Paride ManteccaDipartimento di Scienze dell’Ambiente e della Terra
U1, stanza [email protected]
Informazioni: piattaforma e-learning
Ricevimento: Mercoledì 12.30-13.30 (appuntamento mail)
Orario lezioniMercoledì 10.30-12.30 Aula U3-06Giovedì 13.30-15.30 Aula U3-09
EMBRIOLOGIA
Materiale didatticoTesti consigliati
Gilbert S.F., Biologia dello Sviluppo, Ed. Zanichelli (2012)Gilbert and Barresi, Developmental biology (XI ed. inglese). Ed. SinauerBarbieri M e Carinci P., Embriologia, 3° Edizione, Ed. CEA (2015)Gilbert S.F., Epel D., Eco-Devo – Ambiente e Biologia dello Sviluppo. Ed. Piccin (2018)Giudice, Augusti-Tocco, Campanella, Biologia dello sviluppo. Ed. Piccin (2010)
Altra documentazione bibliografica (libri, lavori scientifici) verràsegnalata durante il corso. Modalità d’esame: ORALE
PROGRAMMAApparato riproduttore maschile e femminile.
Gametogenesi: meccanismi che regolano il processo dispermatogenesi ed oogenesi nei Mammiferi. Morfologia deigameti. Classificazione e comparazione della cellula uovo neimodelli sperimentali di sviluppo.
Fecondazione: Attivazione dello spermatozoo. Interazione,legame e riconoscimento dei gameti. Attivazione delmetabolismo della cellula uovo e formazione dello zigote.
Segmentazione: modalità e meccanismi regolativi dellasegmentazione. Specificazione del destino cellulare nelleblastule e nella blastocisti di mammifero. Meccanismi cheregolano l’impianto della blastocisti.
Gastrulazione: specificazione delle cellule ed organizzazionedei territori embrionali ed extraembrionali. Formazione degliannessi embrionali. Identificazione degli assi corporei dorso-ventrale e sinistra destra.
Annessi embrionali e placentazione: descrizione dei diversiannessi embrionali dei vertebrati e formazione dellaplacenta nei mammiferi
Organogenesi:Formazione del tubo neurale: neurulazione primaria esecondaria. Cellule della cresta neurale.Sviluppo degli organi di senso (occhio).Differenziamento del mesoderma parassiale: processi cheregolano la somitogenesi; determinazione e destino dellosclerotomo, dermatomo e miotomo.Differenziamento del mesoderma intermedio: il sistemaurogenitale.Differenziamento del mesoderma della lamina laterale.Differenziamento dell’endoderma.Lo sviluppo dell’arto nei tetrapodi.
Ambiente e Biologia dello Sviluppo: il concetto Eco-Devo
Cenni di teratologia
Modelli sperimentali in embriologia e applicazioni per studiambientali e biomedici
Durante il corso verranno svolte attività seminariali suargomenti storici e di attualità inerenti il corso.
Definizione di Embriologia
Balinsky (Introduzione all’embriologia,1975): “Studio dell’embrione, intendendo con questo termine gli stadipiù precoci dello sviluppo di un animale, quando esso è ancora contenuto nell’uovo all’interno dellemembrane o nel corpo materno. L’animale uscito dall’uovo o dal corpo della madre cessa di essere un embrione e non è più oggetto di studio dell’embriologia nel senso stretto della parola.
Gilbert (Biologia dello Sviluppo, 2010): Lo studio dello sviluppo animale è stato chiamato tradizionalmenteembriologia, con riferimento all’organismo che esiste tra la fecondazione e la nascita.
Treccani (web): “È quel ramo delle scienze biologiche che studia il processo di sviluppo d'un organismodall'uovo, cioè la formazione dell'embrione”. L'embriologia ha potuto svilupparsi soltanto dopo la scoperta del microscopio e progredire col perfezionarsi della tecnica microscopica.
Wikipedia (web): “L'embriologia (in greco εμβρυολογία) è la branca della biologia che studia i processitramite i quali gli organismi crescono e si sviluppano prima della nascita. L'embriologia odierna studia tutte quelle tappe che da un gamete femminile (ovulo o cellula uovo) fecondato da un gamete maschile (spermatozoo) portano ad un individuo maturo adulto. Il termine embriologia, perciò si riferisce allo studio degli organismi tra lo stadio unicellulare(generalmente, lo zigote) e l'inizio della vita indipendente.
… ma lo sviluppo non si interrompe alla nascita e nemmeno all’età adulta (es. rigenerazione, metamorfosi….)Attualmente si parla di Biologia dello Sviluppo come disciplina che studia lo sviluppo embrionale e altriprocessi di sviluppo
Ippocratemedico di Kos, visse tra il 460 e il 370 a.C.
Per primo condusse la medicina dal mito al metodo scientifico
«Nella donna come nell’uomo esiste un seme sia femminile siamaschile, a partire dall’evidenza dei fatti. Molte donne, in effetti,hanno già dato alla luce, unendosi con determinati uomini, prole disesso femminile; dall’unione con altri uomini, invece, generarono proledi sesso maschile [...]. Del resto, non è possibile che somigli in tuttoalla madre, in nulla invece al padre, né è ammissibile il caso contrario.Piuttosto vi deve essere una qualche somiglianza con entrambi, se èvero che il seme proviene alla prole da entrambi i genitori. Il seme, siadella donna che dell’uomo, giunge proveniente da tutto il corpo»
Primo trattato di embriologia
La storia dell’Embriologia
Aristotele
De Generatione animalium (350 circa a.C.)
Per Aristotele conoscere una cosa significa sempre conoscere le cause che l’hannodeterminata
Descrisse lo sviluppo dell’embrione di pollo, aprendo ogni giorno un uovo per le 3settimane di incubazione
Studi sulla nascita degli animaliAnimali che nascono da uova (ovipari)Animali che vengono partoriti (vivipari)Animali che nascono da uova che si schiudono nel corpo materno (ovovivipari)
Studi sulla formazione degli embrioniSi divide l’intero uovo (segmentazione oloblastica)Solo parte dell’uovo dà origine all’embrione (segmentazione meroblastica)
Dopo Aristotele, 2000 anni di oblio…
Girolamo Fabrici d'Acquapendente (Acquapendente, 1533 – Padova 1619)
De formato foetu del 1600(Primo trattato di embriologia moderna)
De formatione ovi, et pulli del 1621
L'Acquapendente diede numerosi contributi originali efondamentali in anatomia, embriologia, anatomiacomparata (famosa negli uccelli è la Borsa di Fabrizio)nonché in chirurgia. Per alcune sue opere pionieristiche(De formato foetu, De formatione ovi et pulli) è statoconsiderato il padre dell'embriologia moderna.In realtà l'Acquapendente fu soprattutto un grandissimo anatomista e fisiologo oltre che un grande chirurgo.
William Harvey (1578-1657)nel 1600, si trasferì all'Università di Padova, dove fu allievo di Girolamo Fabrici d'Acquapendente
known for his accurate description of how blood circulates through the body.
Harvey also made significant contributions to embryology with the publication of his bookExercitationes de Generatione Animalium (1651). In this book he established several theoriesthat would set the stage for modern embryology and addressed many embryological issues
including conception, embryogenesis, and spontaneous generation.
Secondo Harvey tutti gli animali derivano da un uovo
"ex ovo omnia”
Marcello Malpighi(Crevalcore, 1628 – Roma, 1694)
Convinto assertore della necessità di studiare gli animali semplici ("microscopium naturae") per comprendere quelli più complessi, stabilì pervia analogica che lo studio dei primi abbozzi non elaborati (grezzi) degli animali durante il corso dello sviluppo fosse particolarmenteproficuo, gettando così le basi dei futuri rapporti fra embriogenesi e filogenesi, mentre l'embriologia diventava un prezioso aiuto per lostudio della morfologia dell'adulto. Su tali presupposti metodologici si basano i lavori embriologici (De bombyce, 1669; De formatione pulli inovo, 1673) in cui descrisse l'area vascolare abbracciata dal seno terminale, il tubo cardiaco e la sua segmentazione, gli archi dell'aorta, isomiti, i campi neurali, le vescicole ottiche, il protofegato, le ghiandole del prestomaco e i follicoli delle piume.
De formatione pulli in ovo, 1673
Osservazione al microscopio dell’embriogenesi di pollo:Solco neurale, somiti, sistema circolatorio da e verso il tuorlo…
Con Malpighi iniziano le dispute EPIGENESI/PREFORMISMO
Gli organi dell’embrione si formano “dal nulla” ad ogni generazione(Aristotele, Harvey)
Gli organi dell’embrione sono già presenti “in miniatura” nell’uovo o nello spermatozoo(Malpighi)
Gli organismi si riproducono!
Fino a qualche secolo fa (non è poi molto) si credeva nella generazione spontanea degli organismi. Rane e anguille potevano nascere dal fango, i vermi dalla carne in putrefazione, i topi dai granai.
Solo nel XVII secolo gli esperimenti di Francesco Redi (1626-1698) dimostrarono che la generazione spontanea non era possibile(… metodo sperimentale)
Prove successive contro la generazione spontaneaLazzaro Spallanzani (1729-1799)
Luis Pasteur (1822-1895)
… la fine della teoria della generazione spontanea
Prototipo di microscopio composto illustrato da Robert Hooke e suo disegno di cellule di sughero, come appaiono nel volume Micrographia, pubblicato dallo stesso autore (Londra, 1665).
Il mondo invisibile delle cellule
È il fisico Robert Hooke ad utilizzare per la prima volta la parola cellulae (piccole camere) per indicare i microscopici compartimenti del sughero.
A questa osservazione abbiamo ereditato il termine cellula
Il perfezionamento del microscopio e la teoria cellulare alla base dell’embriologia moderna
Come si è arrivati alla formulazione della teoria cellulare?… un principio unificante della biologia
Nel 1590 due olandesi costruttori di occhiali, Zacharias e Hans Janssen, misero a punto il primo microscopio ottico composto
Nel 1665 il fisico inglese R. Hooke utilizzò il termine «cellulae» per indicare le cellette del sughero osservate con il suo microscopio
Negli stessi anni un commerciante olandese – naturalista per passione –Anton Van Leeuwenhoek osservò con il suo microscopio e descrisse gli animalcules (verosimilmente protozoi) in alcune gocce di acqua stagnante… osservò anche i primi spermatozoi.
Nel 1830 il chirurgo scozzese, botanico per passione, Robert Brown scoprì che tutte le cellule delle piante avevano all’interno una struttura circolare che chiamò nucleus (diminutivo del latino nux= noce). Scoprì quindi il nucleo
Nel 1838 il botanico tedesco Matthias Schleiden affermò che tutti i tessuti delle piante erano costituiti da cellule e che qualsiasi pianta nasceva da una singola cellula
La teoria cellulare
Contemporaneamente, studiando i tessuti animali, lo zoologo tedesco Theodor Schwann giunse alle stesse conclusioni di Schleiden e formulò i principi basilari della teoria cellulare:
1. La cellula è l’unità base della struttura di tutti gli organismi
(ovvero è l’unità fondamentale della vita)
2. Tutti gli organismi consistono di una o più cellule
Tuttavia ai tempi di Schleiden e Schwann vigeva ancora la teoria della generazione spontanea della vita. Non compresero quindi l’origine delle cellule.
Ma come hanno origine le cellule?...
Schleiden propose origine per formazione libera (i nuclei conterrebbero cellule in miniatura – gemme nucleari)
La risposta definitiva venne dall’embriologia…
1841 – Kölliker descrisse la spermatogenesi – gli spermatozoi sono cellule
1852 – Remak dimostrò che anche l’uovo di rana è una cellula
Nel 1855 il medico tedesco Rudolf Virchow estese le osservazioni alle cellule somatiche e affermò «omnis cellula e cellula».(ogni cellula deriva dalla divisione di un’altra cellula)
Da qui il terzo principio della teoria cellulare:
3. Tutte le cellule originano da cellule preesistenti.
… e come si origina la prima cellula di un organismo?
Solo nel 1875, Hertwig dimostrò che un solo spermatozoo è responsabile della fecondazione dell’uovo nel riccio di mare
Nel 1884, Weismann concluse che il materiale ereditario è trasportato dai cromosomi (scoperti da Flemming nel 1879) presenti nel nucleo;Intuisce inoltre che le cellule riproduttive si dividono in modo particolare, dimezzando il numero di cromosomi (meiosi)
Cellule somatiche(si dividono per mitosi)
Cellule germinali(si dividono anche per meiosi)
La generazione di un individuo inizia con due meiosi, che originano i gameti;
- si realizza con la fecondazione, con cui si forma lo zigote
Il problema dello sviluppo…
Per tutto il XVIII secolo, tuttavia il preformismo rimase la teoria più accreditata, condivisa da molti grandi scienziati
Charles Bonnet (“inscatolamento dei germi” – individui preesistevano in miniatura nel corpo dei genitori)
In accordo con teorie filosofiche e dogmi religiosi (Cristiani) del tempo
… L’affermazione delle ragioni dell’embriologia a favore dell’epigenesi
Nella seconda metà del ‘700
Kaspar Friedrich Wolff descrive la formazione dell’intestino di pollo - gli organi si
formano progressivamente da strutture più semplici
Marc CallebautA review. Historical evolution of preformistic versus neoformistic (epigenetic) thinking in embryologyBelg. J. Zool., 138 (1) : 20-35
Preformation concept during the 17thcentury: drawings of the earlydevelopmental stages of the chickenembryo in which, according toFabricius Ab Aquapendente, alreadythe adult form could be seen.
Karl Ernst von Baer“father of embryology”(born Feb. 29, 1792, Piep, Estonia, Russian Empire—diedNov. 28, 1876, Dorpat (Tartu), Estonia)“Prussian–Estonian embryologist who discovered themammalian ovum and the notochord and established thenew science of comparative embryology alongsidecomparative anatomy”
Ca 1820Il perfezionamento dei microscopi e il rapidoprogresso delle università tedesche determinaronouna straordinaria rivoluzione dell’EMBRIOLOGIADESCRITTIVA
Con il collega Pander, von Baer scoprì e definì i foglietti embrionali
Ectoderma
Endoderma
Mesoderma
che danno origine a tipi cellulari differenziati e apparati specifici
… la fine del preformismo
Studiando l’evoluzione dei 3 foglietti, von Baer concluse che lo sviluppo embrionale consiste di 3 processi fondamentali
- Crescita- Differenziamento istologico- Morfogenesi
(… da allora questa conclusione non è più stata abbandonata)
Figura 2.4 Suddivisione principale dei metazoi nelle linee evolutive dei protostomi e dei deuterostomi separate da diverse caratteristiche dello sviluppo embrionale.
Quasi tutti i phyla di Metazoi sono formati da organismi con struttura embrionale a tre foglietti –Triblastici
Simmetria bilaterale
Metazoi formati da due foglietti embrionali - Diblastici (idrozoi) – Simmetria radiale
Metazoi formati da un foglietto embrionale –Monoblastici (spugne) – (nessuna simmetria)
Con von Baer nasce l’EMBRIOLOGIA COMPARATA
Ontogenesi e filogenesi
Studiando gli embrioni dei Vertebrativon Baer scoprì che esiste uno stadio disviluppo in cui gli embrioni di pesci,anfibi, rettili, uccelli e mammiferi sonopraticamente indistinguibili
Stadio filotipico
Vengono definiti i phyla
Figura 2.2 In alto, lo stadio filotipico dei Cordati (faringula) e, in basso, quello degli Artropodi (bandagerminale segmentata). Le differenze anatomiche fra gli organismi aumentano durante lo sviluppoembrionale non solo nelle fasi che vengono dopo lo stadio filotipico, ma anche in quelle che vengonoprima, ivi comprese le fasi iniziali della gametogenesi e della fecondazione. Questo è il motivo per cui lostadio filotipico è lo stadio di massima somiglianza morfologica fra tutti gli animali che appartengono allostesso phylum.
(von Baer)… gli animali sono suddivisi in gruppi – chiamati phyla – in ciascuno dei quali esiste uno stadio dello sviluppo embrionale in cui tutti gli animali dello stesso phylum sono simili
Stadio filotipico… di massima somiglianza morfologica
Esempi
faringula dei Cordati
Banda germinale segmentata degli Artropodi
Legge della ricapitolazione o legge biogenetica fondamentale
“L’ontogenesi ricapitola la filogenesi”
Ernst Haeckel (1834-1919)
(breve biografia e pensiero scientifico: http://www.ucmp.berkeley.edu/history/haeckel.html
"I established the opposite view, that this history ofthe embryo (ontogeny) must be completed by asecond, equally valuable, and closely connectedbranch of thought - the history of race (phylogeny).Both of these branches of evolutionary science, are,in my opinion, in the closest causal connection; thisarises from the reciprocal action of the laws ofheredity and adaptation... 'ontogenesis is a brief andrapid recapitulation of phylogenesis, determined bythe physiological functions of heredity (generation)and adaptation (maintenance).'"Haeckel, E. 1899. Riddle of the Universe at the Closeof the Nineteenth Century.
Gli esperimenti di Roux
L’embriologia descrittiva (anche comparata), descrivendo crescita, differenziamento e morfogenesi, portò alla luce moltiprocessi fondamentali dello sviluppo. Tuttavia altri processi fondamentali non potevano essere compresi con la semplicedescrizione dei fenomeni
Alla fine del ’800 nasce l’EMBRIOLOGIA SPERIMENTALE
Roux supporta “ipotesi dei determinanti”Nel primo nucleo erano presenti tutti i caratteri dell’individuo, che poi vengono distribuiti nelle diverse cellule
Gli esperimenti di Driesch
Separando per scuotimentoblastomeri di embrioni di riccio dimare a 2, 4, 8 cellule, Drieschottenne plutei (quasi) normalmentesviluppati da ciascun blastomero
… rigettò le ipotesi di Roux…e dei determinanti
Figura 1.4 Il classico esperimento di Spemann sull’organizzatore primario (1924). La regione dove iniziano i movimenti della gastrulazione dei vertebrati (l’organizzatore primario) ha la capacità di indurre un secondo asse embrionale, e in tal modo di produrre un intero embrione secondario.
Gli esperimenti di Spemann
La ricerca sulle induzioni embrionali e la scoperta dell’organizzatore primario
1) EMBRIOLOGIA DESCRITTIVA 2) EMBRIOLOGIA SPERIMENTALE 3) EMBRIOLOGIA BIOCHIMICA E MOLECOLARE
BIOLOGIA DELLO SVILUPPO
(BIOLOGIA EVOLUZIONISTICA DELLO SVILUPPO)
(ECO-EVO-DEVO)
Eco-Evo-Devo: developmental symbiosis and developmental plasticity as evolutionary agents. Scott F. Gilbert, Thomas C. G. Bosch & Cristina Ledón-Rettig Nature Reviews Genetics 16, 611–622 (2015)
LO SVILUPPO
Insieme di processi che, a partire dall’ uovo fecondato, generano un organismo pluricellulare
Lo zigote si divide fino a dare origine a milioni di cellule
? Come può una sola cellula generare cellule diverse?
Come possono queste cellule organizzarsi in strutture così diverse?
In quale forma i principali organizzatori sono contenuti nell’uovo e nel suo DNA?
LO SVILUPPO COMPRENDE:
ACCRESCIMENTO: si realizza mediante divisione cellulare e accrescimento cellulare
DIFFERENZIAMENTO: le cellule si specializzano grazie ad una espressione differenziale delgenoma. Con il progredire dello sviluppo la specializzazione delle cellule aumenta.
MORFOGENESI: le cellule si organizzano in modo che l’organismo e gli organi raggiunganouna determinata forma. Deriva dalla definizione di piani organizzativi.
1. Generare DIVERSITÀ E ORDINE in ogni generazione cellulare
2. Assicurare la continuità della vitaRIPRODUZIONE
Si basano sulle attività regolative di geni e dei loro prodotti, sull’influsso di segnali
extracellulari e sulla loro trasduzione nelle cellule bersaglio
LO SVILUPPO ASSOLVE A DUE PRINCIPALI FUNZIONI
I SISTEMI MODELLO
La nostra conoscenza sui meccanismi dello sviluppo deriva dallo studio di un numero
piuttosto limitato di organismi
Inizi del secolo scorso
Riccio di mare Anfibio
Strongylocentrotus purpuratus Xenopus laevis
Invertebrati:
Insetti (Drosophila melanogaster)
Nematode (Caernorhabditis elegans)
Vertebrati:
Pesce zebra (Danio rerio) Anfibio (X. laevis)
Pollo (Gallus gallus) Topo (Mus musculus)
RIPRODUZIONE SESSUALE NEGLI ORGANISMI PLURICELLUALRI
La riproduzione sessuale è preceduta dalla gametogenesi che porta alla formazione di
gameti maschili: spermatozoi gameti femminili: cellule uovo
La gametogenesi avviene nelle gonadi, a partire da cellule germinali primordiali
• Divisioni mitotiche
• Meiosi
• Differenziamento
SPERMATOZOO si differenzia per la mobilità
CELLULA UOVO sviluppa un citoplasma complesso
