Gametogenesi (Formazione delle cellule germinali)

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1 Gametogenesi (Formazione delle cellule germinali) Nell adulto la gametogenesi avviene nell uomo nei testicoli e nella donna nelle ovaie La gametogenesi nell uomo è chiamata spermatogenesi e porta alla formazione degli spermatozoi La gametogenesi nella donna è chiamata ovogenesi e porta alla formazione degli ovociti

2 La gametogenesi (spermatogenesi e ovogenesi) può essere suddivisa in 3 fasi: -prenatale (embrio-fetale) -postnatale-pubertà -età adulta Nella donna adulta l ovogenesi è possibile dalla pubertà alla menopausa

3 Periodo embrio-fetale La gametogenesi inizia per entrambi i sessi nel corso delle prime settimane dello sviluppo embrionale quando nell embrione si formano le cellule germinali primordiali

4 settimane Gametogenesi embrio/fetale PGC nel sacco vitellino - PGC in migrazione - Formazione abbozzo gonadi - Fine PGC migrazione - Inizia differenziamento testicolo e ovaio - Ovogoni e prospermatogoni in mitosi - Primi oogoni entrano in meiosi (ovociti I) 18 - Termina la prolifrazione mitotica degli ovogoni e dei prospermatogoni; ovociti I entrano in diplotene (inizia formazione follicoli primordiali)

5 Le cellule da cui derivano le cellule germinali maschili e femminili si chiamano cellule germinali primordiali Le cellule germinali primordiali possono essere identificate morfologicamente, con istochimica (ALP) o anticorpi specifici in un embrione di tre settimane nella parete del sacco vitellino embrione cellule germinali primordiali sacco vitellino

6 Figura 16-NEW-1[a1] [a1]figura 16-NEW-1 Formazione delle cellule germinali primordiali (PGC) EOMES SOX17 OCT4 Nanog BMP4 WNT3a periferia dell amnios e dell epiblasto cavità proamniotica disco embrionale linea primitiva PGC mesoderma extraembrionale sacco vitellino epiblasto ipoblasto sacco vitellino WNT3a BMP2 ipoblasto anteriore (AVE) fine III settimana

7 Le cellule germinali primordiali migrano all interno delle creste gonadiche (3 a -6 a settimana)

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9 Embrione di topo di 10.5 dpc

10 Embrione di topo di 11.5 dpc

11 V-VI settimana gonadi indifferenti mesonefri dotti mesonefrici dotti paramesonefrici o di Muller seno uogenitale metanefri ureteri

12 dotti di Muller dotti di Wolff dotti di Muller dotti di Wolff SF1,WT1, LHX9, EMX1 Cresta gonadica Gonade indifferente V-VI settimana VI-VIII settimana testicolo AMH ovaio T E DHT -Epididimi -Deferenti -Vescichette seminali Genitali esterni Genitali esterni -Ovidutti -Utero

13 Bande Posizione

14 XY Spermatogenesi embrio-fetale: cellula pre-leydig -Prospermatogoni -Cordoni seminiferi -I generazione Leydig SRY cordoni seminiferi cellule pre-sertoli prospermatogoni celoma

15 Tra la 6 a e 8 a settimana mesonefro testosterone testicolo AMH dotto mesonefrico o di Wolff epididimo dotto paramesonefrico deferente

16 Ovogenesi embrio-fetale Durante la vita embrionale e fetale, si formano le ovaie con all interno i follicoli primordiali. Questi contengono ovociti derivati dagli ovogoni (numero massimo circa 2-3 milioni x ovaio) follicolo primordiale ovocita I bloccato in dittiato cellule follicolari che circondano un ovocita

17 XX follicoli primordiali con ovociti in diplotene (IV-IX mese) PGC (VI-IX settimane) ovogoni (X settimana) ovociti

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19 zigotene oogonio leptotene

20 numero di cg femminili/embrionex La proliferazione per mitosi delle cellule germinali primordiali e degli oogoni determina il numero degli oociti I. Questo numero non potrà più aumentare, anzi diminuirà progressivamente con l età della donna settimane di sviluppo

21 Gli ovociti chiamati ovociti primari iniziano la meiosi (acido retinoico, RA), che si arresta al termine della profase I prima della prima divisione meiotica (blocco in dictiato)

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23 Meiotic arrest n=46 c=4n MPF

24 MPF

25 Tra la 6 a e 8 a settimana ovaio mesonefro ovidutto dotto paramesonefrico utero

26 Fase postnatale-pubertà della spermatogenesi Dalla fine della proliferazione dei prospermatogoni nel periodo fetale, non si verificano processi rilevanti. A partire dalla pubertà i cordoni si trasformano in tubuli, i prospermatogoni in spermatogoni A e B e inizia la formazione degli spermatozoi

27 Spermatogoni A Dark (As) Il compartimento degli spermatogoni Spermatogoni B Spermatogoni A dark Spermatogoni A pale Spermatogoni B Spermatogoni A Pale

28 Fase 1) Il numero delle cellule germinali aumenta notevolmente per mitosi degli spermatogoni A e B, Fase 2) avviene la meiosi durante la quale da uno spermatocita I (formatosi da uno spermatogonio B) si formano 4 spermatidi aploidi), Fase 3) da uno spermatide si forma uno spermatozoo spermatogonio staminale 1 Fase mitotica Spermatogenesi nell adulto 2 3 II Fase meioica Spermiogenesi Avviene in 3 fasi (74 giorni).

29 Nicchia degli Ad spermatogoni Ap Spermatogoni B spermatociti I spermatociti II spermatidi spermatidi spermatozoi

30 Le mitosi e le meiosi delle cg maschili avvengono in due compartimenti separati del tubulo seminifero Compartimento basale (mitosi) e compartimento adluminale (meiosi e spermioistogenesi): la meiosi è protetta

31 La formazione degli spermatozoi avviene nella parete del tubulo seminifero costituito dall epitelio seminifero formato da cellule del Sertoli e da cellule germinali. Le cellule germinali sono di 4 tipi: spermatogoni (Ad, Ap e B), spermatociti (I e II), spermatidi e spermatozoi disposte dalla base dell epitelio verso il lume del tubulo. spermatogoni cellula del Sertoli spermatozoi spermatidi spermatociti lume cellula del Sertoli

32 Schema semplificato di spermatogenesi: sono indicati i tipi principali di cellule germinali in riferimento alla meiosi di due spermatociti I (celeste) spermatidi spermatociti II spermatozoi spermatociti I spermatogoni B spermatogoni pale spermatogone dark

33 Migrazione attraverso le giunzioni tra cellule del Sertoli da parte degli spermatociti I

34 Ciclo spermatogenico cellule del Sertoli La La fase fase I II è la è fase la fase mitotica: meiotica spermatogoni durante la quale pallidi, gli spermatociti Ap, si I dividono La fase III Gli spermatozoi è dare la spermioitogenesi allo stadio di preleptotene origine si formano ad passono altri Ap e durante a spermatogoni la quale in B, circa ogni 34 B si giorni divide uno attraverso nel compartimento una serie adluminale di e spermatide dare origine si trasforma a due spermatociti in I processi continuano che iniziano che la meiosi; la meiosi; ripetono da ogni spermatozoo. questa fase dura ciclicamente spermatocita I, circa 20 giorni; e si che formano notare nel due Nel spermatociti compleso quindi II e da il cilco ogni che le divisioni complesso degli costituiscono Ap mancano della un spematogenico spematocita II dura due circa spermatidi; 74 giorni citodieresi, ciclo questa spermatogenico. fase pertanto dura circa in tutte 24 Un giorni ciclo le fasi successive può essere le cellule suddiviso germinali tre rimangono fasi: 1. fase unite mitotica; da ponti di 2. fase citoplasma; meiotica; nello 3. fase schema sono riportate le cellule che derivano da spermioistogenica una sola meiosi B Ap Ad B Ap Gli spermatogoni scuri, Ad, si dividono raramente per dare origine a Ad e a nuovi Ap lamina basale

35 Alla pubertà un ciclo spermatogenico inizia in tempi diversi in piccole aree dell epitelio seminifero di forma spirale (diversi colori indicano le diverse aree) distribuite lungo un tubulo. In seguito, in ogni area, il ciclo si ripeterà ad intervalli regolari di 16 giorni

36 Poiché un ciclo dura circa 74 giorni, in ogni area si troveranno contemporaneamente presenti cellule germinali appartenenti a 4-5 cicli sfalsati di 16 giorni (nello schema sono mostrati 16 spermatozoi che deriva da un clone di 4 spermatociti I) L insieme delle cellule germinali presenti in un determinato momento in un area costituise una associazione o stadio dell epitelio seminifero

37 Sei associazioni di cellule germinali che definiscono gli stadi del ciclo spermatogenico nell uomo Sd1 Sa1 Sd2 Sa2 Sb1 Sb2 Sc Sc EP=Early Pachytene EP MP=Mid Pachytene MP LP=Late Pachytene LP B B L=Leptotene PL=Preleptotene L Z=Zigotene Ap Ap Ap Ap Ap Ap Ad I Ad II Ad III Ad IV Ad V Ad VI

38 I sei stadi (I-VI) identificano le area spermatogeniche. III II V I IV Di fatto un tubulo seminifero è formato da un mosaico di aree spermatogeniche che assicurano la produzione continua di spermatozoi (circa 1000 spermatozoi al sec per testicolo) VI

39 Si definisce ciclo dell epitelio seminifero il susseguirsi delle sei associazioni di cellule germinali nella stessa area del tubulo seminifero; nell uomo la durata di un ciclo equivale all intervallo di tempo che passa tra l inizio di un ciclo spermatogenico e un altro ovvero 16 giorni (nell animazione sono indicate solamente due aree, ma il ciclo riguarda ciascuna delle sei aree) III II VI III IV V I III VI IV I VI IV

40 Ciclo dell epitelio seminifero Sd1 Sb2 Sc Sb1 Sa2 Stadio VI V IV III I Sa day EP MP LP Pl Z L B 4 B Ap Ad

41 Il susseguirsi degli stadi lungo il tubulo seminifero è chiamato onda dell epitelio seminifero. IV I III II VI Nel uomo l onda è irregolare, mentre in altre specie di mammiferi l onda ha un andamento rettilineo. Nel topo gli stadi sono 12. V III VI IV V I XII XI X IX VIII VI V IV III II I

42 La meiosi nella spermatogenesi (dura circa 21 giorni) cromosomi DNA N 2N N spermatociti II Spermatocita I (diploide) crossing over, serve a rimescolare i geni tra i cromosomi omologhi per aumentare la variabilità genetica di una specie spermatidi (aploidi) I divisione meiotica: distribuzione casuale dei cromosomi omologhi, serve a rimescolare i cromosomi omologhi per aumentare la variabilità genetica di una specie spermatozoi

43 Spermiogenesi La spermiogenesi o spermioistogenesi è l ultima fase della spermatogenesi, dura circa 35 giorni e consiste nella trasformazione di uno spermatide in uno spermatozoo che viene rilasciato nel lume del tubulo (4 fasi: fase del Golgi, del cappuccio, dell acrosoma e maturativa) spermatide 1 NB: lo spermatozoo rilasciato nel lume del tubulo non è in grado di fecondare, lo diventerà solo dopo aver attraversato le vie genitali maschili (nell epididimo diventa mobile) e quelle femminili (capacitazione)

44 Fase del cappuccio acrosoma acrosoma Fase del Golgi mitocondri vescicola Golgi nucleo corpo residuo corpo residuo centriolo mitocondrio Fase dell acrosoma Fase maturativa

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46 Controllo ormonale della spermatogenesi La spermatogenesi nell adulto è controllata da due ormoni prodotti dall ipofisi FSH e LH. L LH stimola le cellule del Leydig a produrre testosterone e l FSH stimola le cellule del Sertoli a produrre molecole necessarie al sostegno delle cellule germinali. Il testosterone prodotto dalle cellule del Leydig e l inibina prodotta dalle cellule del Sertoli inibiscono/stimolano, rispettivamente l ipofisi a produrre FSH e LH T LH T ipotalamo GNRH FSH inibina NB: il rilascio di FSH e LH dall ipofisi richiede un segnale ormonale (GNRH) prodotto da neuroni dell ipotalamo

47 Ovogenesi postnatale-pubertà è caratterizzata da una follicologenesi che si arresta allo stadio di follicolo primario/ secondario preantrale e degenerazione (atresia) dei suddetti follicoli; l atresia porta alla riduzione di circa il 50% del numero dei follicoli primordiali (da circa a x ovaio)

48 Ovogenesi nella donna adulta fertile: il ciclo femminile La fertilità femminile è ciclica perché la maturazione di un ovocita è accompagnata dalla preparazione alla gravidanza di tutto l organismo della donna I cambiamenti che si verificano nelle ovaie e nell utero durante il ciclo femminile sono chiamati ciclo ovarico e ciclo uterino La ciclicità della fertilità della donna è dovuta alla secrezione discontinua degli ormoni FSH e LH da parte dell ipofisi

49 Ciclo ovarico In media ogni 28 giorni nell ovaio di una donna fertile viene prodotto un ovocita maturo all interno di un follicolo preovulatorio o del Graaf follicolo primordiale FSH inizio del ciclo mensile follicolo del Graaf Nel follicolo del Graaf intorno al giorno del ciclo, l ovocita maturo stimolato dall LH riprende la meiosi e si arresta alla MetII; viene quindi espulso dal follicolo e dall ovaio (ovulazione) Dopo l ovulazione il follicolo del Graaf si trasforma in corpo luteo che produce progesterone Se l ovocita non viene fecondato il corpo luteo diventa corpo albicante che degenera, se l ovocita viene fecondato il corpo luteo si trasforma in corpo gravidico che continua a produrre progesterone corpo albicante corpo luteo Fasi cicliche LH ovulazione

50 Controllo ormonale del ciclo ovarico GNRH progesterone estrogeni L FSH agisce sulle cellule follicolari stimolando la crescita e maturazione di un follicolo primario a follicolo del Graaf. ipotalamo L LH coadiuva l FSH e causa la ripresa della meiosi nell ovocita del follicolo del Graaf, l ovulazione e la formazione del copro luteo. FSH e LH sono prodotti sotto l azione del GNRH prodotto dall ipotalamo. estrogeni FSH LH Inibina/attivina pillola Bassi livelli di ormoni estrogeni prodotti dalle cellule della teca interna, stimolano la produzione di FSH da parte dell ipofisi, mentre elevate concentrazioni di progesterone (e di estrogeni), prodotto dal corpo luteo inibiscono la produzione di FSH e LH inibendo la produzione di GNRH. La pillola contraccettiva.

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52 Follicoli primordiali Follicoli secondari preantrali Follicoli secondari antrali Follicoli primari FSH Continuamente alcuni follicoli primordiali si trasformano in follicoli primari che stimolati dall FSH diventano follicoli secondari preantrali e antrali. Durante un ciclo ovarico un solo follicolo antrale su 5 di norma arrivati a questo stadio, diventa follicolo pre-ovulatorio ed intorno al 12 giorno del ciclo stimolato dall LH ovula. Follicolo di Graaf FSH LH La formazione di un follicolo del Graaf avviene durante i primi 14 giorni di un ciclo ovarico a partire da un follicolo antrale che diventa dominante sugli altri antrali che vanno in atresia

53 LH FSH GF (KL/KIT) circa 200 giorni (7 mesi)

54 Crescita dell ovocita Durante lo sviluppo di un follicolo da primordiale ad antrale l ovocita cresce da 20 mm a 150 mm aumentando il suo volume di circa volte, ma la meiosi rimane bloccata. Durante la fase di crescita l ovocita accumula nel citoplasma numerose molecole di mrna, forma alcuni specifici organelli (zona pellucida e granuli corticali) e acquisisce la maturazione meiotica (capacità di riprendere la meiosi quando il follicolo preovulatorio è stimolato da LH)

55 Imprinting

56 cgmp cgmp MPF

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58 Follicolo ovulatorio o del Graaf cellule follicolari della teca esterna cellule follicolari della granulosa cellule follicolari della teca interna (producono estrogeni) ovocita antro cm cellule follicolari del cumulo ooforo vascolarizzazione

59 La stimolazione del follicolo da parte dell LH induce anche la ripresa della meiosi che si verifica prima dell ovulazione: nel giro di circa 20 ore l ovocita passa attraverso la metai, anafasei, telofase I, profase II e si arresta allo stadio di metafase II LH teca granulosa Dittiato ovocita cgmp MPF P P P ATP PDE camp GPR3

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61 2 segnali di stop and go meiosi LH follicolo fine profase I stop go stop metafase II stop go

62 Ovociti umani in GV e MetII (De Felici et al. 2010)

63 I divisione meiotica

64 36 ore dopo il picco di LH: ovulazione

65 Ovulazione: durante la vita fertile (menarca-menopausa) una donna ovula circa 400 ovociti. Nel corso degli anni l ovaio perde quasi tutti gli ovociti e la donna diventa sterile verso i 50 anni (menopausa) Corpo luteo follicolo del Graaf in ovulazione ovocita cellule follicolari espulse insieme all ovocita in Met II (vengono chiamate cellule del cumulo ooforo)

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67 L ovocita ovulato circondato dalle cellule del cumulo ooforo viene catturato dalle fimbrie della tuba e si sposta nella regione della tuba chiamata ampolla. E qui che avverrà la fecondazione oppure l ovocita degenererà nel giro di 48 ore. ampolla padiglione Fimbrie: estroflessioni digitiformi mobili dell estremità della tube

68 numero di ovociti nelle due ovaie Poiché il flusso di follicoli primordiali nella follicologenesi è continuo e non si formano nuovi follicoli, il numero dei follicoli presenti nelle ovaie (riserva follicolare) diminiusce progressivamente in funzione dll età fino alla menopausa

69 Follicoli primordiali 14g FSH/LH Follicoli antrali LH ovulazione ovaio mesi tuba FSH

70 La meiosi nell ovogenesi La meiosi inizia nell ovaio embrio/fetale. L ovocita I si arresta in diplotene (dictiato) e rimane in questo stato fino a poche ore prima dell ovulazione. La meiosi riprende prima dell ovulazione dopo il picco di LH, per arrestarsi di nuovo in metafase II; l ovocita viene ovulato in metafase II e riprende e conclude la meiosi solo dopo la fecondazione. Delle 4 cellule che derivano dalle divisioni meiotiche solo una è vitale e funzionante (l uovo fecondato o zigote), le altre tre sono piccole cellule (globuli polari) destinate a degenerare globuli polari fecondazione STOP ovulazione STOP

71 Ovocita maturo 23 cromosomi cromosomi in metafase II Pb granuli corticali 0.15 mm zona pellucida (rivestimento esterno formato da glicoproteine) cromosomi in metafase II membrana plasmatica

72 Utero e tube fondo uetero fornice

73 Ciclo uterino menstruale proliferativa secretiva estrogeni progesterone quando il copo luteo degenera, la diminuizione di progesterone, causa il distacco dello strato funzionale (inizio fase menstruale) strato basale strato funzionale Il ciclo uterino comprende le modificazioni dell endometrio (mucosa uterina) che si verificano nel corso del ciclo femminile in parallelo con il ciclo ovarico e sotto il controllo degli ormoni estrogeni e progesterone prodotti dai follicoli; comprende 3 fasi: menstruale, proliferativa e secretiva modificazioni dell endometrio durante il ciclo uterino struttura dell endometrio nella fase secretiva (massimo spessore 6 mm)

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75 Variazione dei livelli ormonali durante il ciclo femminile

76 Sviluppo dei genitali esterni pieghe urogenitali membrana urogenitale tubercolo genitale pieghe cloacali membrana cloacale cercini genitali membrana anale perineo pieghe anali solco uretrale piatto uretrale pieghe urogenitali

77 Durante il 2 mese si sviluppano le vie genitali e le ghiandole annesse; alla fine del 3 mese sono riconoscibili i genitali esterni testosterone -AMH -Estrogeni -DHT -SHH

78 piatto uretrale prepuzio piatto uretrale pieghe uretrali piatto uretrale solco uretrale chiusura solco uretrale rafe mediano pieghe uretrali solco uretrale uretra peniena ano solco uretrale scroto uretra peniena ostio uogenitale solco uretrale ano scroto uretra peniena solco uretrale chiuso meato urinario + clitoride piccole labbra grandi labbra

79 Malfomazioni congenite delle vie genito/urinarie

80 Anomalie congenite delle vie genitali femminili Congenital anomalies of the uterus Septate uterus Bicornuate uterus Arcuate uterus Unicornuate Didelphys Congenital malformations of the vulva Labial hypoplasia Labial hypertrophy Congenital anomalies of the hymen Imperforate hymen Microperforate hymen Septate hymen Congenital anomalies of the vagina Transverse vaginal septum Vertical or complete vaginal septum Vaginal agenesis Congenital anomalies of the cervix Cervical agenesis Cervical duplication Agenesia o displasia uni-bilaterale ovidutti

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82 Anomalie congenite vie genitali maschili Cryptorchidism: Undiscended testes. Hypospadias: The urinary meatus (opening) forms somewhere along the underside of the penis instead of at the tip. Epispadias: The urinary opening forms somewhere along the top or side of the penis. Agenesia del pene, pene bifido, micropene Persistent Mullerian duct syndrome

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84 epispadie ipospadie

85 Difetti congeniti più frequenti nella spermatogenesi causa di infertilità: Difetti cromosomici (meiosi): XXY (sindrome di Klinefelter) Traslocazioni e mutazioni geniche che causano disgenesia gonadica in presenza di un genotipo XY

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87 Difetti congeniti più frequenti nell ovogenesi causa di infertilità: Difetti cromosomici (meiosi): XO (sindrome di Turner) Traslocazioni e mutazioni geniche che causano disgenesia gonadica in presenza di un genotipo XX POF Ovaio policistico

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89 Congenital adrenal hyperplasia