesioneintercellularecome:
•
I-CAM(InterCellular Adhesion Molecule)
• Selettine
• Integrine
• Inoltrelecelluledestinateadiveniretrofoblastoincrementano
nellorocitoplasmailfattoreditrascrizioneCDX2(Caudal type
homeobox trancription factor 2)
• QuestemodificazionisarebberosostenutedaBMP4 (Bone
Morphogenetic Protein 4)cheinibiscel’espressionedeigeni
dellastaminalità (OCT4,NANOG eSOX2)nellecellule
perifericheefaesprimereloroCDX2
MODIFICAZIONIDELLAMORULA
• all’internodellatubauterinasihannoulteriori
trasformazionicheportanoallacostituzionedella
blastocisti
• tralecelluledellamorulacomincianoacomparire
piccolecavitàripienediliquidorichiamatodall’esterno
• Illiquidoètrasportatodallecelluleperiferichepiù
chiarechedispongonodipompeNa/KATP
dipendenti,eaquaporine (canaliperilpassaggio
dell’H2O)
• lecelluledellamassacellulareinternasidistaccano
dallecelluleperiferiche
SicostituiscelaBLASTOCISTI
INTERAZIONITROFOBLASTOENDOMETRIO
• lecelluledeltrofoblastoesprimonoL-selectine cheinteragisconocon
oligosaccaridi espressidallecelluledell’endometriouterino
• lecelluledeltrofoblastochericopronoilpoloembrionalecomincianoa
inserirsitralecelluleepitelialidell’endometrio
• aciòseguel’interazionetramolecoleespressesullasuperficiedellecellule
trofoblastiche (integrine:aVb3)emolecoleespressenellamatrice
connettivaledell’endometrio(laminina,fibronectina)
• illegameintegrina-laminina favoriscel’attacco
• illegameintegrina-fibronectina stimolalamigrazionecellulare
• l’interazioneintegrina – molecoledellamatriceavvialatrasduzionedel
segnaleperlaproliferazioneedifferenziazionedellecelluletrofoblastiche
FATTORIMOLECOLARIDELLA
DIFFERENZIAZIONEDIIPOBLASTOED
EPIBLASTO(OSSERVAZIONISPERIMENTALISU
ANIMALI)
Øcausalmente alcune cellule della ICM esprimono FGF4
(Fibroblast Growth Factor4)
Øciò avviene sotto l’azione di OCT4 e SOX2
Øtali cellule continuano ad esprimere NANOG e diventano
cellule dell’epiblasto
Øaltre cellule della ICM esprimono invece FGF2
ØFGF2 induce queste cellule a produrre GATA4
(GlobinTranscription factor 4), GATA6 e SOX17 (Sry-box 17)
Øtali cellule diventano le cellule dell’ipoblasto
