LA TERZA SETTIMANA

La gastrulazione

(si formano i 3 foglietti embrionali)

Amnios

epiblasto

ipoblasto Entoderma del

sacco vitellino

POST

ANT

La comparsa della

linea primitiva al 15°

giorno indica l’inizio della gastrulazione

LA TERZA SETTIMANA

• Movimenti cellulari (frecce) nell’epiblasto prima (A) e dopo (B) la comparsa della linea primitiva.

• Estesi movimenti simmetrici e bilaterali di cellule verso il bordo

posteriore del disco, dove origina la linea primitiva, si combinano con

movimenti in direzione cefalica lungo la linea mediana. Cause e

meccanismi restano ancora sconosciuti.

LA TERZA SETTIMANA

a) Formazione della linea

primitiva e del nodo di

Hensen (14°-15° g)

c) Formazione del

mesoderma (16° g)

b) Formazione

dell’endoderma (15° g)

I movimenti

delle cellule

dell’epiblasto durante la

gastrulazione

dei mammiferi

Ant.

Post. LA TERZA SETTIMANA

Transizione

epitelio-

mesenchimale

(EMT)

I movimenti delle cellule dell’epiblasto comportano cambiamenti di forma, proliferazioni, migrazioni e invaginazioni.

LA TERZA SETTIMANA

• EMT: le cellule epiteliali cambiano forma:

cellule epiteliali a fiasco aspetto stellato delle cellule mesenchimali (sono staminali pluripotenti) migranti (modifiche in: adesione, caderine, citoscheletro).

• Al termine della EMT, le cellule mesenchimali possono assumere di nuovo un aspetto epiteliale (transizione mesenchimale-epiteliale, MET)

• EMT coinvolta in: organogenesi, sviluppo tumori

LA TERZA SETTIMANA

Regolazione molecolare della EMT

• I segnali molecolari responsabili della induzione

di EMT e, quindi, della formazione di endoderma

e mesoderma, verrebbero innescati da molecole

appartenenti alla superfamiglia del transforming

growth factor-beta (TGF-beta). Altri segnali

induttivi (quali quelli del fibroblast growth

factor o FGF) sono coinvolti nella organizzazione

e nel mantenimento dell’endoderma più che nella sua induzione.

Segnali molecolari regolano la

formazione della linea primitiva

• In cellule della zona posteriore dell’epiblasto che entrano a far parte della

linea primitiva stessa, si esprimono geni appartenenti alla famiglia del TGF-beta come nodal, Wnt e bone morphogenetic proteins (BMPs). Anche FGF, interessato alla formazione del mesoderma ed alla organizzazione dell’endoderma, collabora con nodal per la formazione della linea primitiva.

• Ma come mai la linea primitiva non si forma nella parte anteriore dell’epiblasto e resta confinata alla parte posteriore? Da studi eseguiti nel pollo, si è scoperto che la parte cefalica dell’ipoblasto esprime geni che antagonizzano i segnali nodal e Wnt necessari per il programma di sviluppo del mesoderma. Ad esempio, geni come Dickkopf (Dkk1, che antagonizza Wnt), Cerberus 1 homolog (Cer1, che antagonizza nodal, BMP-4 e Wnt), e LEFTY1 (un gene della superfamiglia dei TGF-beta che antagonizza nodal) rivestono identico ruolo inibitorio nel pollo come anche in mammiferi quali il topo. La soppressione della formazione del mesoderma nella regione cefalica dell’embrione spiegherebbe così la comparsa e lo sviluppo della linea primitiva nella sola regione posteriore, lasciando libera la regione anteriore di iniziare lo sviluppo della testa.

LO SVILUPPO

DELL’EMBRIONE DIPENDE ANCHE DAL microRNA

• Il microRNA è un ssRNA di circa 22-nucleotidi che si lega a molti mRNA silenziandone la traduzione. Un tempo ritenuto privo di funzioni, si scopre oggi in grado di regolare una delle fasi più delicate dello sviluppo dell’embrione. Lo afferma uno studio del Sanford Children’s Health Research Center pubblicato dalla rivista Genes and Development. Il microRNA serve per allocare le cellule embrionali nelle tre diverse linee di ectoderma, mesoderma ed endoderma. Per verificare l’influenza del microRna i ricercatori ne hanno studiato circa 900 tipi contenuti nel genoma umano. Dai vari test è emerso che due famiglie di microRNA bloccano la formazione dell’endoderma favorendo invece la formazione delle altre due linee cellulari.

• Per approfondimenti

• paper

miR control of germ layer segregation in vertebrate embryos. let-7 and miR-18 family members repress Acvr1b and Smad2 protein production, rendering cells less sensitive to

Nodal signaling and sharpening a border between endoderm versus ectoderm and mesoderm.

©2012 by Cold Spring Harbor Laboratory Press

Colas A R et al. Genes Dev. 2012;26:2567-2579 November 14, 2012

LA TERZA SETTI MANA

ANT

POST

ANT

con solco

primitivo

Sacco

vitellino

Cavità amniotica

Peduncolo di

connessione

16° giorno:

compaiono

-membrana

faringea e

membrana

cloacale, dove

non c’è mesoderma

interposto

17° giorno:

-allantoide

(induce la

formazione di

arterie e vene

ombelicali)

Le frecce in (a) indicano la direzione di

migrazione delle cellule del mesoderma.

(b) mostra la formazione del processo cefalico.

Membrana

faringea

Membrana

cloacale Allantoide

POST

Processo

cefalico

LA TERZA

SETTIM..

LA TERZA SETTIMANA

17° giorno:

1. le cellule che si

invaginano attraverso il

nodo di Hensen formano un

cordone (processo cefalico

o notocordale);

2. le cellule che si

invaginano lungo la linea

primitiva si espandono in

tutte le direzioni.

19° giorno

formazione dell’area cardiogena;

22° giorno

setto trasverso.

17 giorno

pro

c.

noto

c.

16° giorno: compaiono

-membrane faringea e cloacale, dove non c’è mesoderma interposto

17° giorno:

-allantoide (emopoiesi, arterie e vene ombelicali)

LA TERZA

SETTI……NA

GAST-high.mov

Setto

trasverso

Membrana

faringea

Membrana

cloacale

Area

cardiogena

LA TERZA

SETTIMANA

Sviluppo e regressione della linea primitiva

• Durante la 3^ settimana l’embrione si allunga (soprattutto l’estremità cefalica). L’invaginazione attraverso la linea primitiva continua fino alla 4^ settimana. Al 17° giorno la linea primitiva è lunga circa il 50% del disco embrionale; alla 4^ settimana sarà solo il 15%. Linea e nodo primitivi scompaiono alla fine della 4^ settimana (26° g).

• Residui eventuali portano a tumori sacro-coccigei comprendenti strutture ossee, nervose, peli, denti, ecc.

50%

15%

LA TERZA SETTIMANA

+ • Teratoma (tumore con tessuti differenziati) sacro-coccigeo (1 su 35.000 nati)

• 3 volte più frequente nelle femmine

• Può diventare maligno già nell’infanzia;

• Soluzione: chirurgica.

LA TERZA

SETTIMANA

Destino delle membrane

bucco-faringea e cloacale

1. La m. bucco-faringea si aprirà alla 4^

settimana (apertura della cavità orale)

2. La m. cloacale si dividerà alla 7^

settimana in una membrana urogenitale

e in una membrana anale. L’apertura verso l’esterno del tratto urogenitale e del canale anale si avrà solo con la

perforazione di tali membrane alla fine

del secondo mese.

1

2

Sviluppo della notocorda

17° g

18° g

19° g

Stadio di placca

cordale

Stadio di corda dorsale

o notocorda

Sacco vitellino

Stadio di canale cordale

I 3 stadi di trasformazione del processo cefalico in notocorda

• Il passaggio

dallo stadio di

placca cordale a

quello di corda

dorsale inizia

all’estremità cefalica e si

estende poi in

senso cranio-

caudale

Veduta schematica, in sezioni trasversali, di

un embrione durante la gastrulazione

1

2

3

4

1. Sezione

a livello di

corda

dorsale

2. Sezione

a livello di

placca

cordale

3. Sezione a

livello del nodo

di Hensen

4. Sezione a

livello della linea

primitiva

Destino della notocorda (tessuto cordoide)…

Allora, qual è la sua funzione?

…residua solo come nucleo polposo

dei dischi intervertebrali

LA TERZA SETTIMANA

La notocorda induce la formazione

del neuroectoderma

(sviluppo del sistema nervoso)

C’è un parallelismo tra l’evoluzione della notocorda e della placca

neurale

Neurulazione

(a) stadio di placca

neurale (17° g)

(b) stadio di

doccia neurale

(19° g)

(c) stadio di

tubo neurale

(21° g)

I 3 stadi di induzione

dell’ectoderma neurale

Pieghe

neurali

Chiusura

del tubo:

inizia dalla

regione

cervicale

Fotografia delle pieghe che trasformano la placca neurale prima

in doccia e poi in tubo neurale

LA TERZA SETTIMANA

Cellule delle creste neurali

Le cellule delle creste neurali

subiscono una transizione

epitelio-mesenchimale (EMT)

e migrano in

varie direzioni del corpo per

formare strutture molto diverse

(quasi un 4° foglietto

embrionale)

Come le cellule si assemblano per formare un tessuto

Alcune cellule del tubo neurale modificano le loro

proprietà di adesione e si distaccano dall’epitelio per

formare le creste neurali sulla superficie superiore del

tubo neurale. In seguito, le cellule migrano nell’embrione

e formano una varietà di tipi cellulari e di tessuti.

Gangli nel SNP. Nel ganglio,

altre cellule delle creste

neurali differenziano e

diventano cellule di sostegno

(satelliti) che circondano i

neuroni. Le cellule delle cr.

neurali migrano in gruppetti

e proliferano rapidamente

durante la migrazione.

Tratto da: Cell-Cell

Adhesion

LA TERZA SETTIM…

Lo sviluppo delle pieghe neurali. (a) Stadio di

placca neurale, a 17 giorni; (b) stadio di doccia

neurale, a 19 giorni; (c) stadio di tubo neurale, a

22 giorni; (d) stadio di tubo neurale, a 24 giorni.

17 gg Sviluppo

dell’ectoderma

neurale

19 gg 22 gg

24 gg

LA TERZA SETTIMANA

Il neuroporo

anteriore si

chiude, in

media, al giorno

24

Il neuroporo

posteriore si

chiude al giorno

26

Neuropori

anteriore e

posteriore.

Embrione umano

al giorno 25.

LA TERZA

SETTIMANA

Correlazioni cliniche

• Mancata chiusura del neuroporo posteriore: spina bifida o mielomeningocele (circa 1 feto su 1000). Il midollo spinale fuoriesce dalla colonna vertebrale lesioni neurologiche con perdita di funzionalità a carico degli arti inferiori, incontinenza urinaria e fecale. Una delle cause: deficit di acido folico in gravidanza

LA TERZA SETTIMANA

Correlazioni cliniche

• Mancata chiusura del neuroporo anteriore=anencefalia, con grave

deficit di sviluppo dell’encefalo e delle ossa del cranio. Colpisce (circa 1 feto su 1000); incompatibile con la vita post-natale.

La carenza di acido folico nella dieta dei padri nel periodo

precedente al concepimento può portare a gravi

malformazioni del nascituro, esattamente come accade per la

stessa carenza nella dieta della madre durante la gravidanza. Il

fenomeno è legato ad alterazioni nella capacità di espressione

dei geni sui cromosomi presenti negli spermatozoi

Riferimento bibliografico:

R. Lambrot et al.

Low paternal dietary folate alters the mouse sperm epigenome and is associated with negative pregnancy outcomes

Nature Communications 4, Article number: 2889 doi:10.1038/ncomms3889 Published 10 December 2013

Il parallelismo tra l’evoluzione della notocorda e della placca neurale si

spiega perché:

il cordo-mesoderma induce* l’ectoderma a differenziarsi in tessuto nervoso.

*Induzione=spinta verso il differenziamento

L’INDUZIONE DEL SISTEMA NERVOSO E’ REGIONALIZZATA

• Trapiantando pezzettini della regione cefalica

della notocorda in posizione caudale, vengono

indotte strutture cerebrali dove, invece, dovrebbe

formarsi midollo spinale e viceversa.

• Questo fa supporre che il cordomesoderma emetta

un agente neuralizzante anteriore ed uno

posteriore a differenti combinazioni lungo gli assi

embrionali.

Regolazione molecolare della

neurulazione nella regione anteriore

• Ectoderma neurale (circa 50% del totale) tess. nervoso

• Ectoderma non neurale (circa 50%) epidermide;

• L’ectoderma viene indotto in senso epidermico da proteine della famiglia delle BMP (bone morphogenetic proteins,

superfamiglia dei TGF-beta, come ad es.: BMP-4).

• Dall’ectoderma possono formarsi strutture neurali solo se viene bloccata l’azione di BMP-4.

Regolazione molecolare della

neurulazione nella regione anteriore

• Ad es., durante la induzione neurale del prosencefalo e mesencefalo, sia il nodo di Hensen che il mesoderma notocordale producono molecole come chordin, noggin e follistatina che inibiscono l’attività di BMP-4.

• In particolare, chordin e noggin legano il BMP-4 impedendogli di riconoscere il recettore specifico mentre la follistatina formerebbe complessi di trimeri inattivi.

• Poiché BMP-4 non può agire, può aver via libera il programma di espressione di geni neurali specifici (come, ad esempio, N-CAM).

• La parte di ectoderma che non riceve segnali che bloccano BMP-4 è indotta a formare epidermide.

• FGF, acido retinoico e WNT-3a sono

responsabili dello sviluppo della regione

posteriore (rombencefalo e midollo spinale)

Regolazione molecolare della

neurulazione nella regione posteriore

Cellule delle creste neurali

• Sono indotte da segnali al confine tra neuroectoderma in formazione ed ectoderma non neurale. BMP, WNT ed FGF prodotti dall’ectoderma non neurale e dal mesoderma sottostante sono i segnali induttori: le cellule delle creste neurali subiscono una transizione epitelio-mesenchimale (EMT) e migrano in

varie direzioni del corpo.

Fotografia al microscopio a scansione della notocorda e del tubo neurale. La

rete di fibrille che li circonda ha un ruolo importante nelle interazioni cellulari

e nelle migrazioni della cresta neurale

LA TERZA SETTIMANA

Sviluppo del mesoderma

Sviluppo del mesoderma: suddivisione

in 5 aree organo-formative.

19° g

(a) Formazione

delle lamine

mesodermiche e

del processo

cefalico; (b)

ispessimento del

mesoderma

parassiale e

comparsa di cavità

intercellulari nel

mesoderma

laterale (frecce);

(c) formazione del

celoma embrionale

e separazione fra

mesoderma

somatico e

splancnico; (d)

completamento

della distinzione

fra 5 tipi di

mesoderma

(cordale,

parassiale,

intermedio,

somatico e

splancnico).

Fotografia del

mesoderma

parassiale e

del

mesoderma

intermedio

che si

formano ai

lati del tubo

neurale e

della

notocorda

(fine della 3^

settimana)

LA TERZA SETTIMANA

Fotografia al microscopio a scansione dei somiti che si formano ai

lati del tubo neurale durante la 4^ settimana

LA TERZA SETTIMANA

Suddivisioni del mesoderma alla fine

della 3^ settimana

• Si formano 5 aree organo-formative:

mesoderma cordale (dorsale)

parassiale

intermedio

somatico

splancnico

Qual è la causa di tutti questi

differenziamenti visti finora?

Alcune cellule dell’ipoblasto inducono le vicine cellule dell’epiblasto a diventare linea e nodo primitivi e a gastrulare. Si tratta della prima induzione che compare nell’embrione.

Quali molecole inducono in vivo

cellule dell’epiblasto a diventare linea primitiva e nodo di Hensen?

• Il transforming growth factor-beta

(TGFbeta) e il fibroblast growth factor

(FGF) sono le principali molecole induttrici.

Seconda serie di induzioni

• La notocorda viene suddivisa, da segnali (TGFbeta, FGF) provenienti dal nodo di Hensen, in regioni con diverse proprietà induttrici.

Terza serie di induzioni

• Segnali provenienti dalle regioni della notocorda inducono, a loro volta, l’ectoderma soprastante a formare parti diverse del sistema nervoso.

• Sui lati della notocorda, questi segnali inducono i diversi tipi di mesoderma.

Asimmetria sinistra-destra

(lateralizzazione)

• Le differenze tra parte destra e parte sinistra del corpo

sarebbero dovute ad un evento iniziale (symmetry breaking-

event)

• Una ipotesi suggerisce il ruolo delle monociglia (ciglio primario = 9+0 ) presenti su alcune cellule del nodo cefalico

La rotazione del ciglio avverrebbe in senso orario

dando luogo ad un gradiente (FLUSSO

NODALE) verso SX dei fattori (SHH = Sonic

Hedgehog e IHH=IndianHedgehog) responsabili

dell’induzione dell’espressione di Nodal

• a seguito di ciò Nodal prevale sul lato sinistro dell’embrione

• La maggiore espressione di Nodal nel mesoderma di sinistra si accompagna a maggiore

espressione di Lefty

• Ciò provoca a cascata l’espressione di PITX2 fattore che stabilisce la lateralità sinistra

Le isole sanguigne si

formano verso la metà della

3^ settimana di sviluppo (17-

18 gg) nel mesoderma

splancnico del sacco

vitellino.

Eritropoiesi

Gli emangioblasti periferici delle isole sanguigne diventano

angioblasti e formano la parete dei vasi vitellini. Le cellule più

interne diventano emoblasti, precursori degli eritroblasti

primitivi, poi eritrociti primitivi ed infine eritrociti definitivi,

senza nucleo. In seguito l’emopoiesi si sposta nel fegato, nella milza e nel midollo osseo.

emoblasti

Vasculogenesi

Il primo sistema vascolare si

forma alla fine della 3^

settimana.

Rete vascolare nel sacco vitellino, nel peduncolo

di connessione, nel corion, nell’embrione.

Gli angioblasti poi si

aggregano in vescicole dette

angiocisti. Queste si

dispongono in sequenze dette

cordoni angioblastici.

Vasculogenesi

E’ l’origine di vasi de novo.

Angiogenesi

Procede a partire da vasi

preesistenti

Apparato circolatorio primitivo (3^-4^

settimana)

Dal mesoderma

splancnico derivano sia

il sangue (dalle isole

sanguigne), che i vasi

sanguigni e gli abbozzi

del cuore (dagli

angioblasti).

Apparato circolatorio primitivo: cuore

tubulare e rete vascolare

-nel sacco vitellino,

-nel peduncolo di connessione,

-nel corion,

-nell’embrione.

Il primo sistema vascolare si

forma alla fine della 3^

settimana. Rete vascolare nel sacco vitellino, nel

peduncolo di connessione, nel corion,

nell’embrione.

Apparato

circolatorio

primitivo (3^-4^

settimana)

Il cuore

inizia a

battere al

22° giorno

e il sangue

a circolare

al 24°.

Fine 3^

settimana

4^ settimana

LA TERZA SETTIMANA