Post on 09-Jul-2020
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
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.
Aspetti generali dello sviluppo
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.
Movimenti delle cellule Aspetti generali dello sviluppo
Movie 22.1 wound healing
Movie 21.3 Drosophila development
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….
Aspetti generali dello sviluppo
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.
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
Aspetti generali dello sviluppo
Thomas, F. C. et al. J Cell Sci 2004;117:5599-5608
Immunofluorescence confocal microscopy of E-cadherin (A-H) and JAM-1 (I-P) staining patterns during preimplantation development
Movie 19.1 epithelial cells expressing green fluorescent cadherin
Classificazione dei processi mofogenetici,
movie 21.3 (drosophila development)
Segmentazione
Drosofila movie18.3
molluschi echinodermi
Aspetti generali dello sviluppo
Zebrafish
Segmentazione oloblastica
Segmentazione olobastica dell’uovo di
rana
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
La segmentazione produce molte cellule da una iniziale
Segmentazione meroblastica discoidale nell’uovo di pesce zebra
Movie 21.4
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.
I movimenti cellulari e la formazione
del corpo dei vertebrati
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
4hr pf 8hr pf
12hr pf 19hr pf
F-telophase II
M-decondensing
Pronuclear formation: formation of nuclear envelope
Pronuclear size increase
Pronuclei migrated to centre of zygote
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
Movie 21.2
Gastrula, una struttura tristratificata
La gastrulazione inizia con cambiamenti di
forma delle cellule al sito di blastoporo
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 N-
caderina nel sistema nervoso in sviluppo
Le cellule del tubo neurale hanno perso E-
caderina e hanno acquisito N-caderina
E-caderina N-caderina
Importanza delle N- caderine nella separazione dell’ectoderma
neurale da quello epidermico. Indotta mutazione delle N-
caderine 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)
creste neurali (blu)
Lo sviluppo embrionale è caracterizzato dalla migrazione cellulare
sacco vitelino
anticorpi contro le laminine (rosso)
cellule germinali primordiali (verde)
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