Dove originano i gameti?
Gametogenesi prenatale
Il processo di formazione dei gameti si avvia precocemente
durante lo sviluppo fetale (prima settimana nel topo)
I gameti originano da
cellule progenitrici,
le cellule
germinali
primordiali (PGC).
Sono cellule
staminali
pluripotenti che si
evidenziano in
sede
extraembrionale
(foglietto
mesodermico) a
partire dal giorno
7-8
7 gg topo/13 maiale/21 donna
Embrione
topo
epiblasto
3
2
50
cellule
1
Bmp
ectoderma
Placenta e
annessi
1) La produzione da parte di cellule dell’ectoderma extraembrionale di elevati livelli di
proteine della famiglia delle Bone Morphogenetic prtoteins (Bmp) induce alcune cellule
del mesoderma poste nella parete del sacco vitellino a differenziarsi in cellule germinale
primordiali.
7 gg topo/13 maiale/21 donna
Embrione
topo
epiblasto
3
2
50
cellule
1
Bmp
ectoderma
Placenta e
annessi
2) Segnali provenienti dalle cellule vicinorie spingono le cellule PG a moltiplicarsi e
3) a migrare.
Gametogenesi
prenatale
• Le PGC
colonizzano le
primitive creste
genitali attraverso
un trasferimento
attivo avviato e
guidato da fattori
chemiotattici
Le PGC raggiungono le
primitive creste gonadiche
raggiungendo le gonadi
viaggiando attraverso la
parete del tratto intestinale
Durante la migrazione le PGC
continuano a moltiplicarsi
passando da alcune decine a
migliaia di unità (topo giorno 1012)
Durante la
migrazione le PGC
vanno incontro ad un
attivo processo di
demetilazione che
rimuove tutti i
marchi epigenetici
precedenti.
Il silenziamento sesso specifico degli imprinted
genes nella cellula uovo avviene durante la fase di
accrescimento/maturazione
Perché demetilare il genoma delle PGC?
Ab anti 5 methyl cytosine
Early differentiated PGC
Specialized PGC
Embryo
development
Fetal life
Psot natal
life
Igf2
H19
Igf2
H19
Igf2
H19
Somatic cell
La cellula uovo al
termine del
processo di
differenziamento
avrà il genoma
totalmente
silenziato ed
alcuni geni
soggetti ad
imprinting che lo
rimarranno
anche dopo la
fecondazione. I
geni soggetti ad
imprinting
materno non
sono silenziati
nello spz e
viceversa.
Gameti
Swales A K E , Spears N Reproduction 2005;130:389-399
© 2005 Society for Reproduction and Fertility
Somatic cell
Alla
fecondazione si
ricostituisce un
genoma
totalmente
somatico
perché si
fondono i due
genomi
complementari
materno e
paterno
Swales A K E , Spears N Reproduction 2005;130:389-399
© 2005 Society for Reproduction and Fertility
Somatic cell
Tutte le cellule
che andranno a
costituire i
tessuti
dell’embrione/f
eto
manterranno
questo genoma.
Swales A K E , Spears N Reproduction 2005;130:389-399
© 2005 Society for Reproduction and Fertility
Somatic cell
Differentemente
le cellule
germinali
andranno
incontro ad un
attivo processo
di
demetilazione
volto a
cancellare gli
imprinting
imposti
precedetemente
ed a ristabilire
una metilazione
sesso specifica.
Swales A K E , Spears N Reproduction 2005;130:389-399
© 2005 Society for Reproduction and Fertility
Se la cellula
andrà
incontro al
differenziame
nto in senso
oogenico,
dopo la
nascita, si
avvierà il
processo di
silenziamento
dei geni
soggetti ad
imprinting
materno
attraverso la
loro
metilazione.
Somatic cell
Swales A K E , Spears N Reproduction 2005;130:389-399
© 2005 Society for Reproduction and Fertility
Global DNA methylation
in imprinting genes
Evoluzione del livello di metilazione nei
geni soggetti ad imprinting durante le
diverse fasi di sviluppo dell’organismo
PGc
Post natal
life
Foetal life
Trasformazione PGC in gameti
PGC
Germ cell
Le cellule somatiche
presenti nelle creste
genitali sono responsabili
della differenziazione
sessuale dell’embrione .
Esse, inoltre,
determineranno la
trasformazione delle
PGC in spermatozoi o
oociti.
Un gene situato sul cromosonma Y
delle cellule somatiche presenti nelle
creste genitali promuoverà le
differenziazioni sesso specifico
germ cell
La sua trascrizione avvia il
differenziamento
in senso maschile.
Somatic
cells
differenziated germ cell
Differenziated somatic cells
La mancata del gene posto sul cromosoma
Y trascrizione promuove la trasformazione
in senso femminile.
Trasformazione PGC in gameti
Le cellule somatiche che esprimono un
gene postosul CROMOSOMA Y si
trasformano in cellule del Sertoli che
sono le principali cellule di sostegno
presenti nel testicolo
1) Le cellule del Sertoli poi avviano le
trasformazioni delle altre
cellule.presenti nelle creste genitali
- Trasformazione delle PGc in
spermatogoni
- Trasformazione di alcune cellule
somatiche in cellule di Leydig
(testosterone ).
Le cellule del Sertoli sono
responsabili del
differenziamento degli
organi genitali interni in
senso maschile
1) Sintetizzano l’ormone anti
Mullerian che fa
degenerare questi dotti
da cui prenderebbero
origine utero ovidotto
2) Le cellule del Sertoli fanno
differenziare nella
Development
gonade cellule secernenti
of the
Internal
testosterone
(cellule di
Leydig ).
Genitalia
3) Il testosterone secreto
dalle cellule del Leydig
stimola la
differenziazione delle
ghiandole annesse tratto
genitale maschile ed
evita la degenerazione
dei tubuli seminiferi
INDIFERENT STAGE
Mesonephric duct
Mullerian duct
Gonad
Mesonephric tubules
FEMALE
MALE
Testis
Ovary
Urogenital
sinus
Efferent ductules
Vas deferens
Degenerating
Mullerian
duct
Uterine
tube
Seminal
vescicle
Uterus
8-10 WEEKS
Vagina
Degenerating
Mesonephric
duct
Seminal
vescicle
Vas deferens
Urethra
Efferent
ductules
Prostate
Bulbo-urethral
gland
Epididymis
Testis
Epoophoron
Ovary
Uterus
Uterine tube
NEAR TERM
Vagina
Vestibule
INDIFERENT STAGE
Mesonephric duct
Mullerian duct
Gonad
In assenza della trascrizione
del gene posto sul
cromosoma Y le creste
genitali si differenziano in
senso femminile
Mesonephric tubules
FEMALE
MALE
Testis
Ovary
Urogenital
sinus
Efferent ductules
I tubuli seminiferi
degenerano.
Dal dotto di Muller si
differenziano utero e
ovidotto.
In assenza del testosterone
non si sviluppano le
ghiandole annesse
Vas deferens
Degenerating
Mullerian
duct
Uterine
tube
Seminal
vescicle
Uterus
8-10 WEEKS
Vagina
Degenerating
Mesonephric
duct
Seminal
vescicle
Vas deferens
Urethra
Efferent
ductules
Prostate
Bulbo-urethral
gland
Epididymis
Testis
Epoophoron
Ovary
Uterus
Uterine tube
NEAR TERM
Vagina
Vestibule
Il gene SRY posto sul cromosoma Y
determina il sesso dell’embrione
SRY = Sex-determining Region of Y
• Il gene SRY posto sul cromosoma Y è determinante per la differenziazione del sesso.
• Se una cellula somatica posta nelle creste genitali ha un cromosoma Y queste si trasformano
in testicoli anche se fossero presenti più cromosomi X.
• In assenza del cromosoma Y la trasformazione gonadica procede spontaneamente verso l’
ovaio (anche con un solo X)
Quindi è lo spermatozoo che determina il sesso dell’embrione dopo la
fecondazione
Il solo gene SRY determina
il sesso
Sex-determining region of Y
Prova sperimentale:
Il gene SRY introdotto in uno zigote
con un corredo XX.
Il topo transgenico si sviluppa in
senso maschile anche se mancano
tutti gli altri geni che compongono il
cromosoma Y.
X
X
Gametogenesi prenatale
• Nel topo al giorno 13-14 p.c. la mitosi cessa e le cellule
germinali in fase G2 del ciclo cellulare entrano definitivamente
in meiosi (profase prima della ciclo meiotico)
• Il passaggio dalla fase di proliferazione mitotica alla meiosi
segna la transizione da oogoni ad oociti
GV oocyte
Gametogenesi postnatale
• Gli oogoni in prossimità della
nascita (topo) o nei giorni
immediatamente dopo
(mammiferi di media taglia)
escono dal ciclo mitotico ed
entrano in quello meiotico
trasformandosi in oociti.
Progrediscono quindi attraverso
le prime fasi della profase I
(leptotene, zygotene, pachitene,
diplotene) per arrestarsi nella fase
iniziale del diplotene.
Trasformazione degli oogoni in
oociti
1. Oogoni entrano in
meiosi lasciando il ciclo
mitotico dalla fase G2.
In questa fase il DNA è
duplicato
Il ciclo cellulare si realizza attraverso quattro fasi successive:
Fase G1: la cellula figlia diploide (corredo cromosomico 2n) si è formata
dopo la divisione cellulare della cellula madre . Durante questa fase la
cellula aumenta di dimensione
Fase S o di sintesi: la cellula avvia il suo ciclo cellulare e duplica il DNA
Fase G2: la cellula verifica che il DNA sia stato correttamente duplicato.
Fase M: la cellula ripartisce il suo corredo genomico nelle due cellule
figlie ricostituendo due cellule a corredo genomico n
G1
S
G2
Cariotipo in fase G1 del ciclo
Cariotipo Umano
Cellula diploide n=2
Il corredo diploide si compone
di 46 cromosomi di cui:
22 coppie di cromosomi
omologhi o autosomi
e
1 coppia di cromosomi sessuali
1p
2m
1m
2p
n= 2
1p 1p
1m 1m
G1
1m
S
1p
G2
n= 2
DNA =2
1p 1p
1m 1m
G1
S
G2
I cromatidi fratelli che originano
dopo la duplicazione del DNA sono
mantenuti uniti da proteine, le
coesine.
n= 2
DNA =2
1p
2m
1m
1p 1p
2p
1m 1m
n= 2 DNA=1
G1
S
n= 2
G2
DNA =2
Durante la mitosi il materiale genomico duplicato viene equamente
ripartito ai poli della cellule madre che poi si divide (citocinesi)
1p
1p
1m
1m
n= 2
DNA=1
1p
1m
n= 2
DNA =2
La mitosi è il processo di
divisione cellulare che
garantisce la
conservazione e
distribuzione dello stesso
numero di cromosomi da
una cellula all’altra
(oogone vs due oogoni
figli).
Il materiale cromosomico
si raddoppia una volta
(fase S) e la cellula si
divide una volta (fase M).
n=2
n=2 e DNA=2
n=2 e DNA=1
Trasformazione da oogoni ad
oociti
L’oogone entra in meiosi lasciando
il ciclo mitotico in fase G2
1m
1m 1m
1p 1p
n= 2
DNA =2
1p
La meiosi è il processo di divisione cellulare che porta
alla costituzione di cellule aploidi.
Le uniche cellule aploidi sono i gameti.
Il materiale cromosomico si raddoppia una volta (fase S
degli oogoni) e la cellula si divide due volte.
2n
n=2 e DNA=2 (Oogone premeiotico)
n=1 e DNA=2 (Oocita MII)
n=1 e DNA=1 (Oocita fecondato)
La meiosi nella cellula uovo si realizza attraverso il susseguirsi
di diverse fasi e due successive divisioni:
1. Profase I (leptotene, zigotene, pachitene, diplotene)
2. Prometafase I (GVBD; germinal vescicle break
down)
3. Metafase I
4. Anafase I (segregazione)
5. Telofase I
6. Citocinesi I (estrusione first
polar body )
7. Profase II
8. Prometafase II
9. Metafase II
10.Anafase II (segregazione)
11.Citocinesi II (estrusione second polar body )
Zigote (second polar body)
Differenziazione oogone-oocita
Profase I: lunga fase della meiosi durante la quale si ha il riconoscimento
dei cromosomi omologhi duplicati che si appaiono.
La profase è divisa tradizionalmente in cinque fasi:
Leptotene, zigotene, pachitene, diplotene, diacinesi
G2
leptotene
Esce dalla mitosi
Cromosomi replicati ma
non visibili
Cromosomi diventano
visibili come lunghi
filamenti
Profase I
zigotene
pachitene
I cromosomi si accorciano ulteriormente e si
costituisce il sinaptonema, un complesso
proteico che appaia i cromosomi omologhi
duplicati . Il processo si completa in pachitene
L’oocita che entra in meiosi durante il pachitene-zigotene appaia i
cromosomi omologhi grazie ad un complesso molecolare di raccordo
1m
1m 1m
1p
n= 2
DNA =2
1p 1p
Sinaptonema
Oogone
1m 1m
1p 1p
n= 2
DNA =2
Oocita Profase I
(pachitene)
1m
1p
La profase si divide in 5 fasi che sono appunto corrispondenti ai
cambiamenti morfologici associati alla formazione (sinapsi) e
degradazione (desinapsi) del complesso sinaptonema
Sinaptonema: complesso proteico a forma di scala che unisce due cromosomi
omologhi duplicati.
.
Il complesso macromolecolare è
costituito da
•
Proteine strutturali e
•
Proteine enzimatiche.
Fra quest’ultime ci sono i noduli di
ricombinazione, larghi complessi
proteici posti ad intervalli regolari
sul sinaptonema. Essi possono
scindere la doppia elica del DNA e
consentire l’unione (cross reazione)
fra catene di DNA poste su due
diversi cromosomi omologhi attigui.
1m
1p
1m
1m 1m
1p 1p
Oocita Profase I
(zigotene/pachitene)
1p
La profase si divide in 5 fasi corrispondenti ai cambiamenti morfologici
associati alla formazione (sinapsi) e degradazione (desinapsi) del
complesso sinaptonema
L’appaiamento dei cromosomi omologhi durante le prime fasi della meiosi
consente che fra essi si realizzi un processo di ricombinazione genica
(crossing over) che è alla base dell’alta variabilità genetica dei gameti
Crossing Over
• Il crossing-over è l'importante
meccanismo di ricombinazione di
informazioni geniche fra i
cromosomi dei due genitori
• Come risultato, il figlio eredita una
mescolanza casuale dei caratteri
della madre e del padre.
• In tutti gli organismi che si
riproducono in modo sessuato,
perciò, grazie al crossing over
saranno molto diversi fra loro. Il
crossing over è responsabile della
variabilità genetica degli individui
che appartengono alla stessa specie.
Trasformazione da oogoni ad oociti
INTERFASE G2
n= 2
DIPLOTENE
ZIGOTENE/PACHITENE
DNA =2
Profase: pachitene
Crossing over
Il crossing over garantisce una casuale ricombinazione
genica fra alleli di cromosomi omologhi che durate il
pachitene si appaiano
Profase: diplotene
Fase di arresto del ciclo meiotico
In diplotene il sinaptonema si degrada ed i cromosomi
rimangano uniti dai chiasmi che si originano nei punti di
ricombinazione. I chiasmi appaiono per la prima volta
Cromosoma
1m 1f
Fase G2
Fase G2
Entrata in meiosi
(Profase)
Crossing over durante la profase
Ricombinazione genica fra
cromatidi omologhi
Fase M
Fase M I
Fase M II
Riduzione corredo
cromosomico n
Fase G1
Corredo DNA 2n
Non si ha replicazione DNA
Cromatidi fratelli si riallineano
sul fuso
Fecondazione
Fase S
Ripristino corredo
cromosomico 2 n
Corredo DNA n
Le divisioni meiotiche consentono di aumentare
ulteriormente la variabilità genetica dei gameti
Cellula con corredo
cromosomi n=2 (due
coppie cromosomi)
Gameti possibili n=22
La I divisione meiotica consente di aumentare
ulteriormente la variabilità genetica dei gameti
Cellula con corredo
cromosomi n=3 (tre coppie
cromosomi)
Gameti possibili n=23
La I divisione meiotica consente di aumentare
ulteriormente la variabilità genetica dei gameti
Quindi da un oocita umana che contiene 23 cromosomi
dalla segregazione meiotica possono formarsi
223 diverse combinazioni genomiche quindi:
8x106 diversi gameti
Oogenesi postanatale
• Alla nascita le ovaie
contengono un numero fisso
di oociti poiché il ciclo
meiotico interrompe la
moltiplicazione cellulare.
• Gli oociti sono cellule
indifferenziate di piccole
dimensioni, incompetenti
meioticamente, e prive di
marchi epigenetici sul DNA.
Oogenesi postanatale
• Gli oociti sono contenuti in
follicoli immaturi
(primordiali) e rimarranno
meioticamente quiescenti
per mesi/anni, fermi allo
stadio di profase (diplotene).
• Gli oociti durante le prime
fasi della meiosi (leptotene,
zigotene, pachitene e
diplotene) hanno modificato
il loro corredo genomico
originario attraverso un
meccanismo attivo di
ricombinazione genica
Gametogenesi
•
Solo al termine
dell’accrescimento che si
completa nel topo nella
fase di transizione da
follicolo preantrale a
follicolo antrale (circa 20
gg) mentre nei mammiferi
di media taglia nei follicoli
antrali di medio diametro
(circa 2-4 mesi), l’oocita
diventa capace di
riprendere la
progressione meiotica.
Oogenesi postanatale
• Il ciclo meiotico verrà però
riavviato solo quando l’oocita
si troverà all’interno di un
follicolo preovulatorio e
riceverà il picco delle
gonadotropine.
Oogenesi postanatale
• La ripresa del ciclo meiotico
avviato dal picco delle
gonadotropine porterà la
cellula uovo matura ad
aploidizzare il suo corredo
genomico ed aumentare
ulteriormente la sua
variabilità genomica.
Oogenesi postanatale
• L’oocita con corredo genomico
aploide fondendosi con lo spz riduce
anche il suo contenuto di DNA e in
poche ore (16-18 ore) attraverso il
processo di singamia intraprende il
ciclo mitotico embrionale.
LH
