Meiosi e Gametogenesi

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1 Meiosi e Gametogenesi FONTI Colombo-Olmo Biologia Cellula e Tessuti: capitolo 10 (meiosi) Monesi Isologia: capitolo 18 (meiosi gametogenesi e fecondazione ). Disponibile in biblioteca Hyttel - Essentials of Domestic Animals Embryology: capitolo 4 e 5 (meiosi gametogenesi e fecondazione) (in inglese) Mitosi e Meiosi cellule somatiche e cellule germinali Cellule somatiche (tessuti e loro rigenerazione) Mitosi Cellule germinali (riproduzione sessuata) Meiosi 1

2 Mitosi e Meiosi cellule somatiche e cellule germinali DNA content 2C 4C 2C 1C Nella mitosi la duplicazione del DNA è seguita da una singola divisione cellulare, che genera 2 cellule diploidi identiche. Nella meiosi la duplicazione che avviene nella cellula germinale diploide è seguita da due cicli di divisione cellulare, per generare 4 cellule aploidi (non identiche alla cellula che le ha generate) Mitosi e Meiosi cellule somatiche e cellule germinali 2

3 Meiosi e Gametogenesi Meiosi: processo di divisione cellulare che porta alla formazione di cellule aploidi Gametogenesi: Processo che porta alla formazione delle cellule germinali mature o gameti Avviene nelle gonadi (testicoli e ovaie), Spermatozoi e ovociti (gameti, aploidi) (mammiferi) Meiosi Divisione cellulare che interessa solo le cellule germinali maschili e femminili: Quali novità e quali vantaggi? 1. Riduzione cromosomica (diploidia 2n > aploidia n) 2. Ricombinazione genica (assortimento casuale e crossing over) (> variabilità!) 3

4 Confronto mitosi e meiosi Gli omologhi (ciascuno costituito dai due cromatidi) si allineano all equatore del fuso meiotico I cromosomi (ciascuno costituito dai due cromatidi) si allineano individualmente all equatore del fuso mitotico Confronto mitosi e meiosi 4

5 Confronto mitosi e meiosi * *assortimento casuale > variabilità G2 stop Una sola duplicazione del DNA seguita da due divisioni nucleari successive G1 S 5

6 n G2 stop G1 2n S n G2 2C 1C stop 4C 2C G1 2n S *fa riferimento solo alla quantità di DNA, non al set di geni 6

7 Stadi della Meiosi MEIOSI I MEIOSI II Profase I Metafase I Anafase I Telofase I Profase II Metafase II Anafase II Telofase II Stadi della Meiosi Avviene il crossing over MEIOSI I MEIOSI II Profase I Metafase I Anafase I Telofase I Profase II Metafase II Anafase II Telofase II Leptotene Zigotene Pachitene Diplotene Diacinesi 7

8 Profase I Leptotene: i cromosomi (dicromatidici) diventano visibili e si raggruppano vicino all involucro nucleare Zigotene: avvicinamento degli omologhi Pachitene: appaiamento degli omologhi (bivalenti o tetradi) (complessi sinaptonemali) e crossing over Pre-leptotene: interfase Diplotene: allontanamento e inizio risoluzione dei chiasmi Diacinesi: condensazione dei cromosomi Ipotetico 3 paia di cromosomi omologhi Metafase I Metafase I * Telofase II * Molto breve / assente 8

9 Architettura della cromatina: DNA e Istoni L aumento di complessità del genoma si accompagna con un aumento del suo grado di organizzazione Nucleo DNA Cromatina Cromosoma Ricombinazione omologa (crossing-over) Scambio di materiale genetico tra cromatidi non fratelli, appartenenti a due cromosomi omologhi appaiati Formazione delle tetradi Come avviene? Complesso sinaptinemale (stabilizza l associazione dei cromosomi omologhi) NB: I cromatidi fratelli sono tenuti uniti dalle coesine fino alla metafase 9

10 Formazione dei chiasmi Verso la fine della profase I, il complesso sinaptinemale si disassembla permettendo agli omologhi di separarsi quasi in tutti I punti. OGGNI COPPIA DI OMOLOGHI RIMANE UNITA DAI CHIASMI > PUNTI IN CUI E AVVENUTO LO SCAMBIO DI DNA I chiasmi si risolvono in anafase I Conseguenze del crossing over alla Meiosi I: 10

11 Ricombinazione genica (assortimento casuale e crossing over ( > variabilità!) Nell uomo: 2 23 = 8,4 X 10 6 gameti diversi! 11

12 Profase Metafase 2 Cromatids Ciclo cellulare, cromosomi e mitosi A scanning electron micrograph of a human X chromosome. (Reproduced by permission of Photo Researchers, Inc.) 12

13 Ciclo cellulare, cromosomi e mitosi centromero A scanning electron micrograph of a human X chromosome. (Reproduced by permission of Photo Researchers, Inc.) 2 cromatidi 2 Cromosomi omologhi Cariotipo AUTOSOMI ETEROCROMOSOMI 13

14 Nome N. di coppie Specie comune cromosomiche Zanzara Culex pipiens 3 Mosca Musca domestica 6 Rospo Bufo americanus 11 Riso Oryza sativa 12 Rana Rana pipiens 13 Alligatore Alligator missisipiensis 16 Scimmia Rhesus Macaca mulatta 21 Grano Triticum aestivum 21 Uomo Homo sapiens 23 Patata Solanum tuberosum 24 Bovino Bos taurus 30 Asino Equus asinus 31 Cavallo Equus caballus 32 Cane Canis familiaris 39 Carpa Cyprinus carpio 52 Cariotipo 2 cromatidi centromero Cromosoma Cariotipo: caratteristiche del corredo cromosomico Autosomi (n coppie di cromosomi omologhi) Eterocromosomi (mammiferi X e Y) Telomeri Telocentrico Acrocentrico (bovino, pecora, capra) (dove si forma il complesso del cinetocore) 14

15 Cariotipo 15

16 Gametogenesi nei mammiferi Processo che porta alla formazione dei gameti (aploidi) maschili (spermatozoi) e femminili (ovociti); Avviene nelle gonadi (testicoli e ovaie) I gameti si formano nella pubertà ma il loro sviluppo inizia molto precocemente durante la vita embrionale. Dallo zigote si producono cellule pluripotenti (cellule embrionali staminali) dalle quali originano tutti i tessuti, incluse le cellule germinali nelle primissime fasi dello sviluppo embrionale: Cellule embrionali staminali> PGC > linea germinale > intera popolazione di cellule germinali nell adulto Nell embrione, le PGC migrano dall epiblasto fino a raggiungere la sede definitiva, ancor prima della formazione della cresta gonadica PGC Embrione 24 gg (da Witschi, 1946) Gametogenesi nei mammiferi Cellule embrionali staminali> PGC > linea germinale > intera popolazione di cellule germinali nell adulto 2 processi fondamentali: Divisione riduzionale (meiosi) Acquisizione delle specializzazioni cellulari, necessari per la fecondazione e embriogenesi. 16

17 Spermatogenesi nei mammiferi Homunculus, Nicolas Hartsoeker (1694) Stadi della Spermatogenesi Fase mitotica Speramtogoni As (staminali): si dividono indefinitamente (riserva di spermatogoni staminali). Alcuni As si dividono per originare ad altri As, altri si dividono per dare origine a spematogoni A1>A2>A3>A4> intermedi>b Meiosi Citodieresi incompleta (ponte citoplasmatico) Spermiogenesi Differenziamento di strutture specifiche (flagello, acrosoma etc) 17

18 Stadi della Spermatogenesi Stadi della Spermatogenesi Spermiogenesi Fase del Cappuccio: la vescicola si ingrandisce si dispone a riverstire 2/3 del nucleo apicalmente; il centriolo distale organizza il flagello Fase Acrosomale: modificazione acrosoma, inattivazione del nucleo, mitocondri alla base del flagello Fase del Golgi: formazione dei granuli pre-acrosomici che confluiscono nel granulo acrosomico Fase di maturazione: completamento trasformazione spermatidio in spermatozoo (poi ulteriori modificazioni funzionale lungo le vie spermatiche e nel tratti genitale femminile (vd capacitazione) 18

19 Stadi della Spermatogenesi Spermatozoo ialuronidasi e enzimi litici DNA altamente compattato (protamine) Spermatogenesi (nel testicolo) VIE SPERMATICHE (maturazione funzionale e trasporto verso l esterno); nell epididimo acquisiscono motilità Condotti convoluti formati da: epitelio seminifero pluristratificato (= cellule germinali a vari stadi di differenziamento + cellule di sostegno (Sertoli)) che poggia sulla m. basale AVVIENE LA PRODUZIONE DEGLI SPERMATOZOI 19

20 Spermatogenesi tubuli seminiferi Spermatogenesi tubuli seminiferi Cellule del Sertoli Sezione di tubulo seminifero Elementi somatici dell epitelio seminifero Grandi cellule di forma triangolare, con la base poggiata sulla lamina basale e apice verso il lume. Provviste di un complicato sistema di prolungamenti citoplasmatici che avvolgono le cellule germinali fino agli stadi finali della spermatigenesi, eccetto gli spermatogoni che poggiano direttamente sulla m. basale. Cellule adiacenti in comunicazione mediante giunzioni Gap (>coordinamento funzionale) 20

21 Spermatogenesi tubuli seminiferi Cellule del Sertoli - Barriera emato-testicolare SIGNIFICATO FUNZIONALE ANCORA POCO CONOSCIUTO Nella loro porzione basale le superfici laterali sono connesse da GIUNZIONI OCCLUDENTI > sigillano tra di loro le cellule, rendendo gli spazi intercellulari impermeabili > si crea un compartimento basale (spermatogoni e stadi meiotici iniziali) e uno adluminale - IMPEDISCE LA DIFFUSIONE DEI LIQUIDI INTERSTIZIALE E TUBULARE (prodotto dalle cell del Sertoli) - Si crea un microambiente dove avviene la meiosi e la spermiogenesi - isolamento degli spermatozoi dal sistema immunitario Spermatogenesi tubuli seminiferi Cellule del Sertoli - Barriera emato-testicolare SIGNIFICATO FUNZIONALE ANCORA POCO CONOSCIUTO Nella loro porzione basale le superfici laterali sono connesse da GIUNZIONI OCCLUDENTI > sigillano tra di loro le cellule, rendendo gli spazi intercellulari impermeabili > si crea un compartimento basale (spermatogoni e stadi meiotici iniziali) e uno adluminale - IMPEDISCE LA DIFFUSIONE DEI LIQUIDI INTERSTIZIALE E TUBULARE (prodotto dalle cell del Sertoli) - Si crea un microambiente dove avviene la meiosi e la spermiogenesi - isolamento degli spermatozoi dal sistema immunitario Giunzioni occludenti 21

22 Spermatogenesi Controllo IPOFISARIO Gonadotropine LH > Leydig cells > Testosterone FSH> Sertoli cells > 17b-estradiolo Cellule del Sertoli: elementi somatici in stretto contatto con le cellule germinali durante la spermatogenesi (lo strato esterno forma la barriera ematotesticolare) Cellule del Leydig (interstiziali): producono testosterone Spermatogenesi tubuli seminiferi onda spermatogenetica 22

23 Spermatogenesi Oogenesi nei mammiferi 23

24 Ovogenesi * *Inizio seconda divisione meiotica e arresto allo stadio di metafase II 24

25 Ovogenesi Vita embrionale * Vita post-natale A partire dalla pubertà *Inizio seconda divisione meiotica e arresto allo stadio di metafase II Ovogenesi Vita embrionale Alla nascita tutti gli ovociti hanno raggiunto lo stadio di diplotene della profase I (Crossing over già avvenuto) * Vita post-natale A partire dalla pubertà *Inizio seconda divisione meiotica e arresto allo stadio di metafase II 25

26 Ovogenesi Gli ovociti sono una riserva finita Nella donna Ovogenesi e follicologenesi (nell ovaio) 26

27 Ovogenesi e follicologenesi (nell ovaio) Diplotene della Profase I Maturazione dell ovocita PI>MII Metafase della meiosi II Follicologenesi e oogenesi Prophase I FSH, LH dependent FSH, LH independent Secondary Primary Preantral Primordial Early Antral Prophase I Graaf Dominant MEIOTIC Mid Antral RESUMPION OOCYTE GROWTH Metaphase II Riattivazione della trascrizione, che viene nuovamente silenziata poco prima della ripresa della meiosi 27

28 BOVINE IVM Prophase I Cumulus expansion Polar Body extrusion Polar body GV stage MII stage 28

29 Meiosis in mammals Stage at Ovulation In Vitro Maturation (h) Cow MII 24 Sheep MII 24 Pig MII Horse MII 28 Cat MII Dog Prophase I 48-72? Human MII 24 Mouse MII 12 Follicologenesi e oogenesi MEIOTIC PROGRESSION 0 h 4 h 8 h 12 h 16 h 24 h GV Diakinesis Pro-M I M I A I T I M II 29

30 Ovogenesi e follicologenesi (nell ovaio) Ondate follicolari N. Forde et al. / Animal Reproduction Science 124 (2011) In sala microscopi 30