Programma completo del corso di Biologia dello Sviluppo

Embriologia

Definizione di sviluppo embrionale. Cenni storici: l’embriologia e la biologia dello sviluppo, due discipline a confronto. Le tappe dello sviluppo precoce: segmentazione, gastrulazione e organogenesi. Classificazione dei principali tipi di uova in base al contenuto di vitello.  I diversi tipi di segmentazione e l’influenza del vitello sulle modalita’ di segmentazione. Gastrulazione: tipi di gastrulazione, i movimenti morfogenetici, formazione dei foglietti embrionali. Sviluppo diretto e indiretto. I principali sistemi modello per lo studio dello sviluppo e loro vantaggi sperimentali.

Riproduzione e sessualità. Riproduzione asessuata e sessuata. La gametogenesi: fasi e caratteristiche principali. Contenuto genetico aploide e diploide. Caratteristiche principali della meiosi. Spermatogenesi: processi che caratterizzano la maturazione dello spermatozoo, spermioistogenesi, capacitazione. Organizzazione del testicolo dei Vertebrati. Ovogenesi: fasi che caratterizzano la maturazione della cellula uovo. I blocchi meiotici, maturazione dell’ovocita (cromosomi a spazzola e regolazione della trascrizione genica, sintesi di organuli citoplasmatici, I granuli corticali, organizzazione del rivestimento esterno, vitellogenesi). Struttura dell’ovaio dei Mammiferi. Regolazione ormonale della gametogenesi maschile e femminile.

Fecondazione: tipi di fecondazione e caratteristiche principali. Chemiotassi, attivazione dello spermatozoo, reazione acrosomiale, riconoscimento specie-specifico. Blocco della polispermia. Reazione corticale. Attivazione dell’uovo, riarrangiamenti citoplasmatici, fusione dei pronuclei. Principali fasi della fecondazione nel riccio di mare e nei mammiferi.

Caratteristiche salienti dello sviluppo embrionale in sistemi modello: riccio di mare (Echinodermi), anfiosso (Urocordati), ascidie (Tunicati), zebrafish (Pesci), Xenopus (Anfibi), pollo (Uccelli), topo e uomo (Mammiferi). Caratteristiche della segmentazione, gastrulazione e neurulazione in questi organismi. Mappe dei territori presuntivi agli stadi di blastula e gastrula precoce. Assi di polarita’ embrionale.

Annessi embrionali. L’origine dei tessuti nell’adulto: derivati dei foglietti embrionali e cenni di organogenesi. Derivati ectodermici: il sistema nervoso e le creste neurali. Derivati mesodermici: notocorda, mesoderma parassiale, mesoderma intermedio e mesoderma laterale. Derivati endodermici: cenni sullo sviluppo degli apparati digerente e respiratorio.

Biologia dello Sviluppo

Tecniche per lo studio delle funzioni geniche durante lo sviluppo: genetica classica e genetica inversa, knock-out genico, inattivazione funzionale di geni mediante oligonucleotidi antisenso, localizzazione e quantificazione dell’espressione genica durante lo sviluppo (ibridazione in situ, immunocitochimica, RT-PCR, uso di geni reporter).

Equivalenza del genoma. Primi esperimenti per la dimostrazione dell’equivalenza del genoma. Trapianti nucleari (King e Briggs, Gurdon, clonazione). Eccezioni all’equivalenza del genoma. Espressione differenziale dei geni. Fattori di trascrizione e loro modalità di azione. Regolazione epigenetica dello sviluppo. Regolazione post-trascrizionale dell’espressione genica. Meccanismi di segnalazione fra cellule durante lo sviluppo. Segnali autocrini, paracrini e iuxtacrini. Morfogeni. Famiglie di fattori diffusibili di crescita e differenziamento. Recettori e principali vie di trasduzione del segnale.

Determinazione del destino cellulare. Acquisizione del fenotipo differenziato: commitment, specificazione, determinazione. Specificazione autonoma, condizionata,

sinciziale. Specificazione autonoma o sviluppo a mosaico: l’esempio dei nematodi (Caenorhabditis elegans) e dei tunicati; regolazione delle prime fasi dello sviluppo di questi organismi; segregazione e identificazione di determinanti molecolari; genealogie cellulari.

Specificazione condizionata o sviluppo regolativo: l’esempio del riccio di mare, degli anfibi e di altri vertebrati. La specificazione condizionata come risultato di interazioni induttive. L’induzione embrionale: meccanismi che mediano l’induzione. Competenza. Induzione primaria e secondaria.

La formazione degli assi in Drosophila. Origine della polarità antero-posteriore e dorso-ventrale. Segmentazione e sviluppo sinciziale. Asse antero-posteriore: i geni ad effetto materno. Formazione di acron e telson: ruolo dei geni torso e torso-like. Geni zigotici (geni gap, pair-rule, segment-polarity). I geni selettori omeotici: organizzazione genomica del complesso HOM-C e piano di espressione dei geni omeotici. Colinearita’ spaziale e temporale. Prevalenza posteriore nel complesso HOM-C. I geni realizzatori. Asse dorso-ventrale: ruolo centrale del gene dorsal. La cascata di segnali. Formazione di un gradiente di dorsalizzazione. Antagonismo fra Decapentaplegic e Short Gastrulation nella modellatura dorso-ventrale dell’ectoderma.

La formazione degli assi negli anfibi. Formazione progressiva degli assi corporei. Rotazione del plasma corticale dell’uovo e formazione della semiluna grigia. Esperimenti di Spemann e Mangold: scoperta dell’induzione embrionale primaria e dell’organizzatore. Le molecole dell’organizzatore. I segnali BMP e loro antagonisti. Regionalizzazione dorso-ventral dell’ectoderma e del mesoderma. Il centro di Nieuwkoop: l’induzione del mesoderma e la formazione dell’organizzatore. Determinanti materni, segnali induttivi e fattori di trascrizione coinvolti nella dorsalizzazione. Ruolo della beta-catenina e di segnali TGF-ß e interazioni fra queste vie di segnale nell’induzione dell’organizzatore. Il centro di Nieuwkoop e l’organizzatore in altri vertebrati: zebrafish, pollo, topo.

Specificità regionale dell’induzione neurale. Polarita’ antero-posteriore: ruolo dei segnali Wnt, FGF, Acido Retinoico e loro antagonisti. Geni Hox: omologia e analogie con i geni selettori omeotici di Drosophila . Ruolo dei geni Hox nella regionalizzazione del sistema nervoso e del mesoderma. Ruolo dell’Acido retinoico nella regolazione dei geni Hox.

Organogenesi molecolare. Regionalizzazione antero-posteriore e dorso-ventrale del tubo neurale. L’istmo come organizzatore secondario del tubo neurale. Segnali Sonic hedgehog e TGF-ß nella regionalizzazione dorso-ventrale del tubo neurale. Il concetto di informazione posizionale. Specificazione precoce dell’occhio, dei placodi cefalici e delle creste neurali. Regionalizzazione del foglietto mesodermico. Meccanismi molecolari di base nello sviluppo del mesoderma parassiale e intermedio. La specificazione del mesoderma cardiogenico. Cenni sulla regionalizzazione dell’endoderma.

Lo sviluppo dell’arto dei tetrapodi. Formazione della gemma dell’arto. Definizione di campo morfogenetico dell’arto. Definizione degli assi prossimo-distale, antero-posteriore e dorso ventrale. Ruoli rispettivi dell’ectoderma e del mesenchima. La cresta ectodermica apicale e la zona di progressione. Il ruolo dei segnali FGF. Specificazione dell’arto superiore ed inferiore. L’allungamento dell’arto secondo il modello della zona di progressione, secondo il modello della collocazione precoce ed espansione dei progenitori o secondo il modello di reazione-diffusione. La zona di attivita’ polarizzante e la specificazione dell’asse antero-posteriore. Ruolo di Sonic hedgehog. Ruolo dei geni Hox nella polarita’ prossimo-distale ed antero-posteriore. Formazione dell’ asse dorso-ventrale. Fenomeni apoptotici nel rimodellamento dell’arto.

Specificazione della linea germinale. Il plasma germinale. Meccanismi di specificazione autonoma o condizionale della linea germinale in diversi organismi: nematodi, insetti, anfibi, amnioti. Localizzazione iniziale delle cellule germinali primordiali e loro migrazione nei rudimenti delle gonadi. Lo sviluppo delle gonadi e la determinazione primaria del sesso. Il ruolo del gene SRY.