FONDAMENTI DI BIOLOGIA
DELLO SVILUPPO
Grazyna Ptak, PhD, DSc
Dipartimento di Scienze Biomediche Comparate
Università degli Studi di Teramo
Il ciclo della vita: gli stadi dello
sviluppo animale
Lo sviluppo comprende:
1.
specificazione regionale
popolazioni cellulari sono inizialmente simili qundi devono essere
programmate per per formare parti differenti del organizmo. Questo
richiede molecole regolatrici (determinanti) collocate in particollari
posizioni al’interno dell’uovo fecondato e la segnalazione intercllulare
(induzione embrionale).
2.
differenziazzione cellulare
il mechanismo con cui si originano tipi differenti di cellule (movie 21.5;
CD2 – movie 2)
3.
morfogenesi
riguarda I movimenti di cellule e di tessuti che conferiscono all’organo o
all’organismo in via di sviluppo la sua forma tridimensionale
4.
accrescimento
si riferisce all’aumento di dimensioni e alla regolazione delle proporzioni
tra parti del corpo
Aspetti generali dello sviluppo
Schema della sequenza
dei primi stadi di
sviluppo
Il genoma embrionale resta
inattivo per parte o per tutta
la fase di segmentazione, a
la synthesi delle proteine e
diretta dall’RNA messagero
trascrito durante la
oogenesi.
Non c’è nesun
accrescimento nei tipi di
embrioni a vita libera, come
Xenopus, pesce zebra o
riccio di mare, finche non
sono in grado di nutrirsi.
Aspetti generali dello sviluppo
Tipi di divisione cellulare
Aspetti generali dello sviluppo
Processi morfogenetici
le modificazioni di forma e i movimenti delle cellule
la maggior parte delle cellule embrionali può essere considerata epiteliale o
mesenchimale
Epitelio – lamina di cellule situate su una
membrana basale; ogni cellula è unita a
quelle vicine mediante le giunzioni
specializzate e presenta una netta
polarità apicobasale
Mesenchima – costituito da cellule
sparse, immerse in una matrice
extracellulare lassa; riempie gran parte
dell’embrione e dà in seguito origine a
fibroblasti, tessuto adiposo, muscolo
liscio, tessuti dello sceletro.
Laminina e collagene di tipo IV sono I principali componenti di un tipo di matrice
extracellulare, definito lamina basale.
Le cellule epiteliali sintetizzano una fitta lamina basale fondata sulla laminina, mentre
le cellule mesenchimiali secernono una lassa lamina reticolare construita
principalmente da collagene.
Aspetti generali dello sviluppo
Movimenti delle cellule
Movie 22.1 wound healing
Movie 21.3 Drosophila development
Aspetti generali dello sviluppo
Adesione cellulare
Nei primi stadi di sviluppo embrione può essere
completamente disgregato in singole cellule
rimuovendo il calcio dal mezzo ambiente.
Se si mescolano le cellule….
Affinità selettiva, Townes and Holtfreter,1955
Ipotesi dell’adesione differenziale,
Steinberg,1964
Le cellule si riorganizzano nell’ordine più stabile dal
punto di vista termodinamico
Interazioni tra le cellule pigmentate della retina e delle cellule neurali retiniche
Adesione differenziale, Steinberg, Foty,1966
dimostrazione:
Le cellule si riorganizzano nel ordine più
stabile da punto di vista termodinamico.
Se I tipi cellulari A e B hanno forza
d’adesione differenti, e se la forza delle
conessioni A-A è maggiore della forza delle
conessioni A-B o B-B, averrà la separazione,
con disposizione delle cellule A al centro.
Aggregazione istotipica
Ricostruzione di cute da una sospensione di cellule
cutanee ottenute da un embrione di topo di 15 giorni.
Le cellule cutanei sono separate mediante enzimi
proteolitici e poi agreggate in coltura rotante.
In 72 ore l’epidermide è stata riconstruita.
Aspetti generali dello sviluppo
Separazione cellulare dipendente da
caderina
Oltre ai aspetti
qualitativi della
specificità, il
comportamento di
separazione delle
cellule può dipendere
dalla forza di adesione
di uno stesso sistema
Immunofluorescence confocal microscopy of E-cadherin (A-H) and JAM-1 (I-P) staining patterns
during preimplantation development
Thomas, F. C. et al. J Cell Sci 2004;117:5599-5608
Movie 19.1 epithelial cells expressing green fluorescent cadherin
Classificazione dei processi mofogenetici,
movie 21.3 (drosophila development)
Aspetti generali dello sviluppo
Segmentazione
Drosofila movie18.3
Zebrafish
echinodermi
molluschi
Segmentazione oloblastica
Segmentazione olobastica dell’uovo di
rana
La segmentazione produce molte cellule da una iniziale
Xenopus laevis
Polo (emisfero) animale e
vegetale
Durante la segmentazione, al
centro si forma una cavità piena
di liquido, il blastocele
(importante per consentire i
movimenti cellulari che
avvengano nella gastulazione
Blastula
– caderine – giunzioni strette
Segmentazione meroblastica discoidale nell’uovo di pesce zebra
Movie 21.4
I movimenti cellulari e la formazione
del corpo dei vertebrati
Tutte le cellule si dividono in modo sincrono per primi
12 clivaggi, ma le divisioni sono asimmetriche, cosi che
le cellule più basse, vegetative, piene di vitello, sono
più grandi e in numero minore.
Movie 21.1
Destino cellulare
Specificazione regionale dello sviluppo
Determinanti citoplasmatici
(granuli P)
C. elegans
Determinanti citoplasmatici nel C.elegans
Quattro processi essenziali tramite
quali l’embrione è costruito
Mammals
- Sheep embryogenesis -
Pronuclear Formation: Sheep
F-telophase II
M-decondensing
4hr pf
Pronuclear
size
increase
Pronuclear
formation:
formation of
nuclear
envelope
8hr pf
Pronuclei
migrated to
centre of
zygote
12hr pf
19hr pf
Syngamy
syngamy
mitosis
La natura unica della segmentazione dei mammiferi
Tempo (12-24 ore per ciascuna divisione)
La natura unica della segmentazione dei mammiferi: segmentazione rotazionale
La natura unica della segmentazione dei mammiferi: la compattazione
La natura unica della segmentazione dei mammiferi:
attivazione del genoma nei stadi precoci
Cavitazione
La membrana delle cellule trofoblastiche contiene una pompa del sodio
(Na+/K+ATPasi) nella faccia che guarda la cavità. L’accumulo di ioni
sodio nella cavità richiama acqua per osmosi, facendo cosi ingrandire il
blastocele.
Specificazione regionale dello sviluppo
Polarizzazione in senso radiale
La comparsa di microvili
La formazione della ICM e della trofoectoderma dipende dalla polarizzazione delle
cellule, che si verifica allo stadio di otto blastomeri.
Estrusione dalla zona pellucida e inizio del impianto
Stripsina, proteasi presente nella membrana delle cellule trofoblastiche.
La mucosa uterina cattura la blastocisti in una matrice extracellulare. Le cellule del
trophoblasto possiedono integrine che si legano ai collagene, alla fibronectina e alla
laminina.
Una volta a contatto con l’endometrio, il trofoblasto secerne i proteasi che
digeriscono la matrice, consentendo alla blastocisti di anidarsi nella parete del l’utero.
Differential staining of blastocyst stage sheep embryo
La gastrulazione trasforma una palla cava di
cellule in una strutura a tre strati con un
intestino primitivo
Origine del
mesoderma da cellule
che esprimono twist
Gastrula, una struttura tristratificata
La gastrulazione inizia con cambiamenti di
forma delle cellule al sito di blastoporo
Movie 21.2
Destino cellulare
Movimenti cellulari nella gastrulazione
L’organogenesi ha inizio quando la notocorda (un cordone di cellule mesodermiche
nella parte più dorsale del embrione) invia alle soprastanti cellule epidermiche il segnale
che non diventerano epidermide.
Neurula
Trasformazione per la vita terrestre
Negli anfibi la metamorfosi è avviata da ormoni prodotti dalla tiroide del girino.
Quando termina la metamorfosi, inizia lo sviluppo delle
prime cellule germinali
Classi principali di caderine
• E – caderine (caderine epiteliali,
ovomoruline) cellule embrionali iniziali, in
sequito restano limitate ai tessuti epiteliali
• P- caderine (caderine placentali)
trofoblasto, cellule uterine (impianto),
placenta
• N- caderine (caderine neurali)
• C – caderine, movimenti di gastrulazione
La distibuzione di E-caderina e di Ncaderina nel sistema nervoso in sviluppo
E-caderina
N-caderina
Le cellule del tubo neurale hanno perso Ecaderina e hanno acquisito N-caderina
Importanza delle N- caderine nella separazione dell’ectoderma
neurale da quello epidermico. Indotta mutazione delle Ncaderine a lato sinistro del embrione di Xenopus.
Esistono due modi fondamentali in cui le
cellule animali formano I tessuti
I mecanismi che dirigano le celule alla loro
destinazione sono:
• La secrezione di una sostanza chimica solubile
che attraga le cellule in migrazione
(chemiotassi). Movies 15.2; 15.3
• La formazione di molecole di adesione nella
matrice extracellulare o alla superfice delle
cellule per guidare le cellule in migrazione lungo
la via corretta (via guidata di migrazione)
Lo sviluppo embrionale è caracterizzato dalla migrazione cellulare
creste neurali (blu)
cellule germinali primordiali (verde)
anticorpi contro le laminine (rosso)
sacco vitelino
Cellule migratorie:
nella cresta neurale, nei somiti, precursori delle cellule ematiche,
delle cellule germinali, neuroni del sistema nervoso centrale
Cellule migratorie:
• sono guidate dalle proteine, fibronectine
• anticorpi anti-fibronectine bloccano il movimento delle
cellule, quindi, lo sviluppo degli organi
• Altre, come il proteoglicano condroitinsolfato, inibiscono
la locomozione e impediscono l’acceso a determinati
ristretti.
• Le cellule che non migrano situate lungo la via possono
possedere superfici attraenti o repellenti , o possono
mettere i filipodi, che toccando la cellula, ne alterano il
comportamento
