26) Da fare SVILUPPO_ifferenziam.pptx

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SVILUPPO E DIFFERENZIAMENTO
La vita di un organismo inizia con la Fecondazione:
l unione del gamete maschile con quello femminile
porta alla formazione dello Zigote.
SVILUPPO E
DIFFERENZIAMENTO
FA R M A C I A
L'uovo fecondato, durante il suo sviluppo, si
trasforma in un organismo completo molto
simile ai suoi genitori.
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The Association of Reproductive Health Professionals
SVILUPPO PRENATALE
EMBRIONALE
Fecondazione- 8 settim.
AT WHAT POINT IS THIS A FETUS?
FETALE
9 settim. - nascita
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•  Days7-14:Uterineimplanta4on
•  Day14:Threedis4nctlayersbegintoform
(nomorepluripotentstemcells)
•  Days14-21:Beginningoffuturenervoussystem
•  Days21-24:Beginningoffutureface,neck,
mouth,andnose
•  Weeks3-8:Beginningoforganforma4on
•  Week5-8+:Nowit’scalledafetus
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Fasi dello sviluppo
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SYMMETRICCELLDIVISION
Lo sviluppo nel riccio di mare inizia con la divisione detta
SEGMENTAZIONE (una volta all'ora per circa 10 ore). La
segmentazione prevede varie divisioni cellulari senza
aumento del volume.
L'embrione in questa fase (stadio a 32 cellule) é detto
MORULA.
Al suo interno viene pompato Na+ e richiamata acqua per
osmosi venendosi così a formare una cavità piena di liquido al
centro dell'embrione detta blastocele.
Con il blastocele
completamente formato
l'embrione é detto blastula
(e le sue cellule blastomeri).
La blastula é ancora delle
stesse dimensioni dell'uovo
di riccio di mare.
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1
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La formazione della
blastula è seguita dal
p r o c e s s o d i
gastrulazione. Essa
i n i z i a c o n l a
formazione del
blastoporo il cui strato
di cellule dirigendosi
verso l'interno forma
una nuova cavità
l'archenteron che darà
origine al canale
digerente, mentre il
blastoporo diventerà
l'ano.
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Lo SVILUPPO passa attraverso 3 FASI principali:
ASYMMETRICCELLDIVISION
la CRESCITA (divisioni cellulari),
DIFFERENZIAMENTO e la MORFOGENESI.
il
1.  Self-renews
2.  Differen4ates
Progenitor cell
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Stem cell
Stem cell
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Day 1
Fertilized egg
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Day 2
2-cell embryo
Day 11-14
Tissue Differentiation
Day 3-4
Multi-cell embryo
Day 5-6
Blastocyst
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Impianto
SEGMENTAZIONE
Early division of zygote into multiple cells without increase in size,
partitions contents
Morula
embedding of blastocyst into
uterine lining begins at day 7
solid ball of cells
Blastocyst - with blastocoele cavity
Trophoblast - outer layer of cells
Inner cell mass - will form embryo
Trophoblast forms syncytial trophoblasterodes into endometrium
Cellular trophoblast - carries nutrients to
inner cell mass
Zygote
Lacunae and primary villi formed
by trophoblast
All of these form placental tissues
Blastocyst
with blastocoele cavity
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Placentazione
Placenta
Development of placenta from edges of blastocyst
Placenta = organ that forms from the chorion and the
endometrium and allow the embryo/fetus to exchange
nutrients and waste.
Chorionic villi provide surface area for exchange
Nutrient and gas exchange happens without actual
blood exchange
Umbilical cord - contains two umbilical arteries and one
umbilical vein
Oxygen & nutrients diffuse from the
mother s blood vessels into the
baby s blood vessels
Wastes diffuse from the baby s
blood vessels into the mother s
blood vessels
SACCO
AMNIOTICO
Placenta
two arteries and a
vein Connects the
fetus to the placenta
Contains fluid
(amniotic fluid) that
protects fetus by
giving it a stable
environment and
absorbing shock
GASTRULAZIONE
I movimenti dello strato di cellule
durante la gastrulazione porta alla
formazione di tre strati di tessuto
embrionale, TRE FOGLIETTI EMBRIONALI:
- ECTODERMA
- MESODERMA
- ENDODERMA
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DIFFERENZIAMENTO CELLULARE
Lo zigote è una cellula TOTIPOTENTE: darà origine a
tutte le altre cellule di un organismo pluricellulare.
Durante lo sviluppo vengono generati dall uovo
fecondato diversi tipi di cellule (es. cellule epiteliali,
cellule muscolari etc.).
Il patrimonio genetico delle cellule è lo stesso:
EQUIVALENZA DEL GENOMA o EQUIVALENZA
NUCLEARE. Esistono poche eccezioni a questo principio
come riarrangiamenti genomici (es. anticorpi) e
amplificazioni geniche.
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The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2012
Sir John B. Gurdon, Shinya Yamanaka
TOTIPOTENZA NUCLEARE
The Nobel Prize in
Physiology or Medicine
2012 was awarded jointly
to Sir John B. Gurdon and
Shinya Yamanaka " For
The Discovery That
Mature Cells Can Be
Reprogrammed To
Become Pluripotent"
The Developmental Capacity of Nuclei taken from
Intestinal Epithelium Cells of Feeding Tadpoles
by J. B. GURDON 1
From the Embryology Laboratory, Department of Zoology, Oxford
John B. Gurdon, 1962
WITH ONE PLATE
The developmental capacity of nuclei taken from intestinal epithelium cells of feeding tadpoles. Journal of Embryology and
Experimental Morphology (1962) 10:622-640.
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INTRODUCTION
http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/2012/
A N important problem in embryology is whether the differentiation of cells
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depends upon a stable restriction of the genetic information contained in their
nuclei. The technique of nuclear transplantation has shown to what extent the
nuclei of differentiating cells can promote the formation of different cell types
(e.g. King & Briggs, 1956; Gurdon, 1960c). Yet no experiments have so far
been published on the transplantation of nuclei from fully differentiated normal
cells. This is partly because it is difficult to obtain meaningful results from such
experiments. The small amount of cytoplasm in differentiated cells renders their
nuclei susceptible to damage through exposure to the saline medium, and this
makes it difficult to assess the significance of the abnormalities resulting from
their transplantation. It is, however, very desirable to know the developmental
capacity of such nuclei, since any nuclear changes which are necessarily involved
in cellular differentiation must have already taken place in cells of this kind.
The experiments described below are some attempts to transplant nuclei from
fully differentiated cells. Many of these nuclei gave abnormal results after
transplantation, and several different kinds of experiments have been carried
out to determine the cause and significance of these abnormalities.
The donor cells used for these experiments were intestinal epithelium cells
of feeding tadpoles. This is the final stage of differentiation of many of the
endoderm cells whose nuclei have already been studied by means of nuclear
transplantation experiments in Xenopus. The results to be described here may
therefore be regarded as an extension of those previously obtained from
differentiating endoderm cells (Gurdon, 1960c).
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MATERIAL AND METHODS
CLONAZIONE DEI MAMMIFERI
The animals used for these experiments belong to the subspecies Xenopus
laevis laevis. The transplantation technique has been carried out as described
previously (Elsdale et al., 1960), except that the donor tissue was exposed to
1
IJ. Embryo!, exp. Morph., Vol. 10, Part 4, pp. 622-40 December 1962]
CROMATINA E DIFFERENZIAMENTO
Dolly è stata
sottoposta ad
eutanasia all età
di 6 anni perché
aveva un tumore
al polmone di
origine virale.
Aveva sviluppato
artrite a 5 anni,
probabile
invecchiamento
precoce.
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Author's Address: Department of Zoology, Parks Road, Oxford, U.K.
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METHYLATION REPROGRAMMING
DURING MOUSE DEVELOPMENT.
LA METILAZIONE È REGOLATA DURANTE LO SVILUPPO
per ristabilire
l imprinting nelle nuove
cellule somatiche
necessita l intervento
di
Dnmt3a e Dnmt3b
red, m; blue, p
ovocita
embrioni
Santos F , and Dean W Reproduction 2004;127:643-651
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© 2004 Society for Reproduction and Fertility
Per ogni embrione che si forma,
l'imprinting viene azzerato e
ristabilito, poiché subito dopo la
fecondazione l intero genoma
subisce un onda di demetilazione
(ad opera di enzimi Demetilasi)
L espressione di una piccola
minoranza di geni, nei mammiferi,
è determinata dalla propria origine
parentale
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IMPRINTING
Per molti geni ereditiamo
due copie, uno materno e
uno paterno. Con
l’imprinting solo una copia
funziona (es. Inattivazione
del cromosoma “X”).
Normalmente l’imprinting
avviene attraverso la
metilazione del DNA durante
la formazione dei gameti.
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TESSUTO-SPECIFICO
somatiche
Ø  si trasmette stabilmente
per mitosi
Ø  gameti
•  Metiltrasferasi di
mantenimento
(Dnmt1)
•  Metiltrasferasi de novo
(Dnmt3a e Dnmt3b)
Ø  cellule
SVILUPPO-SPECIFICO
Ø  si
instaura ex novo dopo
meiosi
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L IMPRINTING DURANTE LA GAMETOGENESI
La metiltrasferasi de novo
rinnova l imprinting ad ogni
generazione : quindi, durante
la gametogenesi, l'imprinting
viene cancellato e ripristinato
successivamente in base al
sesso del soggetto
Il gene segue un imprinting
paterno
Femmina
entrambi i geni che trasmette
alla progenie NON saranno
imprinted (entrambe le copie
saranno attive)
Maschio
saranno imprinted entrambe
le copie (entrambe NON
funzionanti)
L IMPRINTING DURANTE LA DIVISIONE CELLULARE
LA METILTRASFERASI DI MANTENIMENTO AGISCE DA STAMPO SUL
FILAMENTO PARENTALE, PER LA METILAZIONE DEL NUOVO
FILAMENTO. TALE SCHEMA VIENE EREDITATO ALLE CELLULE FIGLIE,
ASSICURANDO IN TAL MODO CHE NEI TESSUTI DIFFERENZIATI SIA
MANTENUTO IL PROFILO DI ESPRESSIONE GENICA APPROPRIATO
ANCHE NEL CASO IN CUI LE CELLULE VENGANO SOSTITUITE O NE
SIANO AGGIUNTE DI NUOVE
Attualmente è stato provato che circa 60 geni umani sono soggetti ad
ü 
imprinting.
La mancanza di un imprinting genetico corretto
che coinvolge i geni del cromosoma 15 causa
Nell uomo la maggioranza dei geni
ü 
soggetti a imprinting è autosomica. Molti
dei geni umani soggetti a imprinting si
trovano raggruppati in due localizzazioni
principali nel genoma: una zona di circa
1 Mbp si trova sul
cromosoma 11
SINDROME DI
ANGELMAN
mentre un secondo raggruppamento,
esteso per 2,3 Mbp, si trova sul
cromosoma 15.
ü 
Alcuni di questi geni sono coinvolti nella regolazione della crescita del feto: i geni
paterni partecipano a rimuovere i nutrienti in modo aggressivo dal corpo della madre,
per cui sono espressi nel trofoblasto e nelle membrane extraembrionarie; i geni materni
si oppongono all effetto dei geni paterni, "proteggono la madre" provocando
l
accumulo di nutrienti per le cellule discendenti, e sono espressi soprattutto
nell
embrione.
Cromosoma
materno
SINDROME DI
PRADER-WILLI
Cromosoma
paterno
Due sindromi complesse che influenzano lo stato
ormonale, il metabolismo e la capacità di
movimento.
LA GENETICA DELLE MALATTIE DI
E DI
PRADER-WILLI SYNDROME
Le due malattie sono di
solito causate da una
microdelezione che
colpisce il braccio
lungo del cromosoma
15 ma, mentre nella
PWS il cromosoma
colpito è quello di
origine paterna, nella
AS è quello di origine
materna. Il fatto che le
due malattie siano
clinicamente molto
diverse è imputabile al
fatto che i geni presenti
in quella stes-sa
regione genomica
sono espressi diversamente nei cromosomi ereditati dall uno o dall altro genitore.
Mentre la AS è causata dalla mancata espressione del solo gene UBE3A, la PWS è
causata dalla mancata espressione di più geni.
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Delezioni di certe regioni cromosomiche causano un
fenotipo differente se presenti sul cromosoma paterno o
materno.
ANGELMAN SYNDROME
Sindrome di
Angelman
Cromosoma
materno
Cromosom
a paterno
Sindrome di
Prader-Willi
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Il gene per il fattore di crescita simile all insulina 2 (Igf-2) è
necessario per la crescita prenatale (Hs11p15.5). Topi che
non lo esprimono hanno alla nascita metà delle
dimensioni di un topo normale. Soltanto la copia paterna
di Igf-2 è trascritta ed ha importanza per il fenotipo.
•  Topi con un gene Igf-2 mutato di derivazione paterna
sono nani
•  Topi con un gene Igf-2 difettoso di origine materna sono
normali
The mouse Igf2
gene produces a
growth factor,
and homozygous
mutants are
dwarf mice.
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STEM CELL – DEFINITION
KINDS OF STEM CELLS
• A cell that has the ability to
continuously divide and differentiate
(develop) into various other kind(s) of
cells/tissues
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Stem cell
type
Description
Examples
Cells from early
(1-3 days)
embryos
Totipotent
Each cell can develop
into a new individual
Pluripotent
Some cells of
Cells can form any (over
blastocyst (5 to 14
200) cell types
days)
Multipotent
Cells differentiated, but
can form a number of
other tissues
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Fetal tissue, cord
blood, and adult
stem cells
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EMBRYONIC STEM CELLS IN THE DISH:
WHAT DO CULTURED ES CELLS LOOK LIKE?
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Updated February 2007
Regulations in EU Member States regarding hES1 cell research
AT
Allowing procurement of hES
cells from super-numary
embryos by law
BE
BG
CY
X
CZ
DE
X
DK
Specific legislation for human
embryo research incl.
supernumerary embryos but
without specific reference to
hES cells
Allowing creation of human
embryos for procurement of
hES cells by law
Prohibiting creation of human
embryo for research purpose
and for procurement of hES
cells by law or by ratification
of the Convention of the
Council of Europe on Human
rights and Biomedicine signed
in Oviedo on 4 April 1997
1)
EL
ES
FI
FR
X
X
X
X
X
Prohibiting procurement of hES
cells from human embryos but
allowing importation of hES
cell lines
No specific legislation
regarding hES cell research
EE
X
HU
IE
IT*
X
LU
LV
MT
NL
PL
X
X
PT
RO
X
SE
SI
SK
X
X
X
X
LT
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
UK
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
hES cells = human Embryonic Stem cells *IT has no law regarding the importation & IT scientists are working on imported hES cell lines
COUNTRY CODE KEY:
AT : Austria
BE : Belgium
BG: Bulgaria
CY : Cyprus
CZ : Czech Republic
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DE : Germany
DK : Denmark
EE : Estonia
EL : Greece
ES : Spain
FI : Finland
FR : France
HU : Hungary
IE : Ireland
IT : Italy
LT : Lithuania
LU : Luxembourg
LV : Latvia
MT : Malta
NL : Netherlands
PL : Poland
PT : Portugal
RO: Romania
SE : Sweden
SI : Slovenia
SK : Slovakia
UK : United Kingdom
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/
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(Embryonic stem cells) ES cells have two important properties. The fist one is their nearly infinite proliferation. We can
expand the numbers of ES cells as much as we want. The other important property is pluripotency, the ability to differentiate
into nearly all types of somatic cells that exist in body, such as muscle cells and nerve cells. We found that NAT1 is
indispensable for the pluripotency of mouse ES cells. When we disrupted the NAT1 function, ES cells became unable to
differentiate. Because of this unexpected result, my research interest shifted from cancer to stem cells. Shinya Yamanaka
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Shinya Yamanaka
Department of Stem Cell Biology,
Institute for Frontier Medical
Sciences, Kyoto University, Kyoto
606-8507, Japan
Shinya Yamanaka
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Shinya Yamanaka
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LINEAGES DERIVED FROM HUMAN
IPS CELLS
Takahashi K et al. Cell 2007, 131: 861-872
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TIME COURSE OF HUMAN IPS COLONY
FORMATION
STEM CELL MARKERS
SSEA-4
Timing: Infection to colony formation (p0): 18-25 days p0 to p3:
10-12 days for each passage; 50-60 days total p3 to p4: 7 days
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SSEA-4
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CELLULE STAMINALI
Non tutte le cellule si differenziano. Alcune
rimangono indifferenziate e capaci di generare altri
tipi di cellule: le cellule staminali.
La pelle è costituita da
un insieme di tessuti.
Ognuno ha un proprio
ritmo di rinnovamento.
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Shinya Yamanaka
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MEDICINA RIGENERATIVA
LEMBO DI EPITELIO CORNEALE
COLTIVATO IN VITRO
2007: Comunità Europea ha
stabilito che i prodotti per terapie
avanzate basati su colture cellulari
sono classificati come medicinali, e
pertanto regolamentati
dall’European Medicines Agency
(EMA) e devono essere prodotti
secondo le stesse norme GMP
(Good Manufacturing Practices)
già adottate dall’industria
farmaceutica.
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•  Cellule staminali limbo-corneali per la rigenerazione della cornea
in pazienti con deficit di cellule staminali limbari dovuto a severe
ustioni termiche o chimiche della superficie oculare
•  Colture di cellule staminali epidermiche sono per la terapia
salva-vita di pazienti con ustioni estese
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STEM CELLS FOR DRUG DELIVERY
MORE FOCUSED DELIVERY, FEWER SIDE AFFECTS
Day 0
Day 7
Day 14
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http://www.holostem.com/Terapie_avanzate.html
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PROS AND CONS TO IPS CELL
TECHNOLOGY
•  Pros:
•  Cellswouldbegene4callyiden4caltopa4entordonorof
skincells(noimmunerejec4on!)
•  Donotneedtouseanembryo
NSCs
injected
(no tumor)
•  Cons:
•  Cellswoulds4llhavegene4cdefects
•  Oneofthepluripotencygenesisacancergene
•  Virusesmightinsertgenesinplaceswedon twantthem
(causingmuta4ons)
NSCs
injected
(tumor)
Shah et al. Dev Neurosci 2004
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