Biologia dello sviluppo pt2 PDF

Preview

Summary

gastrulazione, neurulazione...

Description

Gastrulazione del riccio di mare Nel riccio di mare, la blastula avanzata è costituita da un unico strato di circa 1000 cellule che formano una sfera cava, leggermente appiattita al polo vegetativo. STADIO DI BLASTULA: ogni cellula è a contatto con la soluzione proteica del blastocele e sul lato opposto con lo strato ialino che è sul lato interno della membrana di fecondazione. Allo stadio iniziale: le cellule formano una sfera cava che circonda il blastocele centrale ed ogni cellula sviluppa un singolo ciglio. Nello stadio avanzato invece: le cellule assumono forme differenti durante l’allungamento della piastra vegetativa. (parte gialla e rossa). Quando poi viene liberata dagli involucri la blastula è capace di un movimento natatorio. (parte rossa) effettua il fenomeno di ingressione. Formazione del mesenchima primario: poco dopo che la blastula si schiude dalla sua membrana di fecondazione, i discendenti dei grandi micromeri cambiano forma, perdendo adesione con le cellule vicine e rompendo lo stato apicale per entrare nel blastocele come cellule mesenchimali scheletogene (primarie). Le cellule del mesenchima primario iniziano quindi a estendersi e a contrarsi, emettendo prolungamenti lunghi e sottili definiti filopodi. Inizialmente, le cellule danno l’impressione di muoversi a caso lungo la superficie interna del blastocele, formando e rompendo attivamente connessioni dei filopodi che le agganciano alla parete del blastocele. Alla fine, tuttavia, le cellule si localizzano nella futura regione ventro-laterale del blastocele stesso; qui si fondono formando cordoni sinciziali, che costituiranno l’asse delle spicole di carbonato di calcio scheletrico larvale. Importanza della lamina extracellulare all’interno del blastocele: L’ingresso dei discendenti dei grandi micromeri all’interno del blastocele è conseguenza del fatto che queste cellule perdono affinità per lo strato ialino e le cellule vicine, mentre aumentano di cento volte la loro affinità per i componenti della lamina basale e la matrice extracellulare. Tali variazioni di affinità fanno sì che i precursori del mesenchima primario si distacchino dallo strato ialino esterno e dalle cellule vicine e, guidati all’interno dalla membrana basale, migrino nel blastocele. Si può osservare un’alta concentrazione di materiale extracellulare intorno alle cellule del mesenchima primario che si stanno spostando all’interno. Una volta all’interno del blastocele, le cellule del mesenchima primario migrano lungo la matrice extracellulare della parete blastocelica, allungando filopodi davanti a sé. Queste cellule che costituiscono il mesenchima primario poi si localizzano lateralmente e formeranno lo scheletro della larva. Formazione dell’archenteron (I stadio, invaginazione): primo stadio. Quando le cellule del mesenchima primario lasciano la regione vegetativa del blastocele, si verificano modificazioni importanti nelle cellule che invece rimangono in quella regione. Queste, infatti, si addensano e si appiattiscono formando una piastra vegetativa, cambiando così la forma dell’intera blastula. Le cellule della piastra vegetativa rimangono legate l’una all’altra e allo stato ialino della membrana di fecondazione, e si spostano per colmare gli spazi lasciati dallo spostamento del mesenchima primario all’interno del blastocele. Inoltre la piastra vegetativa si invagina verso l’interno formando l’ARCHENTERON (intestino primitivo). L’apertura che si crea al polo vegetativo prende il nome di BLASTOPORO (diverrà l’apertura anale). L’invaginazione è dovuta a cambiamenti di forma di alcune cellule che assumono forma a cuneo e alla produzione delle cellule della piastra vegetativa di condroitinsolfato. Lo strato ialino che riveste l’embrione è costituito da due strati: -una lamina interna costituita da proteine fibropelline -una lamina esterna costituita principalmente da proteina ialina. Il condroitinsolfato prodotto dalle cellule della piastra vegetativa fa rigonfiare la lamina interna, ma non quella esterna così che l’invaginazione può avvenire solo verso l’interno (lo strato esterno rimane rigido). Allo stadio in cui le cellule del mesenchima primario cominciano ad entrare nel blastocele, il destino delle cellule della piastra vegetativa è già stato specificato. Il mesenchima secondario non scheletogeno infatti è costituito dal primo gruppo di cellule che si invaginano, formando la sommità dell’archenteron e aprendosi la strada all’interno del blastrocele. Il mesenchima secondario formerà le cellule del pigmento, la muscolatura intorno al tratto digerente, e contribuirà alle tasche celomatiche. Le cellule endodermiche adiacenti diventeranno intestino anteriore, medio e posteriore, migrando il più lontano possibile attraverso il blastocele. Le cellule vegetative sono specificate da tre diversi segnali: - livelli di β-catenina (segnale proveniente dai micromeri – via Wnt). - Segnale secondario proveniente dai micromeri mediato dalla via Deltanotch: la proteina Delta presente sulla superficie dei micromeri attiva la via Notch sulle cellule adiacenti veg2 inducendole a diventare mesenchima secondario. - Le cellule che non ricevono il segnale Delta (quelle vegetative più lontane) producono Wnt8 (segnale autocrino) e si differenziano in endoderma. Secondo e terzo stadio dell’invaginazione dell’archenteron. A questo stadio, l’archenteron si estende vistosamente, triplicando talora la sua lunghezza. In questo processo di estensione, il largo e corto abbozzo dell’intestino si trasforma in un tubo lungo e sottile. Per effettuare tale allungamento, le cellule dell’archenteron modificano la loro forma e iniziano a migrare. Per prima cosa, le spesse cellule della piastra vegetativa si assottigliano, poi si organizzano, intercalandosi l’uno all’altra. Questo fenomeno in cui le cellule si intercalano per ridurre le dimensioni del tessuto e al tempo stesso di spostarlo in avanti, è detto estensione convergente. In questo modo l’archenteron si allunga. La fase finale dell’allungamento dell’archenteron è avviata dalla tensione esercitata dalle cellule del mesenchima secondario, che si formano dalla sommità dell’archenteron e lì restano. Queste cellule mettono filopodi che si estendono nel fluido del blastpocele, e prendono contatto con la superficie interna della parete della

blastocelica. I filopodi aderiscono alla parete a livello delle giunzioni tra i blastomeri e poi si accorciano, trainando l’archenteron verso l’alto. Quando la sommità del l’archenteron incontra la parete blastocelica nella regione bersaglio, le cellule del mesenchima secondario si disperdono nel blastocele, dove proliferano per formare gli organi mesodermici. Dove l’archenteron prende contatto con la parete, si forma infine una bocca. La bocca si fonde poi con l’archenteron formando un tubo digerente continuo. Gastrulazione negli anfibi Meccanismi che guidano la gastrulazione in xenopus: 1) Attivazione del genoma (nelle fasi iniziali della segmentazione si ha ancora regolazione materna): avviene alla fine del 12° ciclo cellulare e a questo punto cellule differenti cominceranno ad esprimere geni differenti e i blastomeri acquistano capacità di movimento (TRANSIZIONE DELLA BLASTULA INTERMEDIA); 2) L’ingresso dello spermatozoo provoca la rotazione del citoplasma corticale dell’uovo e determina la posizione del blastoporo (SEMILUNA GRIGIA); 3) Formazione delle cellule a fiasco generano il blastoporo e danno il via all’inizio della gastrulazione; 4) Rotazione vegetativa la rotazione della massa delle cellule vegetative da il via allo spostamento del mesoderma e dell’endoderma all’interno dell’embrione (→ invaginazione delle cellule a fiasco & embolia); 5) Estensione convergente che aiuta la migrazione del mesoderma dorsale all’interno dell’embrione (cellule marginali); 6) Epibolia delle cellule della calotta animale e delle cellule marginali che non attuano l’embolia (non-involuting marginal zone, NIMZ) che vanno a ricoprire l’intero embrione (formeranno l’ectoderma); ROTAZIONE VEGETATIVA. Le blastule degli anfibi devono affrontare gli stessi compiti delle blastule degli invertebrati, cioè, portano all’interno dell’embrione le aree destinate a formare gli organi endodermici, circondare l’embrione con cellule capaci di formare l’ectoderma e collocare in mezzo le cellule mesodermiche nelle posizioni appropriate. In Xenopus, i precursori del mesoderma si trovano principalmente nello strato profondo, mentre l’ectoderma e l’endoderma originano dallo strato superficiale dell’embrione. La maggior parte dei precursori della notocorda e altri tessuti mesodermici sono situati sotto la superficie, nella regione equatoriale dell’embrione. Negli embrioni di rana la gastrulazione posiziona il mesoderma tra l’ectoderma esterno e l’endoderma interno. Questi movimenti iniziano nel futuro lato dorsale dell’embrione, immediatamente al di sotto dell’equatore, nella regione della semiluna grigi, regione opposta al sito d’ingresso dello spermatozoo. Qui le cellule s’invaginano formando un blastoporo, che ha l’aspetto di una fessura. Queste cellule modificano drasticamente la loro forma. Il corpo principale di ogni cellula è spostato verso l’interno dell’embrione, mentre il contatto della cellula con la superficie esterna è mantenuto da un collo sottile. Queste cellule a fiasco delimitano l’archenteron (tratto digerente primitivo) mentre si forma. Così, come nella gastrulazione del riccio di mare, un’invaginazione cellulare da inizio alla formazione dell’archenteron. A differenza del riccio di mare, nella rana la gstrulazione non comincia nella regione più vegetativa, bensì nella regione marginale: la zona che circonda l’equatore della blastula, dove s’incontrano l’emisfero animale e quello vegetativo. In Xenopus, il fattore principale nel ovimento delle cellule all’interno dell’embrione sembra essere l’embolia(involuzione) delle cellule più profonde, piuttosto che delle cellule marginali più superficiali. L'involuzione non è un evento passivo. Avviene perché 2 ore prima c’è la rotazione vegetativa che spinge l’endoderma faringeo prospettico lungo il lato del blastocele verso la futura parte anteriore. L’endoderma faringeo si trova immediatamente sopra la mesoderma cefalico. Lo strato superficiale di cellule marginali (endodermiche) è tirato all’interno (per embolia) a formare il rivestimento endodermico dell’archenteron perché è attaccato alle cellule profonde attivamente migranti. Le cellule marginali che effettuano l’involuzione o embolia prendono anche il nome di IMZ (zona marginale che attua l’embolia). La fase successiva della gastrulazione comporta l’embolia delle cellule della zona marginale, mentre le cellule del polo animale vanno incontro a epibolia e convergono nel blastoporo. Quando le cellule marginali migranti raggiungono il labbro del blastoporo, voltano verso l’interno e si spostano lungo la superficie delle cellule esterne dell’emisfero animale. Le cellule che costituiscono il labbro del blastoporo cambiano quindi continuamente. Le prime cellule a formare il labbro dorsale del blastoporo e a entrare nell’embrione sono quelle componenti l’endoderma faringeo prospettico del tratto digerente anteriore. Quando queste prime cellule passano all’interno dell’embrione, il labbro dorsale del blastoporo diventa costituito da cellule che involvono nell’embrione per diventare la placca precordale (precursore del mesoderma cefalico). Le cellule che attuano successivamente l’embolia nell’embrione, attraverso il labbro dorsale del blastoporo, sono le cellule del cordonmesoderma. Queste cellule formano la notocorda un cordone assiale mesodermico transitorio, che svolge un ruolo importante nell’indurre e modellare il sistema nervoso. Le cellule che costituiscono il labbro dorsale del blastoporo cambiano quindi continuamente, in quanto le cellule iniziali migrano all’interno dell’embrione e vengono sostituite da cellule che migrano verso il basso, all’interno e verso l’alto. Con l’ingresso di nuove cellule nell’embrione, il blastocele si sposta sul lato opposto al labbro dorsale del blastoporo e contemporaneamente si restringe (fino a obliterarsi completamente) per l’aumento di volume dell’archenteron. Nel frattempo il labbro dorsale si estende lateralmente e ventralmente. Si formano dunque labbra laterali e labbro ventrale. Con la formazione del labbro ventrale, il blastoporo forma un solco anulare attorno a cellule voluminose endodermiche che restano esposte (TAPPO VITELLINO), che alla fine

saranno anch’esse portate all’interno. A questo punto, tutti i precursori dell’endoderma sono stati portati dentro l’embrione, l’ectoderma ha rivestito tutta la superficie e il mesoderma è stato collocato tra gli altri due foglietti. Estensione convergente del mesoderma dorsale. L'embolia comincia dorsalmente, guidata dall’endomesoderma faringeo e dal mesoderma cefalico. La IMZ (zona marginale che attua l’embolia) è originariamente formata da strati multipli di cellule. Poco prima di scorrere all’interno attraverso il labbro blastoporo, gli strati multipli di cellule della IMZ profonda s’intercalano in senso radiale, formando uno strato sottile e ampio. Questa interpolazione estende ulteriormente la IMZ verso il polo vegetativo. Allo stesso tempo, le cellule superficiali si distendono, dividendosi e appiattendosi. Quando le cellule profonde raggiungono il labbro del blastoporo, scorrono all’interno dell’embrione e danno inizio a un secondo tipo d’interpolazione, che determina una estensione convergente lungo l’asse mediolaterale nella quale diverse correnti di mesoderma si integrano a formare una banda lunga e stretta. La parte anteriore di questa banda migra verso la calotta animale. L’intercalazione radiale e medio-laterale dello strato cellulare profondo si rivela responsabile del movimento continuo del mesoderma all’interno dell’embrione. Le forze principali che guidano l’estensione convergente del mesoderma sono: 1) la coesione cellulare polarizzata: legame tra i prolungamenti delle cellule mesodermiche e la fibronectina della matrice extracellulare; 2) la differente coesione delle cellule (es. protocaderina parassiale e protocaderina assiale vengono espresse in modo specifico in cellule mesodermiche); 3) il flusso di calcio 1) Coesione cellulare polarizzata: In molti anfibi, i precursori mesodermici che attuano l’embolia migrano verso il polo animale su una trama di fibronectina secreta dalle cellule del tetto del blastocele (cellule ectodermiche). Le cellule mesodermiche attuano l’embolia spostandosi lungo le fibrille di fibronectina. Iniettando polipeptidi sintetici (una “falsa“ fibronectina) nel blastocele di salamandra prima della gastrulazione, i precursori del mesoderma non sono in grado di riconoscere la normale via di migrazione e rimangono in superfice e non si forma l’archenteron. 2)Differente coesione delle cellule: durante la gastrulazione i geni codificanti le proteine di adesione protocaderina parassiale e protocaderina assiale vengono espressi in modo specifico, rispettivamente, nel mesoderma parassiale (da cui derivano i somiti) e nella notocorda. Somiti: blocchi di cellule mesodermiche, disposti ai due lati del tubo neurale, che daranno origine a gran parte dei tessuti connettivi del dorso (osso, muscolo, cartilagine, derma). 3) Flusso di Ca2+: Wallingford et al. (2001) hanno evidenziato che onde di Ca2+ vengono rilasciate da depositi intracellulari e attraversano i tessuti dorsali che attuano l’estensione convergente. Se si blocca il rilascio degli ioni calcio, si ha ancora la normale specificazione delle cellule, ma il mesoderma dorsale non converge, né si estende. Si ritiene che il calcio rilasciato regoli la contrazione dei microfilamenti actinici. Epibolia dell’ectoderma. Durante la gastrulazione, la calotta animale e le cellule della zona marginale che non attuano l’embolia si espandono per epibolia fino a ricoprire tutto l’embrione. Queste cellule formeranno l’ectoderma di superficie. Nella gastrulazione di Xenopus, il meccanismo principale alla base dell’epibolia è l’aumento del numero di cellule (le divisioni mitotiche continuano anche durante la gastrulazione) associato alla concomitante integrazione di diversi strati profondi in un solo strato. Un secondo meccanismo di epibolia in Xenopus coinvolge l’assemblaggio della fibronectina in fibrille del tetto del blastocele. Questa fibronectina fibrillare è fondamentale nel cosentire la migrazione in direzione vegetativa delle cellule della calotta animale e la chiusura dell’embrione. Formazione dei foglietti embrionali guardare disegno sulla slide: i disegni mostrano sezioni meridiane tagliate a metà dell’embrione e disposte in modo che il polo vegetativo sia inclinato verso l’osservatore e leggermente a sinistra. Le frecce indicano i principali movimenti cellulari e le cellule superficiali dell’emsro animale sono colorate in modo da poterne seguire i movimenti. Sotto le figure si trovano le corrispondenti microfotografie ottenute con un microscopio in grado di acquisire immagini di superficie. (A,B) Gastrulazione iniziale. Le cellule a fiasco della zona marginale si portano verso l’interno formando il labbro dorsale del blastoporo e i precursori del mesoderma s’involvono sotto il tetto del blastocele. AP indica la posizione del polo animale, che cambia con il progredire della gastrulazione. (C,D) Fase intermedia della gastrulazione. Si forma l’archenteron, che sposta il blastocele, e le cellule migrano all’interno dell’embrione attraverso le labbra laterali e ventrale del blastoporo. Le cellule dell’emisfero animale migrano in basso verso la regione vegetativa, spostando il blastoporo nella regione vicina al polo vegetativo. (E,F) Verso la fine della gastrulazione, il blastocele è l’obliterato, l’embrione è rivestito dall’ectoderma, l’endoderma è stato portato all’interno, e le cellule del mesoderma si sono disposte tra ectoderma ed endoderma. Gastrulazione Xenopus: I principali movimenti sono: Embolia o involuzione: Una lamina di cellule penetra all’interno dell’embrione ruotando al di sotto di sé stesso (movimento di rotazione di un foglietto di cellule contro la superficie interna dello stesso foglietto). Epibolia: l’espansione dell’ectoderma che accompagna l’internalizzazione dell’endoderma e del mesoderma. Estensione convergente: un gruppo di cellule cambia forma estendendosi in una direzione e restringendosi (convergendo) in senso perpendicolare a quello dell’estensione. Formazione degli assi negli anfibi. Come si è visto, l’uovo non fecondato presenta una polarità lungo l’asse polo animale-polo vegetativo.; è possibile quindi tracciare una mappa dei foglietti embrionali sull’oocita ancora prima della fecondazione.

Mappa presuntiva della blastula di Xenopus laevis. Questa mappa presuntiva è imposta all’uovo da VegT e Vg1 i cui mRNA sono localizzati nella regione corticale vegetativa degli ovociti di Xenopus e vengono distribuiti alle cellule vegetative durante la segmentazione. Formazione degli assi negli Anfibi Endoderma Mesoderma Mesoderma Ectoderma Ectoderma Le cellule vegetative hanno quindi 2 funzioni: differenziarsi in endoderma e indurre le cellule immediatamente sopra a formare il mesoderma. La formazione degli assi negli anfibi è un esempio combinato di specificazione autonoma (sviluppo a mosaico) e di specificazione condizionata (sviluppo regolativo). Hans Spemann (1903) dimostrò che i primi blastomeri di tritone hanno nuclei identici, capaci di produrre ciascuno una larva intera. Spemann usò un capello di neonato, preso a sua figlia, per stringere un laccio attorno allo zigote lungo il piano della prima divisione di segmentazione. Praticò poi una parziale strozzatura dell’uovo, facendo si che tutte le divisioni nucleari si svolgessero da un solo lato della costrizione . Alla fine, in molti casi quando l’uovo era già allo stadio di 16 blastomeri, un nucleo sfuggiva attraverso la strozzatura, passando nel lato privo di nuclei. Si sviluppano due larve gemelle, una leggermente più avanzata dell’altra. Da questi esperimenti, Spemann concluse che negli anfibi i primi nuclei erano geneticamente identici e che ogni blastomero era capace di dare origine a un intero organismo. Quando però eseguì un esperimento simile, con la strozzatura sempre longitudinale ma questa volta perpendicolare al piano della prima divisione di segmentazione, Spemann ottenne un risultato tutto diverso. I nuclei continuarono a di...