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