LA TERZA SETTIMANA. La gastrulazione (si formano i 3 foglietti embrionali)

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1 LA TERZA SETTIMANA La gastrulazione (si formano i 3 foglietti embrionali)

2 Amnios ANT La comparsa della linea primitiva al 15 giorno indica l inizio della gastrulazione ipoblasto POST epiblasto Entoderma del sacco vitellino

3 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.

4 Ant. I movimenti delle cellule dell epiblasto durante la gastrulazione dei mammiferi Post. a) Formazione della linea primitiva e del nodo di Hensen (14-15 g) b) Formazione dell endoderma (15 g) c) Formazione del mesoderma (16 g)

5 Transizione epiteliomesenchimale (EMT) I movimenti delle cellule dell epiblasto comportano cambiamenti di forma, migrazioni e invaginazioni.

6 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

7 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.

8 ANT Membrana cloacale POST ANT con solco primitivo Membrana faringea Cavità amniotica Sacco vitellino Peduncolo di connessione Le frecce in (a) indicano la direzione di migrazione delle cellule del mesoderma. (b) mostra la formazione del processo cefalico. POST Allantoide 16 giorno: compaiono -membrane faringea e cloacale, dove non c è mesoderma interposto 17 giorno: -allantoide (induce la formazione di arterie e vene ombelicali)

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10 17 giorno proc. notoc. 16 giorno: compaiono -membrane faringea e cloacale, dove non c è mesoderma interposto 17 giorno: -allantoide (emopoiesi, arterie e vene ombelicali 17 giorno: le cellule che si invaginano attraverso il nodo di Hensen formano un cordone (processo cefalico o notocordale); le cellule che si invaginano lungo la linea primitiva si espandono in tutte le direzioni. 19 g: formazione dell area cardiogena; 22 g: setto trasverso.

11 Setto trasverso Membrana faringea Membrana cloacale

12 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 TGFbeta 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.

13 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

14 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. Colas A R et al. Genes Dev. 2012;26: November 14, by Cold Spring Harbor Laboratory Press

15 Sviluppo e regressione della linea primitiva Durante la 3^ l embrione si allunga (soprattutto l estremità cefalica). L invaginazione attraverso la linea primitiva continua fino alla 4^. Al 17 giorno la linea primitiva è lunga circa il 50% del disco embrionale; alla 4^ sarà solo il 15%. Linea e nodo primitivi scompaiono alla fine della 4^ (26 g). Residui eventuali portano a tumori sacro-coccigei comprendenti strutture ossee, nervose, peli, denti, ecc.

16 Teratoma (tumore con tessuti differenziati) sacro-coccigeo (1 su nati) 3 volte più frequente nelle femmine Può diventare maligno già nell infanzia; Soluzione: chirurgica.

17 2 1 Destino delle membrane bucco-faringea e cloacale 1. La m. bucco-faringea si aprirà alla 4^ (apertura della cavità orale) 2. La m. cloacale si dividerà alla 7^ 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.

18 Sviluppo della notocorda

19 Sacco vitellino 17 g Stadio di canale cordale 18 g Stadio di placca cordale Stadio di corda dorsale o notocorda 19 g I 3 stadi di trasformazione del processo cefalico in notocorda

20 Veduta schematica, in sezioni trasversali, di un embrione durante la gastrulazione Il passaggio dallo stadio di placca cordale a quello di corda dorsale inizia all estremità cefalica e si estende poi in senso craniocaudale

21 1 1. Sezione a livello di corda dorsale 2 2. Sezione a livello di placca cordale 3 3. Sezione a livello del nodo di Hensen 4 4. Sezione a livello della linea primitiva

22 Destino della notocorda (tessuto cordoide) residua solo il nucleo polposo dei dischi intervertebrali Allora, qual è la sua funzione?

23 Neurulazione La notocorda induce la formazione del neuroectoderma (sviluppo del sistema nervoso) C è un parallelismo tra l evoluzione della notocorda e della placca neurale

24 I 3 stadi di induzione dell ectoderma neurale (b) stadio di doccia neurale (19 g) (a) stadio di placca neurale (17 g) Pieghe neurali Chiusura del tubo: inizia dalla regione cervicale (c) stadio di tubo neurale (21 g)

25 Fotografia delle pieghe che trasformano la placca neurale prima in doccia e poi in tubo neurale

26 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)

27 Come le cellule si assemblano per formare un tessuto Alcune cellule inizialmente appartenenti al 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. Il disegno mostra la formazione di due strutture nervose chiamate 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

28 Sviluppo dell ectoderma neurale 17 gg 19 gg 22 gg 24 gg 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.

29 Il neuroporo anteriore si chiude, in media, al giorno 24 Il neuroporo posteriore si chiude al giorno 26

30 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

31 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.

32 Ultime notizie: L acido folico è importante anche nella dieta del papà La carenza di acido folico nella dieta dei padri nel periodo precedente il 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. Lambrotetal. Low paternal dietary folate alters the mouse sperm epigenome and is associated with negative pregnancy outcomes Nature Communications 4, Article number: 2889 doi: /ncomms3889 Published 10 December 2013

33 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. N.B.: Induzione=spinta verso il differenziamento

34 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.

35 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.

36 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.

37 Regolazione molecolare della neurulazione nella regione posteriore FGF, acido retinoico e WNT-3a sono responsabili dello sviluppo della regione posteriore (rombencefalo e midollo spinale)

38 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 epiteliomesenchimale (EMT) e migrano in varie direzioni del corpo.

39 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

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41 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).

42 Fotografia del mesoderma parassiale e del mesoderma intermedio che si formano ai lati del tubo neurale e della notocorda (fine della 3^ )

43 Fotografia al microscopio a scansione dei somiti che si formano ai lati del tubo neurale durante la 4^

44 Suddivisioni del mesoderma alla fine della 3^ Si formano 5 aree organo-formative: mesoderma cordale (dorsale) parassiale intermedio somatico splancnico