La storia di un uomo nei nove mesi che precedono la sua nascita è probabilmente più interessante e comprende eventi molto più importanti di tutti quelli dei settant anni che seguono. S. Taylor Coleridge 1885 Lo scopo finale di tutte le relazioni amorose, siano esse comiche o tragiche, è in realtà più importante di tutti gli altri scopi della vita umana. Quello a cui si riferisce è niente di meno che la composizione della generazione successiva. A. Schopenhauer (citato da C. Darwin 1871)
Il Ciclo Cellulare Nel corso della loro vita tutte le cellule subiscono una serie di cambiamenti molecolari e morfologici definiti complessivamente ciclo cellulare. Esso indica il periodo che intercorre tra l origine di una cellula da una precedente divisione ed il momento in cui questa si divide nuovamente. Il ciclo cellulare comprende quattro fasi sequenziali denominate G1, S, G2 e M, oltre ad una fase G 0. Nel loro insieme le fasi G1, S, G2 costituiscono l interfase, mentre la fase M indica il processo di divisione cellulare per mitosi o per meiosi. Le fasi G1 e G2 (G=Gap=intervallo) sono considerate fasi di riposo in quanto in esse non c è duplicazione del DNA. Tuttavia, durante queste fasi, la cellula è metabolicamente attiva e compie le sue funzioni specializzate preparatorie alle successive fasi del ciclo. Durante la fase S (S=sintesi) si attuano la duplicazione del DNA e la sintesi di istoni, che portano alla replicazione cromosomica. L intero ciclo cellulare si svolge in un periodo compreso tra alcune ore e qualche giorno, in rapporto alla fase G1 la cui durata varia a seconda della linea cellulare considerata. Le cellule che vanno incontro ad un profondo differenziamento o che non si dividono ulteriormente (es. neuroni e cellule muscolari cardiache) prolungano indefinitamente la fase G che pertanto viene detta G 0. Altri tipi cellulari, come le cellule epiteliali e gli epatociti, possono rientrare nel ciclo cellulare dalla fase G 0 e procedere con la divisione mitotica in seguito ad appropriati stimoli quali: fattori di crescita, sostanze mitogeniche, segnali da altre cellule e dalla matrice extracellulare. Le cellule della linea germinale (spermatogoni ed ovogoni) dopo una serie di cicli cellulari in cui si dividono per mitosi, vanno incontro ad un ciclo che termina con una divisione meiotica.
Le cellule somatiche e le cellule germinali (spermatogoni ed ovogoni) di ogni specie hanno un corredo cromosomico completo per cui sono denominate diploidi ed indicate con 2n. Il termine mitosi è usato per descrivere la divisione equazionale di una cellula con formazione di due nuove cellule con lo stesso corredo cromosomico della cellula progenitrice da cui sono derivate. La mitosi è essenziale per lo sviluppo embrionale e per riparare e rimpiazzare i tessuti durante la vita. La mitosi può essere divisa in quattro fasi: profase, metafase, anafase e telofase. Durante la profase (A, B), i cromosomi, formati dai cromatidi fratelli spiralizzano ed i nucleoli si disgregano. Nel citoplasma 2 coppie di centrioli duplicati durante l interfase, cominciano a formare il fuso mitotico distinto in un fuso mantellare ed uno cromosomiale, responsabile del successivo movimento dei cromatidi verso i poli opposti della cellula in divisione. Segue una breve pro-metafase (C), caratterizzata dalla disgregazione dell involucro nucleare, e quindi la metafase propriamente detta (D), caratterizzata dall organizzazione dei cromosomi all equatore della cellula. Il cinetocore, un complesso proteico che si forma sui centromeri alla fine della profase, agisce come una piattaforma di attacco per i microtubuli del fuso. Si forma quindi un complesso microtubulo-cinetocore che consente il movimento dei cromosomi che si posizionano a metà strada tra i due poli della cellula, in una regione denominata piastra metafasica o equatoriale. Ogni cromatide fratello è attaccato al centrosoma mediante il proprio complesso microtubulocinetocore. Nell anafase (E) si distinguono due stadi: anafase A in cui le coppie di cromatidi fratelli si separano sincronicamente per la scissione dei centromeri e per l accorciamento dei complessi microtubulocinetocore. I due set di cromatidi appena separati vengono trascinati verso i due poli opposti della cellula. Nell anafase B lo spostamento dei due cromatidi verso i poli opposti è accompagnato dall allontanamento dei poli. Nella telofase (F), i due gruppi di cromosomi identici, raggruppati ai rispettivi poli, decondensano; inoltre, quelli con costrizione secondaria ripristinano il nucleolo, attorno a ciascun set di cromosomi si ricostituisce un involucro nucleare e termina la cariocinesi. Dopo la formazione dei nuovi involucri nucleari, un anello contrattile di actina stringe la membrana cellulare e divide il citoplasma in modo da separare completamente le due cellule figlie. Quest ultimo processo definito citocinesi o citodieresi, normalmente porta alla formazione di due cellule figlie di uguali dimensioni; occasionalmente differenti quantità di citoplasma ed organuli possono essere distribuiti tra le due cellule figlie. Mitosi A C E B D F
Meiosi E il processo di divisione riduzionale, esclusivo delle cellule della linea germinale e rappresenta l ultimo evento di divisione della gametogenesi. La meiosi porta alla formazione di gameti aploidi a partire da cellule diploidi in quanto consiste di una sola fase S seguita da due divisioni consecutive. In conseguenza, dalla cellula di partenza diploide, si formano, in due tappe, quattro cellule aploidi. Le due divisioni, separate da una breve intercinesi, sono indicate come I e II divisione meiotica, ognuna delle quali si può suddividere in fasi corrispondenti a quelle della mitosi: profase, metafase, anafase e telofase. Tuttavia nella meiosi queste fasi presentano caratteristiche peculiari anche se la cellula, che entra in profase I, presenta la stessa quantità di DNA di una cellula che si avvia alla mitosi. La profase della I divisione meiotica (A-D), durante la quale avvengono molti eventi intracellulari cruciali, è molto lunga e può essere ulteriormente divisa in cinque sottostadi: leptotene, zigotene, pachitene, diplotene e diacinesi. Questi sottostadi prendono il nome dagli eventi salienti che si verificano nel corso della profase: leptotene, inizio della condensazione della cromatina che continua per tutta la profase fino a formare cromosomi spessi e corti (A); zigotene, appaiamento dei cromosomi omologhi duplicati per formare le tetradi, ad opera di un complesso di natura proteica detto complesso sinaptinemale che persiste fino allo stadio successivo (B); pachitene, scambio di materiale genetico, per un processo di frattura e successiva saldatura tra i cromatidi non fratelli dei due cromosomi omologhi, definito crossing-over (C); diplotene, separazione dei cromosomi omologhi che restano ancora in contatto nei punti in cui si è verificato il crossing-over (chiasmi) (D); diacinesi, condensazione completa dei bivalenti con separazione degli stessi a livello dei chiasmi (terminalizzazione dei chiasmi).
E da notare che solo nella spermatogenesi, il processo di citocinesi, successivo sia alla I che alla II telofase meiotica, divide equamente il citoplasma tra le cellule. Nell ovogenesi, al contrario, dopo la I telofase una delle due cellule risultanti trattiene la maggior parte del citoplasma divenendo ovocita II, la più piccola delle due cellule è denominata I globulo polare. Una distribuzione ineguale di citoplasma viene mantenuta anche tra l ovocita secondario ed il II globulo polare, mentre nel caso in cui anche il I globulo polare vada incontro alla seconda divisione meiotica, lo scarso citoplasma a disposizione viene equamente ripartito. In metafase I, le coppie di cromosomi omologhi si attaccano mediante i loro cinetocori ai microtubuli del fuso e si posizionano in piastra equatoriale. I centromeri dei due omologhi sono orientati verso i poli opposti del fuso, mentre i due cromatidi di ciascuno omologo sono ancora uniti a livello del centromero. Durante l anafase I (E), le diadi, costituite ognuna dai due cromatidi di ognuno degli omologhi, si spostano ai poli opposti della cellula. A differenza di quanto avviene in anafase mitotica, ai poli opposti della cellula migrano singoli cromosomi della coppia di omologhi, ma ancora costituiti da due cromatidi che possono avere effettuato il crossing-over. A questo punto la distribuzione dei cromosomi omologhi di derivazione paterna e materna è casuale, ed è alla base del principio mendeliano dell assortimento casuale. In telofase I, intorno a ciascun set di cromosomi separati si forma l involucro nucleare, mentre ha luogo la citodieresi. Le due cellule figlie derivate dalla prima divisione meiotica contengono un numero aploide di cromosomi (un rappresentante di ogni coppia di omologhi) con una quantità 2c di DNA dal momento che ogni cromosoma è ancora costituito da due cromatidi. Dopo una breve fase di riposo, chiamata intercinesi o interfase (F), durante la quale si ha la formazione di un nuovo fuso, ciascuna cellula figlia inizia la seconda divisione meiotica. La profase II è più breve della profase I; il nucleo contiene un set di diadi non interamente despiralizzate, composte ognuna da una coppia di cromatidi fratelli connessi mediante un unico centromero. La metafase II è simile alla metafase I poiché i cromosomi sono posizionati in piastra equatoriale dal complesso microtubulo-cinetocore. In questo caso il centromero si è sdoppiato in due cinetocori ognuno su ciascuno dei singoli cromatidi. Questo consente ai microtubuli di attaccarsi a ciascun cromatide. Durante l anafase II (G) i singoli cromatidi legati al complesso microtubulo-cinetocore migrano verso i poli opposti della cellula in divisione. Alla fine della telofase II si riformano gli involucri nucleari attorno a ciascun set di cromatidi ed il citoplasma si divide nuovamente. Pertanto alla fine della citodieresi le cellule terminali della meiosi posseggono n cromosomi ed una quantità c di DNA e sono quindi aploidi, ma il loro corredo genico è rinnovato dal crossing-over e dalla ripartizione casuale dei cromosomi (H).
GAMETOGENESI I gameti sono cellule aploidi altamente differenziate derivanti, nel corso dello sviluppo embrionale, da cellule germinali primordiali. Esse sono caratterizzate da un costituente citoplasmatico, il plasma germinale, preesistente nell uovo prima della fecondazione. Nel corso della segmentazione (della gastrulazione nei Mammiferi), dallo zigote si formano numerose cellule somatiche ed un limitato numero di cellule germinali primordiali in cui viene segregato il plasma germinale. In sede extraembrionale (nel topo si rendono visibili nell endoderma del sacco vitellino ad una settimana dalla fecondazione, mentre nell uomo alla terza settimana) si assiste alla proliferazione di tali cellule che attraverso il circolo sanguigno, migrano attraverso il mesentere dorsale nei territori gonadici in sviluppo. Le cellule germinali primordiali o protogoni sono mitoticamente attive fino alla nascita nella femmina e per tutta la vita nel maschio. Le cellule germinali, definite spermatogoni nelle gonadi maschili e ovogoni nelle gonadi femminili, vanno incontro ad una sequenza di sviluppo simile, che viene indicata come processo di gametogenesi.
Durante la gametogenesi avvengono sostanzialmente 3 tipi di eventi anche se con alcune differenze quantitative, qualitative e cronologiche tra i due sessi: proliferazione mitotica dei goni, (fino alla nascita nella femmina in cui tutti gli ovogoni entrano in profase I; per tutta la vita nel maschio in cui gli spermatogoni dalla maturità sessuale in poi, possono dividersi sia per mitosi che entrare in meiosi divenendo spermatociti primari); divisione meiotica, (discontinua e completa solo in seguito a fecondazione nella femmina; continua e completa nel maschio); trasformazioni morfo-fisiologiche dei futuri gameti, (auxocitosi nella femmina durante la profase I; spermiogenesi nel maschio dopo la meiosi). Ovogenesi Mitosi e Meiosi iniziano una volta per l intera popolazione cellulare di ovogoni La meiosi si arresta e riprende in una popolazione cellulare più esigua Ogni meiosi produce solo 1 gamete e solo in seguito a fecondazione, che può avvenire mesi o anni più tardi rispetto all inizio della meiosi Il differenziamento del futuro gamete avviene nella profase I, quando l ovocita è diploide Tutti i cromosomi subiscono una ricombinazione durante la profase I Nella I e nella II citocinesi una delle due cellule risultanti trattiene la maggior parte del citoplasma Spermatogenesi Mitosi e Meiosi iniziano continuamente per parte della popolazione cellulare di spermatogoni La meiosi procede in modo continuo Ogni meiosi produce 4 gameti e la meiosi si completa in giorni o settimane Il differenziamento del gamete avviene dopo la meiosi, a carico dello spermatidi aploide I cromosomi sessuali sono esclusi dalla ricombinazione durante la profase I Nella I e nella II citocinesi il citoplasma è equamente diviso tra le cellule Tutti gli eventi legati alla gametogenesi sono finalizzati all acquisizione da parte dei gameti di una struttura e una fisiologia in grado di conciliare tre funzioni: sopravvivere in ambienti diversi da quello delle gonadi; riconoscere cellule omologhe dell altro sesso e cooperare in eventi legati alla fecondazione; fornire adeguate quantità di materiale nucleare e citoplasmatico per lo sviluppo del nuovo organismo.
OVOGENESI Nei Vertebrati l ovogenesi è di tipo follicolare in quanto, terminata la fase di moltiplicazione, ogni ovogonio si associa a cellule somatiche di forma appiattita per formare il follicolo ovarico primordiale. Poco prima della nascita tutti gli ovogoni si differenziano in ovociti primari: duplicano il DNA, iniziano la fase di accrescimento e entrano nella profase I della meiosi. Poco prima o subito dopo la nascita, a seconda della specie, ogni ovocita entra in una prolungata fase di riposo allo stadio di diplotene della profase I, detta dictiotene. Essa dura fino alla maturità sessuale dell animale, quando lo sviluppo riprende per induzione da parte delle gonadotropine. Nei Mammiferi il processo di ovogenesi procede in parallelo col processo di follicologenesi, pertanto, durante l attività sessuale delle diverse specie animali, a regolari intervalli di tempo, avviene la maturazione di uno o più follicoli e dei relativi ovociti. Inoltre, sia durante la fase proliferativa, che durante quella di riposo, una cospicua quota di follicoli primordiali va incontro ad atresia (nella specie umana da 2000 protogoni migranti dal sacco vitellino, si arriva a 6-7 milioni di ovogoni al 5 mese di vita intrauterina, mentre alla pubertà la donna ha da 200.000 a 400.000 ovociti; in una vitella di tre mesi sono presenti circa 75.000 follicoli, in una vacca di tre anni circa 20.000, in una di nove anni circa 2.500). Follicolo di Graaf follicolo secondario follicolo primario follicolo primordiale follicolo atresico ovulazione corpo luteo corpo luteo in regressione
FECONDAZIONE La fecondazione è il processo attraverso cui lo spermatozoo capacitato e l ovocita si fondono per formare lo zigote, che rappresenta il nuovo individuo. La fecondazione consente il ripristino del numero diploide di cromosomi e la determinazione del sesso dell individuo; inoltre è fondamentale per la variabilità biologica grazie all integrazione delle caratteristiche ereditarie materne e paterne. L integrazione del materiale genetico paterno e materno dei due pronuclei viene indicata come singamia. La fecondazione può essere esterna o interna. Nei Mammiferi è interna e nonostante durante il coito vengano deposti milioni di spermatozoi nelle vie genitali femminili, solo alcune centinaia raggiungono la sede della fecondazione ed uno solo partecipa alla singamia. Il coinvolgimento di più spermatozoi nella fecondazione, definito polispermia, è tollerato in Pesci, Anfibi e Uccelli, anche se gli spermatozoi in eccesso comunque degenerano. Invece nei Mammiferi, la presenza di spermatozoi soprannumerari è un evento anomalo che porta alla morte dell embrione. Ripresa della meiosi Reazione acrosomiale Corona radiata Zona pellucida Granuli corticali Membrana ooplasmatica Scoppio dei granuli corticali Ingresso dello spermatozoo
SEGMENTAZIONE La segmentazione è l evento che porta il nuovo individuo dalla condizione di unicellularità alla condizione di pluricellularità, attraverso una serie di divisioni mitotiche che si interrompono in genere quando viene ripristinato il rapporto nucleo/citoplasmatico tipico della specie. L embrione entra in segmentazione allo stadio di zigote e al termine del processo è divenuto una blastula formata da cellule chiamate blastomeri. La modalità attraverso cui avviene la segmentazione è legata alla quantità di tuorlo presente nell uovo. Uova con scarsa o moderata quantità di tuorlo segmentano completamente (segmentazione oloblastica), mentre uova con grande quantità di tuorlo segmentano parzialmente (segmentazione meroblastica). Il tuorlo è un adattamento evolutivo dell embrione che pertanto può svilupparsi senza assunzione esterna di cibo. Gli animali che hanno uova con poco tuorlo (oligolecitiche), come il riccio di mare (Echinoderma) o l Anfiosso (Cordato), hanno uno sviluppo embrionale molto breve con la formazione di una larva in grado di muoversi e nutrirsi. Passando ai Vertebrati, dagli Anfibi ai Pesci e poi ai Rettili, si osserva un progressivo aumento di tuorlo che si accompagna alla riduzione e poi alla scomparsa dello stadio larvale. Infatti, alcuni Anfibi con uova contenenti una discreta quantità di tuorlo (mesolecitiche), presentano segmentazione totale e formano un girino come stadio larvale; altri Anfibi adattati alle zone desertiche, con uova contenenti grandi quantità di tuorlo (macrolecitiche) come quelle dei Pesci e dei Sauropsidi, hanno segmentazione parziale e l embrione si può sviluppare interamente a spese del tuorlo. Per contro i Mammiferi Placentati, con uova prive di tuorlo (alecitiche), hanno segmentazione totale ma sviluppano, accanto all embrione, la placenta, un annesso che, attraverso scambi materno-fetali, provvede al nutrimento dello stesso.
L echidna trattiene l uovo nell utero fino allo stadio di morula e successivamente viene deposto e sistemato in una tasca cutanea dove dopo la schiusa, il piccolo viene allattato L ornitorinco depone le uova (1-3) in una tana nella quale dopo la schiusa i piccoli permangono per circa due settimane allattati dalla madre I Mammiferi sono considerati filogeneticamente derivati da antenati correlati ai Rettili primitivi che avevano probabilmente uova macrolecitiche simili a quelle degli attuali Sauropsidi. Durante la filogenesi i Mammiferi sono diventati vivipari in quanto la madre forniva nutrimento all embrione attraverso la placenta. Non essendoci necessità di tuorlo ai fini nutrizionali, questo è progressivamente scomparso e le uova sono divenute più piccole. Questo aspetto dello sviluppo evolutivo può facilmente essere evidenziato nelle tre sottoclassi dei Mammiferi: Prototeri o Monotremi Metateri o Marsupiali Euteri o Placentati Infatti i Prototeri depongono uova macrolecitiche ed il tuorlo costituisce il nutrimento dell embrione. I Metateri sviluppano uova con moderato contenuto di tuorlo; quest ultimo viene però espulso per cui il nutrimento dell embrione è sostenuto, in utero, da una pseudo-placenta. Infine gli Euteri hanno uova prive di tuorlo ed il nutrimento dell embrione in utero è sostenuto esclusivamente dalla placenta. In parallelo alla diminuzione del tuorlo, si assiste al passaggio da una segmentazione parziale ad una segmentazione totale.
GASTRULAZIONE In tutti i Vertebrati al termine della segmentazione si forma una blastula, più o meno cava e colma di liquido circondata da cellule organizzate in un foglietto detto blastoderma. Tali cellule vanno incontro ad una serie di spostamenti, correlati a modificazioni morfologiche, che comportano anche un profondo cambiamento della forma della blastula. La gastrulazione è il processo che porta al riordino delle cellule del disco embrionale prima in due (stadio didermico) e poi in tre (stadio tridermico) strati concentrici denominati foglietti germinativi che dall esterno all interno sono rappresentati da ectoderma, mesoderma ed endoderma, dai quali deriveranno tutti i tessuti e gli organi dell individuo. Il riordino delle cellule avviene attraverso movimenti morfogenetici irreversibili ed il processo non comporta in genere aumento volumetrico dell embrione, anche se l attività mitotica è comunque intensa. Si assiste però a modificazioni metaboliche in relazione all iniziale differenziamento. Sebbene i tipi di gastrulazione varino notevolmente nelle diverse specie animali, anche in relazione al tipo di blastula che si è formata alla fine del processo di segmentazione, i meccanismi primari di tale processo sono conservati filogeneticamente e sono ripetutamente utilizzati in varie tappe dello sviluppo. La gastrulazione è il risultato di una combinazione dei seguenti meccanismi di movimento: 1. espansione di cellule in superficie in modo da ricoprire e circondare quelle più interne o epibolia; 2. movimento di divisione di uno strato di cellule in due lamine parallele o delaminazione; 3. movimenti di aggregazione cellulare o di addensamento conseguenti ad aumento di adesione tra le cellule o ad aumento locale delle divisioni mitotiche. 4. spostamento di cellule dalla superficie verso l interno. Questo spostamento di cellule verso l interno può avvenire per: invaginazione, ripiegamento di una porzione del blastoderma o di una lamina cellulare verso l interno, simile all infossamento di una palla di gomma quando viene schiacciata in un punto circoscritto o embolia; involuzione, ripiegamento e scorrimento di cellule in modo da accollarsi alla superficie interna dello strato superficiale; ingressione o immigrazione, migrazione di singole cellule del blastoderma all interno dell embrione.
Ectoderma E il foglietto embrionale più esterno, ha la forma di un disco epiteliale in continuità con l ectoderma amniotico e si divide in tre territori principali: l ectoderma di rivestimento il tubo neurale la cresta neurale Differenziamento dei foglietti embrionali
Mesoderma E il foglietto embrionale intermedio e si divide in cinque territori principali: Placca precordale Cordomesoderma Mesoderma parassiale Mesoderma intermedio Mesoderma laterale
Endoderma L endoderma comincia il suo differenziamento formando il tubo intestinale primitivo. (fegato, pancreas)
Durante lo sviluppo si succedono due periodi indicati come periodo embrionale e periodo fetale. Il periodo embrionale va dalla fecondazione al momento in cui il nuovo organismo è nettamente definito nel suo aspetto esteriore e nelle sue parti costitutive. A questo segue il periodo fetale, che si estende fino al termine della gravidanza, nel quale si perfeziona e si completa l organogenesi.
ANNESSI EMBRIONALI: aspetti evolutivi Gli annessi embrionali sono strutture che si formano da estensioni dei foglietti embrionali nella cosiddetta area extraembrionale e permettono lo sviluppo dell embrione e del feto. Nei Vertebrati acquatici a fecondazione esterna, come la maggior parte dei Pesci Teleostei e degli Anfibi, lo sviluppo embrionale avviene all interno della membrana dell uovo circondata da un esile strato gelatinoso, cosicchè gli scambi gassosi e l allontanamento dei cataboliti avvengono facilmente tra l embrione e l acqua circostante. Il tuorlo, necessario alla nutrizione dell embrione, viene inglobato nel citoplasma delle cellule dell endoderma (Anfibi) o avvolto dai tre foglietti endoderma, mesoderma e ectoderma (Teleostei) che insieme formano la parete del cosiddetto sacco del tuorlo o vitellino. Questo costituisce l unico annesso presente nei Pesci. L espansione dei Vertebrati sulle terre emerse ha richiesto, tra i tanti adattamenti, che gli embrioni fossero particolarmente protetti dalla disidratazione e dalla forza di gravità. E stato quindi ricreato un ambiente acquatico dove gli embrioni potessero svilupparsi: l amnios con il liquido amniotico in esso contenuto. Pertanto i Rettili, gli Uccelli e i Mammiferi possiedono questo nuovo annesso e sono definiti amnioti. Inoltre i Vertebrati terrestri ovipari (la maggior parte dei Sauropsidi e i Mammiferi Monotremi) hanno sviluppato degli involucri a funzione protettiva e nutritizia attorno alle uova, quali l albume, la membrana testacea e il guscio calcareo. Tali involucri, rendendo difficoltosa l eliminazione delle sostanze di scarto e la respirazione, hanno determinato la necessità della formazione di altri due annessi embrionali: il corion e l allantoide. La viviparità, che comporta l instaurarsi di un rapporto tra l ovidutto o l utero materno e l embrione, è sporadica nei Vertebrati acquatici (alcuni squali) e nei Rettili (camaleonti), ma raggiunge il successo evolutivo nei Mammiferi Metateri e Euteri, con rapporti sempre più stretti tra madre ed embrione. Tali rapporti sono resi possibili da profonde modificazioni del corion e della mucosa uterina che insieme costituiscono la placenta, organo che attua i necessari scambi metabolici tra madre ed embrione rendendo pertanto inutile la presenza di tuorlo nelle uova di questi animali.