Il problema dello sviluppo

MAR CELLO BARBIERI
PAOLO CARINCI
Istituto di Istologia ed Embriologia Generale
Facoltà di Medicina e Chirurgia
Università di Ferrara
Istituto di Istologia ed Embriologia Generale
Facoltà di Medicina e Chirurgia
Università di Bologna
EMBRIOLOGIA
2a EDIZIONE
(ea;
CASA EDITRICE AMBROSIANA
INTRODUZIONE
alla prima edizione
Questo testo rappresenta una guida al corso di Embriologia previsto dal nuovo ordinamento didattico per la laurea in Medicina e Chirurgia. Dopo una premessa sulle definizioni dei concetti fondamentali , esso è dedicato a tre argomenti: la riproduzione, lo
sviluppo embrionale e l'organogenesi.
L'obiettivo che ci siamo prefissi è stato quello di offrire una esposizione sintetica ma
comprensiva dei dati che sono essenziali per dare una impostazione moderna all'embriologia umana, collegando lo sviluppo della nostra specie alle acquisizioni più recenti della ricerca biologica, e fornendo le premesse per le applicazioni che si sono dimostrate di maggiore interesse medico (fecondazione in vitro, diagnosi prenatale,
meccanismi delle malformazioni congenite).
Ovunque possibile, abbiamo cercato di presentare non solo la descrizione dei processi embrionali ma anche una discussione dei loro meccanismi, particolarmente nei casi
in cui le scoperte degli ultimi anni hanno permesso di dare una risposta ad alcuni problemi tradizionali, o hanno dimostrato l'esistenza di problemi nuovi.
Ci auguriamo in questo modo di coinvolgere il più possibile l'attenzione e l'interesse
degli studenti, perché l'embriologia è la chiave per capire sia l'anatomia che la fisiologia del corpo umano , ed ha quindi un posto assolutamente centrale in medicina.
Marcello Barbieri
Paolo Carinci
INTRo D UZIO NE
alla seconda edizione
Questa seconda edizione si è resa necessaria per riportare alcuni sviluppi recentemente apparsi in letteratura e per accogliere i suggerimenti di numerosi colleghi, ai
quali va la nostra sincera gratitudine.
Ringraziamo in particolare le professoresse Silvana Soana, Lina Simonelli, Lia Guidotti
anche in futuro segnalazioni anae Isabella Wegelin-Pane, e ci auguriamo di ｲｩｾ･ｶ＠
loghe, in modo da offrire un testo che si aggiorna costantemente e diventa uno strumento didattico sempre più efficace.
Marcello Barbieri
Paolo Carinci
PARTE
CAPITOLO I
CAPITOLO 2
I CONCETTI
DELL'EMBRIOLOGIA
Generazione e sviluppo
Le due versioni della teoria cellulare
Il problema della generazione
Il problema dello sviluppo
La determinazione (il differenziamento «invisibile»)
L'induzione (il differenziamento «dipendente»)
La regola zio ne (i campi morfogenetici)
I geni dello sviluppo embrionale
La nuova definizione di gene (1989)
Il divario fra geni e organismo
Ontogenesi e filoge ne si
Le fasi del ciclo vitale
Protostomi e Deuterostomi
La novità degli amnioti
L'evoluzione dei mammiferi
Il ciclo vitale dei mammiferi
L'origine dell 'uomo
PARTE
RIPRODUZIONE
CA PITOLO 3
Lo sviluppo s e ssuale
La determinazione sessuale
Il differenziamento del sesso
La dottrina di]ost
Gli ormoni mascolinizzanti
La ricerca del fattore TDF
Gli abbozzi dell'apparato genitale
Lo sviluppo delle gonadi
Lo sviluppo delle vie genitali
Lo sviluppo dei genitali esterni
La migrazione delle gonadi
La pubertà
Il controllo ormonale dello sviluppo sessuale
2
2
3
5
6
7
11
13
16
17
20
20
22
24
26
27
28
34
34
35
36
37
38
40
44
48
51
53
56
57
IX
• CAPITOLO 4
Ovogcnesi e cicli femminili
Le tappe dell'ovogenesi
La fase pre antrale
La fase antrale
La fase preovulatoria
L'ovulazione
La fase luteinica
I meccanismi di controllo del ciclo ovarico
Sommario del ciclo ovarico
I cicli femminili
Il ciclo dell'utero (ciclo mestruale)
Il ciclo cervicale
I ｣｡ｭ｢ｩ･ｮｾｰｲｯ､＠
degli ovidotti
I cambiamenti periodici della vagina
Altri effetti del ciclo ovarico
•
. CAPITOLO 5
La spermatogenesi
I cambiamenti puberali dei testicoli
I compartimenti del testicolo
La prima fase della spermatogenesi (la proliferazione)
La seconda fase della spermatogenesi (la meiosi)
La terza fase della spermatogenesi (la spermiogenesi)
Il ciclo spermatogenico (le associazioni cellulari)
Il ciclo dell'epitelio seminifero
L'onda dell'epitelio seminifero
Gli ormoni del testicolo
Il controllo ormonale della spermatogenesi
CAPITOLO 6
x
La fecondazione
Riproduzione e sessualità
Il trasporto nelle vie spermatiche 104
Il seme
Il trasporto nelle vie femminili
• La capacitazione
L'attivazione degli spermatozoi
La penetrazione dello spermatozoo nell 'uovo
Le reazioni dell 'uovo
L'unione dei cromosomi
La non equivalenza dei genomi
La fecondazione in vitro
60
60
64
66
69
71
73
74
75
77
79
81
83
83
84
86
86
86
89
90
92
95
96
99
100
100
103
103
106
106
108
110
111
113
11 4
116
118
PART E
CAPITOLO 7
SVILUPPO
La prima settimana
Gli eventi della prima settimana
Determinazione e totipotenza dei blastomeri
I meccanismi delle prime determinazioni
Impianti ectopici e teratocarcinomi
Blastomeri e animali transgenici
La biopsia dei blastomeri
CAPITOLO 8
La seconda se ttimana
Gli eventi della seconda settimana
La reazione deciduale
Il mantenimento della gravidanza
La protezione immunologica dell'embrione
CAPITOLO 7
La terza settirnana
La formazione dei tre foglietti
La formazione della notocorda
L'induzione del sistema nervoso
La suddivisione del mesoderma
La circolazione primitiva
Adesione e migrazione delle cellule embrionali
CAPITOLO IO
La quarta settimana
Lo stadio filotipico
Le pieghe longitudinali
Le pieghe laterali e l'intestino primitivo
Lo sviluppo dell 'ectoderma
Lo sviluppo del mesoderma
Lo sviluppo dell'endoderma
Lo studio delle discendenze cellulari
CAPITOLO Il
La placenta
La placenta primitiva
La placenta definitiva
la crescita della placenta
Il cordone ombelicale
La circolazione placentare
Le funzioni della placenta
122
122
126
131
134
135
136
138
138
146
147
148
150•
150
154
156
160
165
168
171
171
172
174
176
180
186
187
190
190
194
196
200
200
203
XI
CAPITOLO 12
Rassegna dello sviluppo umano
I tre periodi dello sviluppo
Riassunto del primo mese
Riassunto del secondo mese
Riassunto del periodo fetale
Le malformazioni congenite
I metodi della diagnosi prenatale
PART E
ORGANOGENESI
CAPITOLO 13
LO sviluppo d ella fa ccia
I processi facciali
La bocca primitiva
La formazione del palato
Le cavità nasali
Malformazioni congenite della faccia
CAPITOLO 14
L'apparato branchiale
L'apparato branchiale primitivo
Gli archi branchiali
I solchi branchiali
Le tasche branchiali
La tiroide
La lingua
Le ghiandole salivari
La faringe
Malformazioni congenite dell'apparato branchiale
CAPITOLO 15
XII
L'apparato respiratorio
Gli abbozzi dell'albero respiratorio
La laringe
La trachea
Lo sviluppo dei bronchi
Lo sviluppo dei polmoni
Il surfattante
Le cavità del celoma
Il diaframma
Malformazioni dell'apparato respiratorio e del diaframma
207
207
208
209
211
214
217
226
226
228
230
231
233
236
236
238
240
241
242
244
246
246
246
248
248
249
251
251
252
255
255
257
258
CAPITOLO 16
L'apparato digerente
L'intestino primitivo
I mesenteri
L'esofago
Lo stomaco
Il duodeno
Il fegato e la cistifellea
Le tuniche e i legamenti del fegato
Il pancreas
La milza
L'intestino medio
L'intestino posteriore
Occlusione e ricanalizzazione del tubo intestinale
Malformazioni congenite dell'intestino anteriore
Malformazioni congenite dell'intestino medio
Malformazioni congenite dell'intestino posteriore
CAPITOLO 17
L 'apparato s c he le tric o
Scheletro assile e scheletro appendicolare
Somitomeri e somiti
La colonna vertebrale
Coste e sterno
Il neurocranio
Lo splancnocranio
Lo sviluppo degli arti
Le articolazioni
Malformazioni congenite dell'apparato schele trico
CAPITOLO 18
L 'apparato muscolare
L'origine embrionale dei muscoli
I muscoli della testa
I muscoli del tronco
I muscoli degli arti
I muscoli del cuore
I muscoli lisci
Malformazioni congenite dell'apparato muscolare
CAPITOLO 19
L'apparato urinari o
I reni e le vie urinarie
Il profonefro
Il mesonefro
Il metanefro
263
263
266
268
269
269
270
272
273
274
275
277
279
279
281
283
285
285
285
287
289
289
292
292
295
295
298
298
298
299
301
301
302
302
304
304
304
305
308
X III
CAPITOLO 20
Lo sviluppo del sistema collettore
Lo sviluppo dei nefroni
Il rene fetale
L'ascesa dei reni
Il seno urogenitale
Lo sviluppo della vescica
Malformazioni congenite dell'apparato urinario
309
309
312
312
313
314
316
L'apparato cardiovascolare
321
321
321
326
328
330
331
334
336
336
338
339
340
342
344
345
346
349
351
352
I tre apparati dello sviluppo umano
L'apparato primitivo
Il ripiegamento del tubo cardiaco
L'evoluzione del seno venoso
L'evoluzione dell 'atrio primitivo
La sepimentazione del canale atrioventricolare
La sepimentazione dgli atri
La sepimentazione dei ventricoli
La sepimentazione del tronco arterioso
Lo sviluppo delle valvole cardiache
Lo sviluppo del sistema di conduzione
Gli archi aortici
Lo sviluppo delle arterie
Le vene vitelline
Le vene ombelicali
Le vene cardinali
La circolazione fetale
I cambiamenti della circolazione alla nascita
Malformazioni congenite del cuore
CAPITOLO 21
XIV
Il sistema nervoso
Le suddivisioni primarie del sistema nervoso
Lo sviluppo dell 'encefalo
I ventricoli
Meningi e liquido cerebrospinale
Le cellule del sistema nervoso centrale
Le cellule del sistema nervoso periferico
Il midollo spinale
L'ascesa del midollo spinale
I nervi spinali
I nervi cranici
Il tronco cerebrale
Il cervelletto
Il diencefalo
Il telencefalo
360
360
362
366
366
367
371
371
374
375
376
378
380
382
385
CAPITOLO 22
Le commissure
Lo sviluppo fetale degli emisferi
Malformazioni congenite del sistema nervoso
388
389
391
L'occhio
396
396
398
400
402
404
406
407
408
409
Il calice ottico e il cristallino
I vasi sanguigni e il nervo ottico
Lo sviluppo del cristallino
Lo sviluppo della retina
La sclera e la coroide
Le camere dell'occhio e la cornea
L'iride e il corpo ciliare
Gli annessi dell'occhio
Malformazioni congenite dell'occhio
CAPITOLO 23
L'orecchio
Composizione e origine embrionale
Il labirinto membranoso
Il labirinto osseo
Lo sviluppo dell'orecchio medio
Lo sviluppo dell'orecchio esterno
Malformazioni congenite dell'orecchio
CAPITOLO 24
411
411
411
414
"
417
419
420
La pelle e gli annessi cutanei
Lo sviluppo dell 'epidermide
Le cellule dell'epidermide
Lo sviluppo del derma
Le interazioni fra epidermide e derma
I peli e le ghiandole sebacee
Le ghiandole sudoripare
Le ghiandole mammarie
Lo sviluppo dei denti
Malformazioni congenite della pelle
422
422
423
425
425
427
429
431
432
434
437
Bibliografia
Indice analitico
439
443
L'apparato tegumentario
Xv
ｾＮ＠
(
PARTE
I CONCETTI
DELL'EMBRIOLOGIA
CAPITOLO
GENERAZIONE
E SVILUPPO
ｾ＠
u
c
o
u
Le due versioni della teoria cellulare
2
L'Embriologia studia due problemi complementari: come fa un organismo a p rodurre un uovo (il problema della generazione) e come fa un uovo a p rodurre
un organismo (il problema dello sviluppo). Questi problemi sono stati oggetto di
discussioni fin dall'antichità (sia Ippocrate che Aristotele scrissero a lungo su di
essi) ma l'idea guitla con cui li affrontiamo oggi è stata proposta solo nel secolo
scorso . Essa è la teoria cellulare, e più precisamente la seconda versione di questa teoria.
La prima versione della teoria cellulare venne proposta da Schleiden e Schwann
nel 1839 conl'idea (statica) che gli organismi viventi sono fatti di cellule, e non incorporava affatto l'idea (dinamica) che gli organismi sono fatti da cellule. In realtà,
questo secondo concetto venne rigettato esplicitamente da Schleiden. Alla domanda «come hanno origine le cellule?» per lui era inammissibile rispondere «da
cellule preesistenti» perché ciò sarebbe stato, a suo parere, una nuova forma di
preformismo, priva di qualunque valore esplicativo. Schleiden propose invece che
le cellule avessero origine per «formazione libera», con processi simili alla gemmazione e alla crescita dei cristalli. Il nucleo crescerebbe fino a che la sua superficie
diventa la superficie dell'intera cellula, e poi all 'interno di questa si formerebbero
liberamente, de novo, altre gemme nucleari, capaci di dare origine a un numero
variabile di nuove cellule .
. Le scoperte che portarono alla seconda versione della teoria cellulare derivarono
in gran parte da studi di embriologia. Nel 1841 , K6lliker dimostrò che gli spermatozoi sono vere e proprie cellule descrivendo il loro sviluppo nelle varie fasi della
spermatogeriesi. Nel 1852, Remak dimostrò che anche l'uovo di rana è una cellula,
e nel giro di pochi anni questa conclusione venne estesa alle uova di tutti i vertebrati. Sempre nel 1852, Remak rigettò enfaticamente il concetto della «formazione
libera» delle cellule proposto da Schleiden descrivendo la segmentazione dell'uovo
di rana, e dimostrando che nuove cellule hanno sempre origine dalla divisione di
cellule preesistenti.
Nel 1855 Virchow confermò la conclusione di Remak studiando una grande varietà
di tessuti normali e patologici, e notando che in ogni caso le cellule sono formate invariabilmente dalla divisione di altre cellule. Questa è la seconda versione della teoria
cellulare, un'idea che Virchow sintetizzò con l'aforisma omnis cellula e cellula.
Il problema della generazione
Con la teoria cellulare gli organismi diventarono società di cellule, e il problema
della generazione diventò il problema di capire quali e soprattutto quante cellule
vanno a formare il germe di un nuovo organismo. Fra i biologi era molto diffusa
l'opinione (sostenuta anche da Darwin) che il seme di una pianta venisse fecondato da molti grani di polline, e si pensava che tanto più grande era questo numero
tanto più rig(\)gliosa era la pianta risultante. Per gli animali, analogamente , si pensava che un uovo dovesse essere fecondato da molti spermatozoi, ciascuno in grado
di trasmettere le caratteristiche di diverse parti del corpo, perché era un fatto sperimentale che ogni uovo è circondato da una moltitudine di spermatozoi al mome11to della fecondazione (figura l), e si credeva che un solo spermatozoo' non fosse fisicamente in grado di trasportare tutte le caratteristiche dell'organismo.
Fu Oskar Hertwig, nel 1875, che risolse una volta per tutte questo problema, dimostrando che 'l!:!2!.0!..o spermatozoo è responsabile della fecondazione nel ｲｩ｣ｾ＠
di
la fecondazione l'uovo contiene due nuｾ ｉ＠ n:gre. Egli osservò inoltre che ｳｾｯｰ＠
1
0ei, ｾｮｯ＠
derivato dallo spermatozoo e l'altro dall'uovo, e poi che [p.ucleo maschi'" le e quello femminile si uniscono e danno origine, con mitosi successive, a tutti i
nuclei delle cellule figlie . Il nucleo dell'uovo fecondato non va mai perduto, e c 'è
htt\
\) ｵｾ｡＠
continuità completa fra esso e tutti i nuclei dell'organismo che cresce. Ciò venìì o.wil
ne riassunto da Flemming con ｬ Ｇ ｡ｦｾｲｩｳｭ＠
omnis nucleus e nucleo.
ｾＧｶｊｩＱ
ｃ ｡＠
La scoperta di Hertwig venne completata dal lavoro di Hermann Fol nel 1879.
Ｌ ｾＧ｜ ｨ ｃ＠
Questi riuscì a far entrare nell'uovo di riccio di mare i nuclei di parecchi spermatozoi, e osservò che in tutti questi casi lo sviluppo è anormale e abortisce. Ciò dimostrò definitivamente che ｬｾ＠ fecondazione è realizzata da un solo spermatozoo, e che
il processo essenziale è l'entrata di un nucleo maschile nell 'uovo. Questo suggeriva
fortemente che i caratteri ereditari fossero trasportati dal nucleo (come aveva proposto Haeckel nel 1866), ma mancava ancora un dato sperimentale diretto a sostegno di tale conclusione. ｾｵ･ｳｴｯ＠
41at<!! venne nel 1883, quando Van Beneden dimostrò che le cellule somatiche del verme Ascaris bivalens hanno 4 cromosomi mentre i loro gameti ne hanno solo 2, e che alla fecondazione i 2 cromosomi materni e
ｾ＠ 2 paterni si uniscono nel nucleo dello zigote. Van Beneden, comunque, si limitò a
pubblicare i dati sperimentali e non trasse la conclusione che il materiale ereditario
proveniva esattamente metà dal padre e metà dalla madre ,
3
'" 1
1
r-w
----
-
cv
"00
o
(5
E
E
2
v
ou
iJ
C
o
u
[Jj Fotografia al microscopio
elettronico a scansione di un
uovo di riccio di mare circon-
4
dato eia spermatozoi al momento della fecondazione (fotografia di C. Glabe, L. Perez e
W.]. Lennarz).
Fu August Weismann , nel 1884, che capì il significato della scoperta di Van Beneden e concluse che il materiale ereditario è trasportato nei cromosomi del nucleo ,
una conclusione che venne confermata nello stesso anno da Hertwig, Strasburger
e K6lliker. Weismann, inoltre, capì che Ilelle cellule riproduttive deve avvenire un
.tipo di divisione del tutto speciale, necessaria per dimezzare il numero dei cromosomi, in modo che alla fecondazione si possa ricostituire il numero normale (diploide) dall'unione dei cromosomi dei due gameti. Questa divisione speciale venne chiamata meiosi, per distinguerla dalla divisione normale della mitosi, e nel
1890 Oskar Hertwig dimostrò la realtà sperimentale della meiosi descrivendone in
dettaglio tutte le fasi.
Il carattere speciale della meiosi portò Weismann a suddividere le cellule del corpo in due grandi categorie. Tutte le cellule che si dividono solo per mitosi costituiscono le cellule somatiche e sono destinate a morire col corpo. Le cellule che ｾ ｮｯ＠
capaci di dividersi non solo per mito si EIa an<:he per meiosi costituiscono invece le.
cellule germinali, e queste sono potenzialmente immortali perché hanno la capacità di dare ｯｲｩｧｾ＠
a generazioni successive di organismi.
Le scoperte della fecondazione , della me io si e delle cellule germinali diedero così una risposta univoca al problema della generazione in termini cellulari. La generazione di un nuovo individuo comincia con due meiosi, quando si formano i
gameti, e si realizza con la fecondazione, quando si forma lo zigote.
Il problema dello sviluppo
Nel 1828, Cari Ernst von Baer, lo scopritore dell'uovo dei mammiferi, della notocorda e degli annessi embrionali, pubblicò Sullo Sviluppo degli Animali, un libro
che per molti ha segnato l'inizio dell'embriologia moderna. In esso, von Baer mise
fine al dibattito secolare sul preformismo dimostrando una volta per tutte che a..li.Qtg_ani dell'embrione non sono ｰｲ･ｦｾｭ｡ｴｩ＠
nel germe ma vengono costruiti gradualmente a partire da tre foglietti germinativi (ectoderma, endoderma e mesoderma).
Studiando l'evoluzione di questi tre componenti fondamentali , von Baer stabilì chef
19 sviluppo embrionale è caratterizzato non solo da processi di crescita, ma soprattutto dalla comparsa di differenze istologiche sempre più numerose fra i tessuti, ｾ＠
da una serie di trasformazioni spaziali che producono innumerevoli cambiamenti di
ｦｯ ｲｾＮ＠
In questo modo von Baer concluse che lo sviluppo embrionale consiste di
tre processi fondamentali , crescita, differenziamento istologico e morfogenesi"
una conclusione che da allora in poi non è stata più abbandonata.
Con l'avvento della teoria cellulare, lil crescita dell 'embrione venne spiegata direttamente con un<:...:'equenza di divisioni ｣･ｬｵ
ｾ ｲｩＮ＠
L'uovo fecondato si divide in 2
cellule e poi in 4, 8 , 16, 32,64 e così via. Come si vede dalla figura 2, dopo lO divisioni si hanno circa mille cellule, dopo 20 se ne ha un milione , dopo 30 un miliardo, dopo 40 se ne hanno mille miliardi, e così via. Per formare i ill.ecimila miliardi di
ｾｃ
｟ ｑＨｰｾｉｄｬ｡ｮｯ＠
adulto, pertanto, bastano circa 44 0.45 generazioni di divisioni cellulari.
La differenza fra un organismo adulto e un uovo fecondato , però, è molto più
profonda del semplice numero di cellule. Diecimila miliardi di uova, comunque disposte nello spazio, non formerebbero mai un essere umano , ed è ovvio quindi che
durante lo sviluppo le cellule devono diventare diverse dall'uovo da cui derivano.
Jn effetti, esse diventano diverse sia dalle cellule che le hanno precedute (differenziamento diacroniCO) sia da molte altre cellule della stessa generazione (differeniamento sincronico). ｌ ｾ
ｵｰｯ＠
è accompagnato pertanto da una gerarchia di
ｰｲｯｾｳｩ＠
di differenzi",mento che va dalla formazione dei tre foglietti germinativi alｾ｡ＮＱＧｲｯ､ｵｺｩｮ･
Ｌ＠ nell'uomo, di oltre 200 tipi di cellule (Alberts et al. , Biologia molecolare della cellula, 1989, trad . it. a cura di Zanichelli uscita nel 1991).
lo svilupp.,9, inoltre, si osservano ｮｾｭ･ｲｯｳ＠
trasformazioni della forIE..a
h ｾｲ｡ｮｴ･＠
ｾｴ･ｲｮ｡＠
ed esterna dell 'embrione, e solo dopo molti cambiamenti si cominciano a ri-
o
"§
'6.
(il
u
5
Numero delle
divisioni [N]
c
l
2
3
4
5
6
7
8
9
lO
U
11
co
'00
o
g
.oE
2
(3
"O
-0
u
o
o
'-
cv
O-
12
13
14
15
16
17
18
19
20
30
40
50
Numero delle
cellule [2"]
2
4
8
16
32
64
128
256
512
1024
2048
4 096
8192
16 384
32768
655 36
131072
2621 44
524288
1048576
1073701504
l 099 470 340 096
1125857 628258304
[Il Rapporto fra numero deIle mitosi e numero delle cellule risultanti.
2 10 =10 3
2 2°= 106
23°= 109
24°= 10 12
25°= 1015
conoscere le forme caratteristiche dell'organismo adulto. Questi cambiamenti di
!orma avvengono attraverso migrazioni, ripiegamenti, tubulazioni e invaginazioni di
vario tipo, e sono noti collettivamente come i processi della morfogenesi.
Crescita, differenziamento istologico e morfogenesi, pertanto, sono processi fondamentali, e son@stati tutti Ple»rtati alla luce dall'embriologia descrittiva. Esistono
però altri processi fondamentali che non possono essere riconosciuti dalla semplice descrizione dei fenomeni , e l'unico modo per metterli in evidenza è ,stato quello
di intervenire direttamente sugli embrioni con trattamenti di vario genere. Per scoprire nuovi concetti, in altre parole, è stato necessario passare dall'embriologia descrittiva all'embriologia sperimentale.
La determinazione
6
(il differenziamento «invisibile»)
Il differenziamento è la comparsa di differenze fra le cellule che sono visibili al mi:
croscopio, e con una varietà di tecniche diverse è stato possibile riconoscere tre ti- pi di differenze: ｭ Ｙ ｲｦ ＮＹ ＱＰ ｾ ｩ＼Ｚｨ･
Ｌ＠ istologiche e biochimiche. Lo studio del differenziamento, come abbiamo visto , è uno degli obiettivi principali dell 'embriologia, e forse il Jilass8 più importante in questa direzione è stato la scoperta che la comparsa
delle differenze visibili è sempre preceduta dalla comparsa di differenze che sono
ｴ､ｾ
invisibili con le tecniche tradizionali ma che, nonostante ciò, sono sperimentalmente dimostrabili.
ｑＮＡＭ･
ｾ ｴｌｰｲ
ｾ
･ｳｩ＠
che precedono il ｾ
ｴｩ＠ ｾ
｡ｾ＠
prQf.t:ssi
ｭ ｾ
Ｈｯ＠
differenziamento "invisibile") , e sono stati scoperti da Hans
Spemann agli inizi del secolo con esperimenti di trapianto in embrioni di anfibi.
Spemann trapiantò dei piccoli pezzettini di tessuto da una parte ､･ｬ
Ｇ ･ｭ｢ｲｩｯｾ＠
a
un'altra in diversi periodi di sviluppo, e osservò come si differenziavano i trapianti
nei periodi successivi. In questo modo egli scoprì che il destino dei trapianti era qlel
tutte diverso se essi venivano fatti prima o dopo un certo periodo critico. Per esempio, trapiantando un pezzettino di ectoderma da una zona destinata a formare tessuto nervoso a una destinata a formare pelle, Spemann scoprì che il trapianto si differenziava come pelle se era stato fatto prima del periodo critico, mentre si differenziava come tessuto nervoso se era stato fatto dopo quel periodo. Spemann concluse pertanto che durante il periodo critico le cellule venivano determinate a differenziarsi come tessuto nervoso anche se in quel periodo non avevano ancora nessuna delle caratteristiche visibili di questo ｴ･ｳｵｾ＠
Gli esperimenti di Spemann vennero ripetuti con innumerevoli varianti, e tutti i
risultati portarono alla stessa conclusione. Per ogni tipo di cellule è possibile individuare un periodo critico prima del quale le cellule possono cambiare il loro destino , ma dopo il quale esse sono determinate a differenziarsi in un certo modo, e il
processo della determinazione avviene sempre prima che compaiano le caratteristiche visibili del differenziamento. La determinazione , pertanto, viene a essere il
processo chiave per capire il differenziamento, e rivela una caratteristica inaspettata nelle cellule embrionali. La capacità di modificare le caratteristiche visibili della
cellula sintetizzando proteine diverse, o cambiando forma quando cambiano gli stimoli ambientali, è una proprietà che hanno tutte le cellule, anche i batteri più semplici. Il concetto di determinazione implica però qualcosa di diverso: implica che
quando una cellula embrionale, o un suo discendente , si differenzia, non lo fa solo
sulla base di segnali che riceve il quel momento ma anche, e soprattutto, sulla base
di segnali che ha ricevuto molto tempo prima, nelle primissime fasi dello sviluppo
e in un ambiente che è esistito solo per un breve intervallo di tempo. Come hanno
sottolineato Alberts et al. (1989) , la determinazione implica il concetto di memoria
cellulare. In qualche modo , le cellule si ricordano di ciò che è successo loro nel periodo della determinazione, e rispondono agli stimoli ambientali non solo in base al
loro patrimonio genetico, ma anche in base alla loro storia.
L'induzione
o
2
'q.
cv
U
(il differenziamento "dipendente")
Sia nel caso del differenziamento che in quello della determinazione sorge il problema di capire quali sono i meccanismi responsabili di quei processi. Se si ammette che tali meccanismi sono basati su molecole (come tutto fa pensare), ci troviamo
7
. ro0.0
o
:§
.o
E
E
v
u
ｾ＠
u
c
o
u
di fronte a due possibilità: o queste molecole sono prodotte all'interno delle cellule
che si differenziano , oppure vengono trasmesse loro da altre cellule. Nel primo caso si parla di differenziamento indipendente o autodifferenziamento (e le sostanze responsabili sono spesso chiamate determinanti citoplasmaticz); nel secondo
caso si parla di differenziamento dipendente o , per usare il termine cemiato da Spemann, di induzione .
Anche in questo caso, gli embrioni sembrano utilizzare tutti i meccanismi che la
natura ha messtil ＱＰｦＨ ｾ＠ a disPQsizione, e sono stati scoperti sia degli esempi in cui le
cellule si autodifferenziano, sia dei casi in cui esse sono indotte a differenziarsi dalle interazioni con altre cellule. Questi ultimi fenomeni, i processi di induzione, vennero scoperti da Spemann con la tecnica dei trapianti.
L'esempio classico è quello dell'induzione del cristallino, una struttura che si sviluppa da una piccola porzione di ectoderma che ricopre la vescicola ottica, un prolungamento della parte anteriore del cervello embrionale (figura 3). Con una serie di
esperimenti molto eleganti, Spemann dimostrò che esiste una relazione diretta e
causale fra la presenza della vescicola ottica e la formazione del cristallino nell'ectoderma sovrastante. Se la vescicola ottica viene rimossa prima che entri in contatto
con l'ectoderma, quest'ultimo non si differenzia più in cristallino. Inversamente, se
W
Fotografia al microscopio
elettronico a scansione della
vescicola ottica, del cristallino
e dell 'ectoderma sovrastante
in embrione di pollo (fotografia di K. Tosney).
8
Ectoderma
o
o.
o.
Jr.n
<1.) '
<l.)
c
o
'N
iV
Q.j
Mesoderma
c
- - ----1.0.1-'--'---
<l.)
V
Vescicola ottica
(h)
(c)
[±] Induzione del cristallino
da parte della vescicola ottica.
In (a) è rappresentato il processo normale con cui . la vescicola ottica incluce l' ectoderma della testa a differen-
..,
ziarsl !il cristallino. In (b) la
vescicola ottica è stata rinlossa e il cristallino non si forma.
In (c) una vescicola ottica trapiantata induce il differenziamento in cristallino anche di
una parte cii ectoderma che
normalmente non lo forma
(per esempio l'ectoderma della schiena).
una vescicola ottica viene trapiantata in un'altra regione dell'embrione, per esempio
sotto l'ectoderma di una zona della schiena, si vede che l'ectoderma sovrastante
(normalmente destinato a diventare pelle) si differenzia in cristallino (figura 4).
Da questo lavoro, Spemann concluse che la vescicola ottica «induce» il differenziamento in cristallino di qualsiasi tessuto ectodermico che entri in contatto con
essa in una fase precoce dello sviluppo. Spemann si rese anche conto che il cristallino non poteva essere un caso isolato, e con una sua studente, Hilda Mangold, fece
una serie sistematica di esperimenti di trapianto per scoprire altri esempi di induzione. Questi esperimenti rivelarono effettivamente l'esistenza di una intera serie di
processi induttivi. Nello sviluppo dell'occhio, per esempio, una porzione di me soderma induce la formazione del cervello, una parte anteriore del cervello induce la
formazione della ves cicola ottica, e la vescicola ottica induce la formazione del cristallino.
In genere, gli esperimenti dimostrarono che ogni induzione ha effetti circoscritti, come quelli osservati nell'esempio del cristallino. In un caso, però, il risultato fu
totalmente diverso. Quando Spemann e Mangold trapiantarono la parte dell'embrione di anfibio che è nota come il labbro dorsale del blastoporo, ottennero un effetto inaspettat{j) e sorprendente. Il labbro dorsale del blastoporo si invaginava spon-
9
-o
u
c:
o
u
ｾ＠
Il classico esperimento di
Spemann sull'organizzatore
primario (1924). La regione
dove iniziano i movimenti del-
IO
la gastrulazione dei vertebrati
(l'organizzatore primario) ha
la capacità di indurre un secondo asse embrionale, e in
tal modo di produrre un intero embrione secondario.
taneamente all 'interno dell'embrione, si autodifferenziava in un cordone mesodermica , e induceva la formazione prima di un secondo sistema nervoso e poi di un intero embrione secondario, attaccato al primo come un gemello siamese (figura 5) .
Questo risultato clam@roso (ottenuto nel 1924) fece scalp@re e provocò un'esplosione di ricerche sul labbro dorsale del blastoporo e sul cordone di mesoderma derivato da esso, una stmttura che Spemann chiamò l'organizzatore primario per la sua
capacità di indurre non un tessuto solo ma un intero sistema nervoso.
Nel 1932, si scoprì che un labbro dorsale ucciso conserva ancora la capacità di
indurre un sistema nervoso, e ciò fece pensare che il messaggio trasmesso dall'or-
ganizzatore consistesse di molecole che possono essere isolate in vitro e restare attive anche dopo l'isolamento . Cominciò così una caccia intensa alle molecole indi p@chi anni, però, si scoprì che gli stessi stiduttrici del sistema nervoso. Nel ｧｩｲｾ＠
moli induttivi potevano essere evocati da una grandissima varietà di sostanze: estratti di fegato o di milza, steroidi, carboidrati, acidi grassi , coloranti come il blu di metilene e il rosso neutro, e persino variazioni di pH. Di fronte a questi risultati, Spemann si convinse ｣ｨ ｾ＠
le sostanze inducenti funzionano come dei semplici grilletti,
con l'unica funzione di far partire una serie di reazioni preordinate, come fa l'inserimento di una moneta nel juke box. La specificità dell'induzione non starebbe negli induttori ma nel tessuto reagente, che deve avere la competenza a rispondere a
stimoli generici.
Le ricerche successive hanno dimostrato due fatti importanti: (1) l'induzione del
sistema nervoso da parte del cordomesoderma sotiostante è un fenomeno presente
in tutti i vertebrati (pesci, anfibi, rettili, uccelli, mammiferi), e (2) le sostanze induttrici naturali sono molecole specifiche, e non stimoli generici. Le prime sostanze
naturali prodotte dall 'organizzatore primario sono state idel1titìcate nel 1989, e si è
visto che si tratta di fattori di crescita. Alcune (le attivine ) appartengono a una famiglia dei fattori di crescita trasformanti (TGF - B) , mentre altre fanno parte dei fattori di crescita dei fibroblasti (FGF).
Forse la cosa più importante da sottolineare è che le induzioni sono responsabili
ｾｬ｡＠
grande maggioranza dei processi di determinazione e di differenziamento
cÈ-e avvengono durante lo sviluppo embrionale. È stato dimostrato che esistono anche dei processi di autodifferenziamento, ma questi sono una piccola minoranza,
soprattutto negli organismi superiori. La conclusione di Spemann che lo sviluppo'
embrionale è determinato essenzialmente da una cascata di induzioni contiene
pertanto una grande p>arte di verità, anche se, come vedremo fra poco, è probabile
che essa non sia tutta la verità.
La regolazione
o
oo::;
.:;
(f)
o
o
c:
o
'N
cv
oc:
o
(J
o
"2
'6.
cv
u
(i campi morfogen etici)
La formazione dell 'arto dei vertebrati è uno dei processi che sono stati stuàiati più
a f(il lldo in embriologia perché si l'resta i;)ene ad una grande varietà di interventi sperimentali. Le ricerche compiute in questo campo hanno portato alla luce una sequenza estremamente complessa di induzioni, che procedono sia simultaneamente
che in fasi successive, e hanno dimostrato che le induzioni hanno un ruolo di primissimo piano nell'organogenesi dell'arto. Eppure, questo non è tutto. Se, dopo
che le interazioni induttive sono finite , una metà dell 'abbozzo dell 'arto viene distrutta in una fase precoce, l'altra metà produce un arto completo . Inversamente, se
due abbozzi di arto vengono fusi insieme, non si ottengono degli arti duplici o composti, ma un arto solo e di dimensioni normali.
Ciò dimostra che l'abbozzo dell'arto ha delle capacità di organizzazione che so-
I I
(Il
"00
o
'O
:§
E
2-
Q
\J
tiu
c:
o
u
no diverse da quelle induttive, perché nel caso dell'induzione se un passo della sequenza è saltato quello successivo non viene fatto. Un altro esempio di queste proprietà è fornito dallo sviluppo del ｾ ｯｲ･Ｎ＠
Questo organo, pur essendo singolo e mediano, viene formato da due abbozzi, uno d_estro e l'altro sinistro, che convergono
fra .di loro <:.. si fondono' 2 e la fusione viene impedita, però, interponendo una piccola barriera o praticando un'incisione, ciascuna metà forma un cuore completo,
pulsante e perfettamente funzionale (figura 6).
Sia gli abbozzi dell'arto che gli abbozzi del cuore, pertanto, hanno la proprietà
che una parte può riformare il tutto , e che un eccesso di parti può essere abolito , in
modo da annullare un grande numero di deviazioni possibili e ricondurre lo sviluppo al tipo normale. ｾ･ｳｴ｡＠
proprietà di correzione delle deviaziQni è stata chiamata
ｾ ｧＹＮＡ｡ｺｩｯｮ･
Ｌ＠ e poiché ogni organo sembra derivare da un 'area dotata di regolazioｾ＠
si dice che l'embrione è suddiviso in aree organogenetiche, o campi ｭｯｲｦｧｾﾭ
netici.
Più precisamente, si é visto che il numero delle aree dotate di regol a zio ne aumenta durante lo sviluppo e contemporaneamente si restringe il loro campo d'azione . All'inizio, l'intero embrione è , in molte specie, un unico campo morfogenetico,
capace di riformarsi dalle sue parti. Se un embrione allo stato di 2 o 4 cellule viene
DD
Il cuore ha origine da due
abbozzi separati che normalmente si fondono sulla linea
mediana. Se tale fusione viene
impedita, ciascuno dei due abbozzi si comporta come un
campo morfogenetico (una
regione dove una parte può ricostruire il tutto) e dà origine
a un cuore completo. La figura illustra un esperimento eseguito su un embrione di pollo
di 2 giorni (fotografia di De
Haan, 1959).
12
)/idissociato , ciascuna delle sue cellule può formare un embrione intero. Questo è il
rimo , e il più famoso , esempio di regolazione , e venne scoperto da Hans Driesch
nel 1892.
In alcuni organismi, le proprietà di regolazione persistono anche nel corso della \
vita adulta, il che spiega la capacità di rigenerazione di vari organi come la coda o
gli arti nelle salamandre. In genere, però, negli animali superiori esse esistono soltanto durante brevi fasi dello sviluppo embrionale, e accompagnano la formazione
degli organi fino a quando questi sono completamente formati, come un meccanismo di protezione che ha ｬ Ｇ ｩｮ｣｡ｲ
ｾ＠ di assicurare uno sviluppo normale in un certo
arco di tempo e poi viene abbandonato.
Al contrario di quanto è successo per l'induzione, il concetto di regolazione e di
campo morfogenetico è stato difficile da tradurre in meccanismi molecolari, e per
questo motivo resta ｴｵｯｲ｡
ｾＡｖ＠
È importante sottolineare, però,
che la realtà sperimentale della regolazione è indiscutibile, ed è proprio essa che dà
stabilità allo sviluppo embrionale. Le deviazioni, gli errori e i danni possibili, infatti,
sono talmente numerosi che se nonｾ
｟ｾ
ｯｬ｡ｺｩｮ･＠
beIlpoan emBrioni riuscirebbero a port<rre a termine uno sviluppo normale. - - -'
L'organizzazione spaziale
o
2
'6.
cv
u
(il pattern)
Abbiamo visto che durante lo sviluppo le cellule vanno incontro a processi di ､ｩｦ･ｾ＠
renziamento istologico, ma questi non bastano a spiegare ciò che succede. Fra il
braccio e la gamba, per esempio, o fra il braccio destro e quello sinistro, non ci Soc
no differenze di tessuti istologici, e le diversità che si osservano sono dovute esclusivamente al fatto che gli stessi tipi di cellule vanno a disporsi in modo diverso nelquindi il problema di capire quali
lo spazio durante la formazione degli arti. ｓｾｲｧ･＠
sono i processi responsabili dell'organizzazione spaziale delle cellule. Questo problema è stato al centro di uno dei più importanti dibattiti dell'embriologia del nostro secolo, e su di esso si sono sCfòntrate due concezioni profondamente diverse
dello sviluppo.
Secondo una prima teoria, l'organizzazione spaziale delle cellule non richiede
istruzioni specifiche ma è una conseguenza dell'ordine in cui si succedono i tre processi fondamentali dell'embriologia descrittiva: la crescita, il differenziamento istologico e la morfogenesi. Secondo la teoria alternativa, invece, questi processi non bastano e le cellule devono ricevere due diversi tipi di informazioni durante lo sviluppo:
uno riguardante il loro destino istologico e l'altro riguardante il loro destino spaziale.
In questo caso, esisterebbero due diversi tipi di geni della determinazione: i geni della determinazione istologica e i geni della determinazione spaziale, o geni delpattern . Questi ultimi geni trasporterebbero ciò che Lewis Wolpelt ha chiamato informaz ione posizionale, ossia istruzioni che specificano se la posizione delle cellule è
anteriore o posteriore, dorsale o ventrale, destra o sinistra, prossimale o distale.
13