-
GAMETOGENESI
-
LE CELLULE DELLA LINEA GERMINALE
VANNO INCONTRO A
MITOSI(Proliferazione cellulare con
produzione di milioni di
precursori dei gameti)
MEIOSI(riduzione del corredo
cromosomico da diploide a
aploide e ricombinazione del
materiale genetico)
Una volta raggiunta la gonade
“L’essenza vera e propria del sesso è la ricombinazione meiotica” (Villeneuve & Hillers, 2001)
-
2 centrosomi ognuno
con una coppia di centrioli
membrana
plasmatica
involucro
nucleare
nucleolo
cromatina
Fine FASE G2
frammenti involucro
nucleareMT astrali
cinetocorepolo del fuso
Prometafase
fuso mitotico cromatidi
fratelli
nucleolo
scomparecromosoma
aster
Profase
Metafase
Fuso
mitotico
MT polareMT del
cinetocore
piastra
metafasica cromosomi figli
Anafase
solco di
clivaggio
formazione
involucro nucleare
si forma
nucleolo
cromosomi
decondensati
Telofase
MITOSI
-
INT
ER
FA
SE
ME
IOS
I I
ME
IOS
I II
• PROFASE
• METAFASE
• ANAFASE
• TELOFASE-CITODIERESI
MEIOSI
-
MEIOSI IPROFASE
Leptotene zigotene pachitene diplotene diacinesi
-
Appaiamento
degli omologhi,
formazione delle
sinapsi.
Si formano i
bivalenti
Leptotene
Cromosomi si
spiralizzano e
gli omologhi si
avvicinano
Zigotene
Zigotene tardiva
I bivalenti
sono detti
tetradi e
avviene il
crossing-over
Pachitene
Scompare
complesso
sinaptinemale
Diplotene
Bivalenti uniti
a livello dei
chiasmi
Diacinesi
Profase I - spermatociti di Locusta migratoria
-
T
A
P
P
E
P
R
O
F
A
S
E
M
E
I
O
S
I
I
-
Appaiamento dei cromosomi omologhi e crossing-over
Nella profase I i cromosomi
omologhi sono uniti da un complesso
sinaptinemale
Una tetrade meiotica con due chiasmi
-
Coppia di bivalenti mostra la
formazione di chiasmi tra i cromatidi di
ogni cromosoma omologo
La coesina permette la coesione dei cromatidi a livello del
centromero e a livello delle due braccia
La coppia di omologhi è mantenuta unita come bivalenti dai
chiasmi
All’anafase I la coesina che tiene uniti i bracci dei bivalenti è tagliata
permettendo la separazione degli omologhi
I 2 cromatidi sono uniti a livello del centromero dalla coesina
All’anafase II la coesina è tagliata e i 2 cromatidi fratelli si
separano
-
…….MEIOSI I CONTINUA
-
MEIOSI II
GAMETI APLOIDI
-
Movie MEIOSI
-
Set Completo di cromosomi (20) in oocita di topo in metafase I immunomarcati con Ab
contro coesina (magenta) e cinetocore (verde).
• 19 coppie di omologhi sono uniti a livello dei chiasmi e da coesina in punti distali.
Embrioni aneuploidi
Aborto spontaneo
Sindrome di Down
nell’uomo
•1 coppia di cromosomi è stata precocemente separata.
ERRORI
-
La meiosi è alla base della riproduzione sessuata
Questo tipo di riproduzione è molto dispendiosa (richiede la produzione di gameti, la ricerca del partner, il
nutrimento dell’embrione), ma premia decisamente la discendenza che, avendo caratteri nuovi avrà maggior
probabilità di adattarsi ai cambiamenti dell’ambiente.
Ma da dove viene questa maggior variabilità dei caratteri?
Ormai la risposta dovrebbe essere semplice: « dalla meiosi», ed in particolare:
- dall’assortimento indipendente dei cromosomi omologhi (è il caso che decide quale degli
omologhi finisca in una cellula o nell’altra con la meiosi I)
- Il crossing over durante la profase I
Questi processi sono naturalmente anche alla base della variabilità individuale nella nostra specie
-
Il cariotipo è il corredo cromosomico di un individuo
La cariotipizzazione si esegue su globuli bianchi isolati
dal sangue, trattati con colchicina per bloccare le
cellule in tarda profase – metafase e lisandole con
soluzione ipotonica.
Osservazione e fotografia del vetrino al MO.
Software di analisi di immagine appaiano omologhi e li
ordinano in base a lunghezza
Nella specie umana ci sono 46 cromosomi
44 autosomi (22 coppie)
2 cromosomi sessuali (una coppia)
Difetti nella meiosi possono
provocare malattie genetiche
-
Il numero cromosomico caratteristico della specie è rappresentato
dal set aploide di cromosomi (n)
Più comunemente ci si riferisce però all’assetto diploide (2n)
Gli individui portatori di un numero di cromosomi differente da quello
caratteristico sono detti eteroploidi
Eteroploidia
EuploidiaNumero cromosomico è variato per interi set
aploidi
AneuploidiaVariazione del numero dei cromosomi con
riferimento alla singola coppia. Tale fenomeno è
ristretto ad uno o pochi cromosomi.
Definizioni
-
Condizioni di euploidia
La poliploidia si origina in genere quando, durante la divisione
cellulare, alla cariocinesi non segue la citochinesi.
Nell’uomo non è compatibile con la vita. Tri- e tetraploidia
osservate in aborti spontanei, ma presenti in natura
Cariotipo di un individuo triploide
-
Condizioni di aneuploidia
Aneuploidia di solito si origina da fenomeni di non disgiunzione durante l’anafase della
meiosi I o II
Cariotipo di un individuo affetto da
sindrome di Down (trisomia del 21) – una
aneuploidia
-
Le conseguenze della non disgiunzione dei cromosomi in
meiosi
Questi gameti, se fecondati, daranno origine a
condizioni di trisomia o di monosomia
-
Alcune malattie genetiche causate da alterazioni della struttura e del numero di cromosomi
Come ricorderete …
Le aneuploidie
derivano da errori
nella meiosi
Non disgiunzione meiotica
-
Aneuploidie autosomiche
Come le poliploidie, le
aneuploidie sono in genere
non compatibili con la
sopravvivenza
dell’embrione/feto
… a parte rare eccezioni …
-
La sindrome di Down (trisomia del 21) è l’anomalia cromosomica più comune nell’uomo
(ca 1/800 neonati)
-
Le aneuploidie dei cromosomi sessuali sono meglio tollerate rispetto a quelle autosomiche…
… in parte grazie al fenomeno della compensazione del dosaggio
Aneuploidie sessuali
SINDROME DI KLINEFELTER (47 cromosomi, XXY)
-
SINDROME DI TURNER (45 cromosomi, X0)
- Apparato genitale poco sviluppato
- Sterilità
- Bassa statura
- Assenza di corpi di Barr
- Talvolta ritardo mentale
-
SINDROME DI JACOBS (47, XYY)
• Detti anche super maschi
• Altezza superiore alla media
• lieve ritardo mentale
• possono avere problemi
vascolari
• ipotizzata l'associazione
anche con difetti di
lateralizzazione
embriogenica
• i livelli di testosterone sono
normali.
• frequenza 1/1000 maschi.
-
Differenze tra meiosi maschile e femminile
-
Gametogenesi
-
Lo spermatozoo “è un nucleo
dotato di mobilità”
OOCITA: citoplasma concentrato in una
sola cellula per massimizzare le sostanze
nutritive per il futuro embrione
CITOPLASMA (enzimi, mRNA, organuli e
substrati metabolici) per avviare e mantenere il
metabolismo e lo sviluppo
3 globuli polari
Spermatogenesi Oogenesi
-
35
Nei mammiferi , meiosi maschile e femminile variano anche nel tempo
- nelle femmine la meiosi inizia nelle gonadi embrionali
- nei maschi inizia solo alla pubertà
Perché?
-
Nelle femmine la meiosi inizia nelle gonadi embrionali
Rene mesonefrico produce Acido retinoico (AR) che stimola
le cellule germinali a replicare DNA e iniziare meiosi
Nei maschi la meiosi inizia alla pubertà
Testicoli embrionali secernono CYP26b1 che degrada AR.
Meiosi impedita anche da sintesi successiva di Nanos2 da
parte di cellule germinali
-
Dopo giorno embrionale 13,5 espressione di CYP26b diminuisce
Nanos2 viene espressa
-
C) mRNA che codifica Aldh1a2 -
enzima necessario per sintesi AR
Mesonefri di embrioni di topo GE 12
D) mRNA che codifica enzima
CYP26b 1
che degrada AR
-
Migrazioni delle cellule germinali primordiali (PGC) nel topo (8° giorno)
In embrioni di sesso maschile, i gonociti sono incorporati nei cordoni sessuali
mesodermici che si originano dalle creste genitali.
Alla maturità sessuale, i cordoni si cavitano e si differenziano i tubuli seminiferi
-
Durante la vita embrio-fetale e prima della pubertà le cellule germinali e
cellule del Sertoli vanno incontro a processi replicativi e cambiamenti
morfologici
SVILUPPO DELLA GONADE MASCHILE (1)
Durante la vita embrio-fetale nei cordoni primitivi testicolari ci sono 3 tipi di
cellule:
• cellule germinali in proliferazione
• precursori delle cellule del Sertoli
• cellule peritubulari miodi
Inoltre si differenziano le cellule interstiziali precursori delle cellule del Leydig
-
Alla pubertà le cellule del Sertoli:
• cessano di dividersi, diventano cellule polarizzate
• formazione di giunzioni occludenti tra loro
• producono secreto fluido che canalizza i tubuli seminiferi
SVILUPPO DELLA GONADE MASCHILE (2)
Dopo la nascita:
• aumenta la lunghezza dei cordoni seminiferi per espansione delle cellule del
Sertoli
• aumenta il numero delle cellule germinali
-
42
Alla maturità l’epitelio dei tubuli si differenzia nelle cellule del Sertoli e i gonociti in
spermatogoni di tipo A (cellule staminali)
Segnale BMP coinvolto
nell’inizio della spermatogenesi
Spermatogoni hanno
recettori per
Wnt e BMP
Promuove
proliferazione
cellule staminali
Quando concentrazione BMP8b è
suff- inizio differenziamento
Promuove il
differenziamento
-
43
Chi sono Wnt e BMP?
Fattori paracrini che
innescano fenomeni di
trasduzione del segnale
Induttori
-
44
Principali famiglie di fattori paracrini (induttori)
- Fattori di crescita dei fibroblasti (FGF)
- Hedgehog
- Wnt
- Superfamiglia TGF-B
Superfamiglia TGF-B
glicoproteine ricche di cisteina
BMP
Bone morphogenetic protein
proteine con 7 cisteine
conservate nel polipeptide
maturo
-
LA GONADE MASCHILE DEI MAMMIFERI
La gonade maschile è
circondata dalla una
spessa tonaca albuginea
(connettivo fibroso) ed
internamente vi è una
tunica vascolarizzata
ricca di fibre muscolari lisce
Dalla tonaca si dipartono
setti connettivali che
suddividono il testicolo in
lobuli.
Ogni lobulo contiene da 1
a 4 tubuli seminiferi
-
Tra i tubuli c’è connettivo detto
tessuto interstiziale,
vascolarizzato in cui sono
presenti le cellule del Leydig
responsabili della produzione del
95% di testosterone ematico
T
U
B
U
L
I
S
E
M
I
N
I
F
E
R
I
-
47
-
Gli spermatidi vanno incontro a maturazione
morfologica per diventare spermatozoi
Acquisizione di motilità e capacità di
interazione con oocita II
Gli spermatidi situati verso il lume perdono
le connessioni citoplasmatiche e si
differenziano in spermatozoi
SPERMATOGENESI
L’attività mitotica a livello dell’epitelio
seminifero è intensa e continua per
l’intera vita sessuale.
-
Tubuli seminiferi:ïEsternamente: alcuni strati di
cellule mioidi
Internamente Epitelio
seminifero
TUBULO SEMINIFERO
La parete del tubulo seminifero è formato da:
epitelio pluristratificato formato da 2 tipi cellulari:
• cellule del Sertoli
• cellule della linea germinale
-
Figura 6.2 Sezione schematica di alcuni tubuliseminiferi. I tre compartimenti del testicolo(basale, adluminale e interstiziale) sono separatidalla barriera emato-testicolare e dalla paretedel tubulo.
I compartimenti del testicolo e la barriera emato-testicolare
-
membrana basale
spermatogoni
spermatociti di 1° e 2°
ordine
spermatidi immaturi
spermatozoi
cellula del
Sertoli
giunzione
occludente barriera
emato-testicolare
Co
mp
art
imen
to
basale
Co
mp
art
imen
to
ad
lum
inale
BARRIERA EMATO-TESTICOLARE : BARRIERA IMMUNOLOGICA
• c. basale: accessibile al fluido interstiziale che origina dai vasi sanguigni
• c. adluminale: pervaso dal fluido tubulare secreto dalle cellule del Sertoli
Per dissociazione transitoria delle giunzioni occludenti tra le cellule del Sertoli,
gli spermatociti in transizione tra mitosi e meiosi, passano nel compartimento
adluminale
La citochina TNF-α (tumor necrosis factor) regola la dissociazione delle giunzioni
http://it.wikipedia.org/wiki/File:Germinal_epithelium_testicle.svg
-
Funzioni :
• Nutrono le cellule germinali e con esse instaurano contatti (presenza di N-caderine)
• Fagocitosi di cellule germinali in degenerazione
• Fagocitosi dei corpi citoplasmatici residui a fine spermiogenesi
• Secernono proteine in grado di legare il testosterone importante per la
spermatogenesi, e fattori di crescita
• Secrezione medium ricco di fruttosio, nutrimento e trasporto spermatozoi
• Cellule del Sertoli e cellule germinali comunicano tramite giunzioni gap
• Formano la barriera emato-testicolare
CELLULE DEL SERTOLI
-
SPERMATOGENESI
L’inizio della spermatogenesi alla pubertà è probabilmente regolata dalla
sintesi di fattori di crescita BMP8b da parte degli spermatogoni
La transizione da spermatogoni a spermatociti I sembra mediata dal GDNF
Bassi livelli di GDNF inducono differenziamento
Alti livelli determinano la duplicazione degli spermatogoni
Cellule del Sertoli secernono il fattore neurotrofico GDNF (glial-derived neurotrophic factor)
L’espressione di GDNF è incrementata da FSH secreto dall’ipofisi
Topi privi di BMP8b non iniziano spermatogenesi alla pubertà
-
CELLULE SERTOLI
FSHGDNF
SPERMATOGONI SPERMATOCITI I
PROLIFERAZIONE DIFFERENZIAMENTO
GDNF collega il sistema endocrino e le Cellule del Sertoli e fornisce
all’FSH un meccanismo per istruire il testicolo a produrre spermatozoi
Livelli bassi di GDNF
favoriscono il
differenziamento
Livelli alti di GDNF
favoriscono la
proliferazione
-
55
-
Controllo ormonale della spermatogenesi
Figura 6.10 Schema delle interazioni esistenti fra ipotalamo, ipofisi e testicolo.
Funzione endocrina del testicoli -
produzione di androgeni
(TESTOSTERONE)
Parte riversato nel sangue
Parte rimane nei testicoli e si riversa nel fluido
tubulare - ABP (androgen binding protein) su
cellule del Sertoli - conversione in diidrotestorone
(DHT) - potente effetto di mascolinizzazione su
componenti delle vie genitali
LH stimola le cellule del Leydig a
produrre testosterone
… ma non basta per portare a termine la
spermatogenesi…
FSH induce incremento attività cellule
del Sertoli, secrezione fluido tubulare e
sintesi proteica (ABP, inibina)
Regolazione feedback
negativo sull'ipofisi
-
SPERMATOGENESI
Durante le divisioni degli spermatogoni
la citodieresi non è completa: le
cellule formano un sincizio, per cui
ogni coorte matura in modo sincrono
Anche le meiosi sono coordinate da
ponti citoplasmatici per sincronizzare
il processo
LUME
M. BASALE
A1: Cellule germinale
A4. può autorinnovarsi, fare apoptosi
o differenziarsi nello spermatogonio
intermedio: 1° cellula staminale
preordinata a diventare spermatozoo
PONTI CITOPLASMATICI: MOLECOLE O IONI
PASSANO DA UNA CELLULA ALL’ALTRA
SPERMATIDI NUCLEO APLOIDE MA
FUNZIONALMENTE DIPLOIDI: PRODOTTI GENICI
POSSONO DIFFONDERE NEL CITOPLASMA DELLE
CELLULE VICINE
-
SPERMATOGENESI
Spermatogoni indifferenziati di tipo A : POTENZIALITA’
topi con spermatogenesi annullata per trattamento con composti tossici
sanno riattivare la spermatogenesi
Trasferimento di spermatogoni A : ripresa di spermatogenesi
Spermatogoni indifferenziati di tipo A risiedono in nicchie di cellule
staminali create da cellule del Sertoli e vasi sanguigni
-
CELLULE GERMINALI:
SINTESI DI RNA NELLA FASE PREMEIOTICA E POSTMEIOTICA
Sintesi di RNA non avviene nei cromosomi sessuali perchè sono eterocromatici
• mRNA viene tradotto durante il differenziamento di spermatidi in spermatozoi
(proteine indispensabili per il movimento e interazione con oocita)
• mRNA viene trascritto anche negli spermatociti II e spermatidi ( per tubulina, proteine
di membrana e protamine)
-
La sostituzione di istoni con
protamine determina la sospensione
della trascrizione
SPERMIOGENESI: DA SPERMATIDIO A SPERMATOZOO
-
• Fase del Golgi
– Sintesi di enzimi idrolitici, accumulati in Granuli pre-acrosomiali
– Si fondono a formare la Vescicola acrosomiale
– Stretto contatto con cisterna perinucleare, forma il polo anteriore dello
spermatozoo in formazione
SPERMIOGENESI
-
• Fase Acrosomiale
– Nucleo si condensa, cromosomi
condensano ed addensano riducendo il
volume totale
– Cellula assume forma allungata
– Microtubuli formano il manicotto
– Mitocondri si spostano e si localizzano
nella parte intermedia della coda
SPERMIOGENESI
-
• Fase di Maturazione
– Perdita del citoplasma
– Interruzione dei sincizi
citoplasmatici e liberazione degli
spermatozoi
– Residui citoplasmatici fagocitati da
Cellule del Sertoli
– Spermatozoi liberi nel tubulo
– Spermatozoi: cellule immobili
SPERMIOGENESI
-
MORFOLOGIA DELLO
SPERMATOZOO: FLAGELLO
DINEINA: attività ATPasica consente lo
scivolamento delle coppie di microtubuli
NEXINA: forma ponti proteici che trasformano lo
scivolamento in flessione
Nel topo lo sviluppo da cellula staminale a
spermatozoo richiede 34,5 giorni:
• stadi di spermatogonio durano 8 giorni
• meiosi dura 13 giorni
• spermiogenesi dura 13,5 giorni
Nell’uomo lo sviluppo dello spermatozoo
richiede 74 giorni; spermatogoni A1 sono
cellule staminali quindi spermatogenesi è
continua
-
MORFOLOGIA SPERMATOZOO
mitocondri
Acrosoma in spermatozoo di topo
DNA colorato con
DAPI
tubulina
La maturazione morfologica è seguita dalla disposizione nel
tubulo seminifero
-
68
ANOMALIE GAMETE MASCHILE
Negli ultimi decenni, in tutto il mondo industrializzato, si è assistito ad una riduzione
della conta spermatica (N spermatozoi/ml di sperma) e della qualità del seme
nell’uomo.
Da 100-120 milioni/ml negli anni ‘40 a 60-70 milioni negli anni ‘90.
Nello stesso periodo n. medio di spermatozoi normali è passato da ca 60 milioni a ca 20
milioni
Si ritiene che ci sia un contributo significativo degli interferenti endocrini rilasciati in
ambiente (diossine, PCB, plastiche, pesticidi e erbicidi) (Aitken et al., 2004)
-
Sindrome genetica Triade di Kartagener (discinesia ciliare primaria):
mancanza di dineina funzionante in tutte le cellule ciliate e con flagello
Maschi sono sterili perché spermatozoi immobili
infezioni bronchiali
50% individui hanno cuore a destra (situs inversus)
Importanza delle ciglia nella determinazione dell’asse dx-sx
-
OVERVIEW
-
COMPLETATO IL PROCESSO DI
SPERMIOISTOGENESI GLI
SPERMATOZOI SONO CAPACI DI
INTERAGIRE CON LA CELLULA UOVO?
-
PROCESSI MATURATIVI DURANTE IL PASSAGGIO NEI DOTTI
Dai tubuli seminiferi
passaggio lungo:
1) dotti intra-testicolari (rete
testis, dotti efferenti)
2) dotti extra-testicolari
(epididimo, dotto
deferente e dotto
eiaculatorio)
processi maturativi che li renderanno capaci di interagire con l’ovocita
RETE TESTIS E PRIMO
TRATTO EPIDIDIMO:
CONCENTRAZIONE DEGLI
SPERMATOZOI
-
ST
MB
-
Suddiviso tre regioni altamente specializzate: testa, corpo e coda.
Funzioni:
★ riassorbimento del fluido proveniente dai tubuli seminiferi
★ trasporto, maturazione degli spermatozoi,
★ eliminazione di quelli che presentano difetti
★ immagazzinamento degli spermatozoi nel tratto distale della coda
Immagazzinare gli spermatozoi: popolazione eterogenea e sufficientemente numerosa
di spermatozoi
Spermatozoi mantenuti in uno stato di quiescenza metabolica (vitali per più di 15 giorni)
EPIDIDIMO
-
I principali cambiamenti :
1) condensazione della cromatina nucleare
2) rimozione della goccia plasmatica
3) modificazione composizione fosfolipidi di membrana
4) arricchimento in molecole di colesterolo a livello della membrana plasmatica
(riduzione capacità fusogene della membrana per impedire la reazione acrosomiale)
5) aumento cariche negative superficiali di membrana e dei legami disolfuro
6) ri-localizzazione degli antigeni di superficie
7) dislocazione di proteine di membrana in punti diversi
8) rimozione o modificazione delle proteine di superficie
9) Tratto finale: spermatozoi immersi in un liquido viscoso detto liquido seminale
ricco di zuccheri, lipidi, proteine, ormoni, ioni per nutrire e proteggere i gameti
EPIDIDIMOAmbiente altamente regionalizzato: interazione tra spermatozoi e componenti del fluido
luminale
-
76
Vie genitali maschili e ghiandole sessuali accessorie
Fluido seminale (protezione e nutrizione dello sperma)
- prodotto da vescichette seminali, prostata e ghiandole bulbo-uretrali
- contiene fruttosio, inositolo, glicerilfosforilcolina, prostaglandine, enzimi
Il seme (o sperma) è composto da spermatozoi + fluido seminale
-
77
-
78
VARIABILITA’ MORFOLOGICA GAMETE MASCHILE
-
79
Riftia rilascia spermatozoi
raggruppati in fasci simili a mazzi
di fiori, aventi una parte a calice
formata dalle teste elicoidali degli
spermatozoi (blu) e i “gambi”
formati dalle code (verde).
Riftia pachyptila, conosciuto
anche come verme tubo gigante,
è un anellide policheta lungo
anche 2,4 metri ed è in grado di
sopportare temperature elevate
(400°C) e alti livelli di zolfo.
L’habitat è tipicamente abissale,
sulle sorgenti idrotermali,
nell'Oceano Pacifico e sul
Galapagos rift, a partire da più di
1500 metri di profondità,
-
80
Tubifex tubifex (Müller, 1774)
Oligocheta acquatico, Famiglia Tubificidae (circa 1000 specie)
Tubifex tubifex e le
forme affini
producono due tipi di
spermatozoi diversi:
gli euspermatozoi,
che sono in grado di
fecondare le uova e i
paraspermatozoi,
contenenti poco o
nullo DNA.
I paraspermatozoi si collegano strettamente gli uni con gli
altri e circondano gli eusparmatozoi formando complessi
ammassi detti spermatozeugmi. In questo modo i
paraspermatozoi “portano a spasso” gli euspermatozoi,
fino alla loro destinazione, l’uovo.
-
Spermiocladistica