FONDAMENTI DI BIOLOGIA DELLO SVILUPPO

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1 FONDAMENTI DI BIOLOGIA DELLO SVILUPPO Grazyna Ptak, PhD, DSc Dipartimento di Scienze Biomediche Comparate Università degli Studi di Teramo

2 Il ciclo della vita: gli stadi dello sviluppo animale

3 1. specificazione regionale Lo sviluppo comprende: 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

4 Aspetti generali dello sviluppo 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.

5 Aspetti generali dello sviluppo Tipi di divisione cellulare

6 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.

7 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.

8 Aspetti generali dello sviluppo Movimenti delle cellule Movie 22.1 wound healing Movie 21.3 Drosophila development

9 Aspetti generali dello sviluppo 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.

10 Affinità selettiva, Townes and Holtfreter,1955

11 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

12 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.

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14 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.

15 Aspetti generali dello sviluppo 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

16 Immunofluorescence confocal microscopy of E-cadherin (A-H) and JAM-1 (I-P) staining patterns during preimplantation development Thomas, F. C. et al. J Cell Sci 2004;117:

17 Movie 19.1 epithelial cells expressing green fluorescent cadherin

18 Classificazione dei processi mofogenetici, movie 21.3 (drosophila development)

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20 Aspetti generali dello sviluppo Segmentazione Zebrafish Drosofila movie18.3 echinodermi molluschi

21 Segmentazione oloblastica

22 Segmentazione olobastica dell uovo di rana

23 La segmentazione produce molte cellule da una iniziale 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

24 Segmentazione meroblastica discoidale nell uovo di pesce zebra

25 Movie 21.4

26 I movimenti cellulari e la formazione del corpo dei vertebrati 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. Movie 21.1

27 Destino cellulare

28 Specificazione regionale dello sviluppo Determinanti citoplasmatici (granuli P)

29 C. elegans

30 Determinanti citoplasmatici nel C.elegans

31 Quattro processi essenziali tramite quali l embrione è costruito

32 Mammals - Sheep embryogenesis -

33 Pronuclear Formation: Sheep F-telophase II M-decondensing Pronuclear formation: formation of nuclear envelope 4hr pf 8hr pf Pronuclear size increase Pronuclei migrated to centre of zygote 12hr pf 19hr pf

34 Syngamy syngamy mitosis

35 La natura unica della segmentazione dei mammiferi Tempo (12-24 ore per ciascuna divisione)

36 La natura unica della segmentazione dei mammiferi: segmentazione rotazionale

37 La natura unica della segmentazione dei mammiferi: la compattazione

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39 La natura unica della segmentazione dei mammiferi: attivazione del genoma nei stadi precoci

40 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.

41 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.

42 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.

43 Differential staining of blastocyst stage sheep embryo

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47 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

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49 Gastrula, una struttura tristratificata La gastrulazione inizia con cambiamenti di forma delle cellule al sito di blastoporo Movie 21.2

50 Destino cellulare

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53 Movimenti cellulari nella gastrulazione

54 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.

55 Neurula

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58 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

59 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

60 La distibuzione di E-caderina e di N- caderina nel sistema nervoso in sviluppo E-caderina N-caderina Le cellule del tubo neurale hanno perso E- caderina e hanno acquisito N-caderina

61 Importanza delle N- caderine nella separazione dell ectoderma neurale da quello epidermico. Indotta mutazione delle N- caderine a lato sinistro del embrione di Xenopus.

62 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)

63 Lo sviluppo embrionale è caracterizzato dalla migrazione cellulare creste neurali (blu) cellule germinali primordiali (verde) anticorpi contro le laminine (rosso) sacco vitelino Cellule migratorie: nella cresta neurale, nei somiti, precursori delle cellule ematiche, delle cellule germinali, neuroni del sistema nervoso centrale

64 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