6.

Fasi dello sviluppo embrionale

Lo sviluppo dall'uovo all'adulto comprende diverse fasi in cui viene inizialmente determinata l'organizzazione spaziale dell'embrione.

1.

Organizzazione della cellula uovo

La cellula uovo è dotata di un'organizzazione spaziale, responsabile delle prime suddivisioni dell'embrione. L'organizzazione spaziale della cellula uovo è determinata da alcuni segnali molecolari, chiamati determinanti, che si distribuiscono in particolari regioni di essa, dove controllano l'attivazione o la repressione di specifici geni omeotici, per la corretta formazione di un embrione pluricellulare.

Questi processi sono stati studiati in modo particolare nel moscerino della frutta, Drosophila melanogaster, e nella rana. Le cellule germinali di Drosophila melanogaster si formano molto precocemente e, quindi, migrano nelle gonadi in via di sviluppo per maturare negli oogoni. Quando è il momento, un oogonio si divide quattro volte, formando 16 cellule: una sola di queste diventa un oocita, mentre le altre 15 si trasformano in cellule nutrici. Le 16 cellule sono circondate da cellule somatiche (non della linea germinale), chiamate cellule follicolari. L'oocita è fornito di cospicue riserve alimentari, che lo rendono molto più grande delle cellule nutrici e che nutrono l'embrione fino alla formazione della larva, in grado di alimentarsi in modo autonomo. L'oocita della rana è anch'esso una cellula di grandi dimensioni e dotata di una riserva alimentare chiamata tuorlo, ma priva di cellule nutrici.

2.

Segmentazione e formazione dei foglietti embrionali

I processi alla base dello sviluppo di ogni nuovo animale pluricellulare comprendono l'organizzazione spaziale dell'embrione, le prime divisioni cellulari che seguono la fecondazione e la riorganizzazione dei territori embrionali, dovuta alla migrazione delle cellule stesse. Al contrario di quanto si può essere indotti a credere, le prime fasi di sviluppo embrionale degli animali non sono accompagnate dalla crescita del nuovo organismo, bensì dalla riduzione del suo peso secco (anche se il volume può aumentare per assunzione di acqua). Lo sviluppo animale inizia tipicamente con la segmentazione, durante la quale lo zigote si divide molte volte, per formare una masserella di cellule detta morula; questa diviene cava al centro e prende il nome di blastula, mentre la cavità è detta blastocele; segue, quindi, una fase di migrazioni cellulari, chiamata gastrulazione, al termine della quale l'organismo prende il nome di gastrula e le cellule si organizzano in tre strati (o foglietti embrionali): l'ectoderma, esterno, il mesoderma, intermedio, e l'endoderma, interno.

Dal mesoderma si origina anche il mesenchima, o tessuto connettivo embrionale, formato da cellule disperse in un’abbondante sostanza intercellulare.

2.1.

Ectoderma, mesoderma ed endoderma

Ciascuno dei tre foglietti embrionali e il mesenchima rappresentano il tessuto originario da cui si differenziano alcuni gruppi di tessuti che saranno presenti nell’organismo completo. Dall’ectoderma si formano l’epidermide, il tessuto nervoso e le ghiandole esocrine, i capelli, il cristallino dell’occhio e le strutture dell’orecchio interno. Dal mesoderma derivano il derma, i muscoli, il sistema circolatorio, le ovaie e i testicoli, gli epiteli che rivestono le cavità corporee (peritoneo, pleure, pericardio). Dall’endoderma derivano il fegato, il pancreas, l’apparato digerente. Dal mesenchima si formano invece tutti i tessuti di tipo connettivale.

3.

Specificazione regionale

Già a livello della blastula e della gastrula, alcune cellule o gruppi di cellule dell'embrione, chiamati aree presuntive, sono predeterminati a formare specifiche parti del corpo. Questo fenomeno, chiamato specificazione regionale, è determinato da fattori in parte già presenti nella cellula uovo non fecondata e simili a quelli descritti sopra, riguardo allo sviluppo del moscerino della frutta Drosophila melanogaster.

4.

Induzione

L'induzione è un fenomeno dello sviluppo embrionale, per cui un gruppo di cellule controlla lo sviluppo di un altro gruppo, mediante l'emissione di un segnale chimico, o fattore di induzione. Nelle cellule bersaglio esposte all'azione di uno specifico fattore di induzione, presente a una concentrazione superiore a una determinata soglia critica, si attiva una serie di geni, diversa da quella attivata nelle cellule esposte a una concentrazione minore dello stesso fattore o a un fattore diverso. Così, a causa dell'attivazione genica differenziata, le cellule bersaglio esposte alla concentrazione maggiore si sviluppano in un tipo cellulare diverso da tutti gli altri. L'induzione contribuisce, quindi, al differenziamento spaziale dell'embrione, indirizzando lo sviluppo delle cellule embrionali indifferenziate verso una specifica struttura.

4.1.

Fattori responsabili dell’induzione

Recenti progressi nell'identificazione dei fattori responsabili dell'induzione hanno dimostrato che alcuni di essi sono proteine dalla struttura chimica simile a quella dei fattori di crescita. I fattori di crescita agiscono legando specifici recettori presenti sulla membrana cellulare. I recettori di superficie attivati danno, a loro volta, il via a una serie di reazioni intracellulari, che alla fine portano all'attivazione o alla repressione di geni specifici e, quindi, alla sintesi di fattori proteici responsabili dell'azione del fattore di crescita. Vista la somiglianza con i fattori di crescita, è probabile che alcuni fattori di induzione producano le alterazioni morfologiche caratteristiche dello sviluppo dell'embrione, secondo un meccanismo simile a quello descritto.

Nell'embrione di rana la prima interazione induttiva importante avviene allo stadio di blastula, quando l'embrione è formato da una semplice sfera di cellule, divisa nei due poli superiore, o animale, e inferiore, o vegetativo. Le cellule dell'emisfero inferiore emettono fattori di induzione che, con l'attivazione di geni specifici, inducono la formazione del mesoderma dalla fascia di cellule intorno all'equatore della blastula; ectoderma ed endoderma si formano, invece, nelle zone, rispettivamente esterna e interna, non raggiunte dai fattori di induzione del mesoderma. Durante e dopo la gastrulazione, avvengono ulteriori fenomeni di induzione, nel corso dei quali ha inizio il differenziamento della notocorda, o corda dorsale (struttura tipica dei cordati, successivamente sostituita dalla colonna vertebrale), dal mesoderma e della placca neurale dall'ectoderma. Gli stadi di sviluppo successivi prendono il nome di organogenesi e comprendono i fenomeni per cui numerose interazioni induttive locali determinano la formazione e la maturazione di singoli organi.

Sebbene lo sviluppo della rana sia conosciuto meglio di quello degli altri vertebrati, è probabile che il modello descritto, fondato sull'induzione e sulle aree di predeterminazione, sia simile anche nei mammiferi, negli uccelli, nei rettili e nei pesci.

5.

Migrazioni di cellule e tessuti

Le migrazioni cellulari sono essenziali per la costruzione dell'assetto corporeo dell'animale. Quando l'embrione si trova allo stato di gastrula, benché la gastrulazione possa mostrare differenze significative anche in specie simili, si verificano, tuttavia, alcuni fenomeni comuni, quali l'invaginazione delle cellule dall'esterno all'interno per formare l'endoderma; la migrazione attiva delle cellule di superficie; la migrazione verso l'interno di gruppi di cellule e la riunione di alcuni gruppi in cordoni. In generale, con ampie variazioni da specie a specie, dall'ectoderma si originano il tessuto epiteliale e il sistema nervoso; dall'endoderma, il tubo digerente; e dal mesoderma, i muscoli, le gonadi, gli organi escretori e il tessuto connettivo.

I vertebrati mostrano una seconda ondata di migrazioni cellulari quando la placca neurale, ovvero l'ectoderma destinato a formare il cervello e il midollo spinale, si invagina sotto la superficie dell'epidermide, formando il tubo neurale. Questo processo è detto neurulazione e l'embrione a questo stadio di sviluppo prende il nome di neurula. In seguito, dal lato dorsale del tubo neurale si differenziano le cellule della cresta neurale, che migrano in altre parti del corpo, formando gran parte del cranio, il sistema nervoso autonomo e le cellule pigmentate. Le future cellule germinali migrano, invece, dal loro sito di formazione alle gonadi in via di sviluppo, dove successivamente maturano in spermatozoi o cellule uovo, secondo il sesso dell'animale.

6.

Sviluppo del sistema nervoso

Le cellule nervose o neuroni sono formate da un corpo cellulare e da alcuni lunghi prolungamenti, i neuriti e l'assone, che possono formare connessioni con altri neuroni. Le connessioni funzionali che consentono la stimolazione di un neurone da parte di un altro sono dette sinapsi. Lo sviluppo del sistema nervoso differisce da quello degli altri organi per la complessità delle connessioni fra le cellule, talvolta molto distanti fra loro. I neuroni dei vertebrati hanno tutti origine dalla placca neurale. All'inizio dello sviluppo questa si divide, stimolata da segnali induttivi, in regioni destinate a dare origine alle diverse parti del cervello e del midollo spinale. Ciascuna regione produce sia neuroni sia cellule gliali (cellule di sostegno); una volta differenziati, i neuroni perdono la capacità di dividersi e pertanto, durante la vita embrionale, queste cellule vengono prodotte in largo eccesso. Il numero di un dato tipo di neuroni è regolato in parte dai tessuti nei quali si proiettano gli assoni, come i muscoli o gli organi di senso: questi tessuti bersaglio secernono, infatti, fattori di crescita neurotrofici, che vengono assorbiti dai neuroni e ne sostengono la sopravvivenza. La quantità totale disponibile di fattori di crescita neurotrofici determina, quindi, la proporzione di neuroni destinata a sopravvivere.

La direzione di crescita degli assoni è controllata da alcune molecole extracellulari che interagiscono con i neuroni; la definizione delle connessioni si ottiene invece successivamente, con un rimodellamento delle sinapsi dipendente dall'attività cellulare. Lo sviluppo del sistema nervoso continua nella vita post-natale, influenzato dall'attività e dalle percezioni sensoriali dell'animale.