Gamete

Gamete

Il termine gamete (dal greco γαμέτης, "marito, coniuge", derivato di γαμέω, "sposare") indica le cellule, dette anche sessuali, destinate a unirsi nel processo della fecondazione per dare origine a un nuovo individuo. Dal punto di vista morfologico, i gameti vengono suddivisi in isogameti e anisogameti a seconda che siano tra loro eguali o differenti (come nella maggior parte degli organismi); gli anisogameti, a loro volta, vengono distinti, da un punto di vista funzionale, in gameti femminili e gameti maschili, detti rispettivamente, negli animali, uova e spermatozoi (v. il capitolo Dal concepimento alla nascita).

Gametogenesi

Le cellule sessuali sono state osservate per la prima volta nel 17° secolo; ancora adesso, tuttavia, non sono completamente conosciuti tutti gli aspetti relativi alla loro genesi e biologia e ai sistemi molecolari che permettono loro di riconoscersi e di fondersi. Nei due sessi i gameti presentano enormi differenze riguardo alla misura, alla forma e alle caratteristiche, legate alle necessità della fecondazione; ciascun gamete fornisce la metà dell'informazione genetica al nuovo individuo. Sia il gamete maschile (spermatozoo) sia quello femminile (uovo) sono il risultato di una lunga evoluzione cellulare caratterizzata dal trasferimento, dalla divisione e dalla specializzazione di una cellula originaria, o gonocita. Nella specie umana i gonociti appaiono sulla superficie dell'embrione nelle primissime fasi dello sviluppo; successivamente, intorno alle 4 settimane, migrano verso gli abbozzi della gonade, colonizzandola. Al termine del processo di formazione dei gameti, o gametogenesi, la capacità di spostarsi caratterizzerà nuovamente la cellula germinale maschile, divenuta mobile nella forma di spermatozoo; al contrario, la cellula germinale femminile matura lascerà la gonade in modo passivo, al momento dell'ovulazione. Quando i gonociti colonizzano l'abbozzo delle gonadi moltiplicandosi, il differenziamento sessuale è determinato dalla regione che invadono: la diffusione dei gonociti avviene nella regione corticale per l'ovaio e nella regione midollare per il testicolo. Sempre nella prima metà della gravidanza avviene il processo di differenziazione dei condotti genitali e degli organi genitali esterni. Il differenziamento dell'apparato genitale si effettua in direzione maschile per influenza degli ormoni secreti dal testicolo fetale, di contro si attua spontaneamente in direzione femminile, in assenza di questi ormoni. All'interno delle gonadi si compie la gametogenesi che trasforma i gonociti in gameti. Questa evoluzione è piuttosto complessa e prevede una peculiare forma di divisione cellulare, la meiosi, che è specifica delle cellule germinali. Con la meiosi, i due assetti di cromosomi, ereditati uno dal padre e l'altro dalla madre, sono redistribuiti in due nuove cellule, dopo essersi mescolati. In questo modo, il gamete dispone di un genoma assolutamente nuovo, dato che i cromosomi originari sono stati modificati da scambi tra cromosomi e da mutazioni.

Spermatogenesi

I gonociti, dopo aver colonizzato il testicolo, si moltiplicano e diventano spermatogoni. La spermatogenesi, cioè l'evoluzione degli spermatogoni in spermatozoi, si svolge nella parete di centinaia di tubuli seminiferi, che misurano complessivamente all'incirca 1 metro di lunghezza e occupano la maggior parte del testicolo. All'interno dei tubuli seminiferi, nei quali si trova il tessuto ghiandolare del testicolo con le cellule di Leydig che secernono gli ormoni testicolari, principalmente il testosterone necessario allo svolgimento della spermatogenesi, le cellule germinali sono circondate da cellule nutrici complesse, dette di Sertoli, che producono numerose proteine: inibina, activina, ABP (Androgen binding protein) ecc. La spermatogenesi comincia nella pubertà e riguarda le cellule germinali che sono derivate dalla moltiplicazione degli spermatogoni, gli spermatociti primari. Nel corso della prima divisione meiotica, uno spermatocita primario, che contiene 46 cromosomi, costituiti da due cromatidi, tra cui 1 X e 1 Y come tutte le cellule somatiche maschili, dà origine a due spermatociti secondari, contenenti ciascuno 23 cromosomi, dei quali 1 X o 1 Y. A questo stadio comincia immediatamente una seconda divisione, nel corso della quale per ciascun cromosoma si ha la separazione dei due cromatidi, ciascuno distribuito in ognuna delle due nuove cellule, gli spermatidi. Così, in linea teorica, da uno spermatocita primario diploide (2 n cromosomi) vengono originati 4 spermatidi aploidi (n cromosomi); in realtà soltanto 3 sono gli spermatidi che si formano in media da ogni meiosi, poiché il 25% delle cellule degenera durante questa intensa attività di sintesi e di riorganizzazione del DNA. Da ogni spermatide si differenzierà uno spermatozoo, grazie a straordinarie trasformazioni, il cui fine è rendere la cellula in grado di trasportare il nucleo maschile verso la cellula uovo e che rispondono a tre esigenze complementari. All'inizio, per permettere allo spermatozoo di spostarsi agevolmente, viene eliminata una gran parte del citoplasma dello spermatide e la sua cromatina viene condensata. Questa condensazione è resa possibile dal rimaneggiamento delle proteine nucleari; in particolare, sono prodotte proteine specifiche dello spermatozoo, le protammine, che si sostituiscono agli istoni assicurando un 'impacchettamento' più stretto e stabile della cromatina nucleare.

Un'altra trasformazione essenziale è l'acquisizione della motilità con la formazione di un flagello, a partire dal centriolo distale; la parte intermedia di questo flagello è fiancheggiata da una guaina mitocondriale che produrrà l'energia necessaria allo spostamento del gamete. Infine, l'apparato del Golgi elabora un grande vacuolo ricco di enzimi proteolitici, che ricopre il nucleo dello spermatozoo nella forma di un cappuccio acrosomico o acrosoma, una vescicola che libererà il suo contenuto enzimatico a contatto con le membrane della cellula uovo, per permettere la penetrazione dello spermatozoo. Questa evoluzione, da spermatocita primario a spermatozoo, si svolge nella parete del tubulo seminifero e dura 74 giorni. Poi lo spermatozoo, liberato nel lume del tubulo, è trascinato nel canale di un organo annesso, l'epididimo, dove subirà modificazioni più discrete, essenzialmente di due tipi, che determinano la sua completa maturazione. Da una parte, esso acquista la sua autonomia di spostamento con il perfezionamento del sistema flagellare: lo spermatozoo, immobile al momento del suo arrivo nella testa dell'epididimo, diventa motile prima di raggiungere la coda dell'organo, 10 giorni più tardi. Dall'altra parte, alla sua superficie aderiscono numerose molecole proteiche, prodotte dall'epitelio dell'epididimo; è stato dimostrato che alcune di queste proteine intervengono nel riconoscimento della cellula uovo al momento della fecondazione. Dopo la pubertà, gli spermatogoni cominciano in ogni momento la spermatogenesi, così che questo processo è continuo e indipendente da ogni fenomeno ciclico. La produzione degli spermatozoi è massima verso i 30 anni e declina dopo i 40, anche se la spermatogenesi prosegue comunque grazie al permanere degli spermatogoni. La cellula germinale maschile viene canalizzata, dopo la sua genesi (spermatogonio), prima nei tubuli seminiferi poi nel canale dell'epididimo. Al termine della sua maturazione, lo spermatozoo è dapprima conservato nella coda dell'epididimo, poi escreto in una serie di canali (canale deferente e uretra) e sarà espulso dal corpo in un liquido veicolante, lo sperma, composto dalle secrezioni di diverse ghiandole esocrine (principalmente vescichette seminali e prostata). La parte più straordinaria della spermatogenesi consiste nella trasformazione dello spermatide in spermatozoo, detta spermiogenesi. Le modificazioni che avvengono sono in realtà necessarie solo per rendere il gamete motile e capace di riconoscere l'uovo; lo spermatide infatti è già una cellula in grado di partecipare alla fecondazione, purché lo si conduca fin nell'ovocita, come è stato recentemente fatto grazie alle tecniche di microiniezione. Diversi fattori ambientali influenzano la spermatogenesi. La temperatura del testicolo è stabilizzata a 34 °C in virtù della sua localizzazione nello scroto, fuori dalla cavità addominale, poiché a 37 °C la spermatogenesi sarebbe compromessa. Le radiazioni ionizzanti (raggi X, raggi γ) danneggiano le cellule germinali, soprattutto a livello di spermatogoni, e questi danni possono causare sterilità; anche gli antimitotici disturbano la spermatogenesi, sicché dopo una chemioterapia antiblastica può sopravvenire la sterilità. La fertilità maschile può essere alterata anche dall'inquinamento, a causa dell'azione di diverse sostanze chimiche (piombo, erbicidi, insetticidi ecc.); fenomeno, questo, che di recente è divenuto molto preoccupante, poiché a esso si attribuisce una diminuzione importante nel numero di spermatozoi normali nel seme.

Ovogenesi

Come nel testicolo, ma nella regione corticale e non midollare, i gonociti si moltiplicano nell'ovaio fetale e danno origine agli ovogoni. L'ovogenesi, tuttavia, avviene - invece che in tubuli - all'interno di masse cellulari, i follicoli ovarici, ognuno dei quali racchiude una sola cellula germinale. Altra differenza importante rispetto alla spermatogenesi è che tutti gli ovogoni, capaci di moltiplicarsi indefinitamente per mitosi, vengono trasformati in ovociti di primo ordine (ovocita primario) prima ancora della nascita. Di conseguenza, l'accumulo massimo di cellule germinali (circa 5 milioni) si ha due mesi prima della nascita e decresce successivamente. Questa diminuzione dipende assai poco dalle ovulazioni che si susseguiranno a partire dalla pubertà (soltanto qualche centinaio di cellule uovo per tutta la vita), e molto più dalla degenerazione dei follicoli (atresia), che prosegue senza interruzione dopo la vita fetale. L'impossibilità, al contrario di ciò che accade nel maschio, di rinnovare la scorta di cellule germinali, determina l'esaurimento delle riserve delle ovaie all'epoca della menopausa, verso i 50 anni. Se la degenerazione di numerosi ovociti è continua, la trasformazione, a partire dalla pubertà, di alcuni ovociti primari in cellule uovo è, contrariamente alla gametogenesi maschile, un fenomeno ciclico. Le modificazioni fisiologiche affrontate dall'organismo per preparare la maturazione del gamete femminile sono individuabili nelle femmine degli animali nell'estro, che indica il periodo dell'ovulazione; nella donna, tali modificazioni possono essere individuate nelle mestruazioni, che segnalano l'assenza di fecondazione, due settimane dopo la produzione di una cellula uovo. Questi fenomeni dimostrano, altra differenza con il maschio, che l'ovogenesi si accompagna a cambiamenti ormonali ciclici, in relazione all'evoluzione dei follicoli. Così il follicolo destinato all'ovulazione, che misura solo qualche millimetro al momento delle mestruazioni, raggiunge 20 mm di diametro in 15 giorni e secerne l'ormone estradiolo in quantità crescenti.

A partire dall'ovulazione esso si trasforma in corpo luteo, produttore del progesterone necessario alla gravidanza. Il picco di secrezione dell'estradiolo determina l'estro nelle femmine animali, mentre la caduta del progesterone, in caso di mancata fecondazione, determina le mestruazioni nella femmina dei Primati. L'ovocita è una cellula peculiare da molti punti di vista: è la cellula più grande del corpo; è capace di restare a riposo per decine di anni (dalla vita fetale alla premenopausa); si differenzia in cellula uovo capace di essere fecondata solo per qualche giorno; completa la sua meiosi (n cromosomi) solo al termine della fecondazione; contiene le riserve necessarie ai primi due giorni di sviluppo embrionale. L'ovocita primario, derivato da un ovogonio nell'ovaio fetale, è all'inizio circondato da alcune cellule follicolari appiattite, con le quali costituisce un follicolo primordiale. In questo ovocita primario, ha inizio la meiosi, che tuttavia si arresta poco dopo la duplicazione del DNA (allo stadio di diacinesi della prima profase), cosicché il follicolo resterà quiescente fino all'ovulazione o alla sua atresia. La follicologenesi è il processo evolutivo del follicolo verso la sua maturazione: la moltiplicazione delle cellule follicolari costituisce la granulosa, scavata da una cavità liquida (l'antro); l'insieme è circondato da due involucri, di cui uno, la teca interna, contiene cellule che secernono ormoni steroidei, soprattutto androgeni. All'interno di un ispessimento di cellule della granulosa (il cumulo ooforo) si trova l'ovocita primario, che viene progressivamente circondato da un rivestimento acellulare (la zona pellucida), composto di glicoproteine secrete dall'ovocita.

L'ovocita primario si accresce (da 40 a 120 mm di diametro), poiché nel suo citoplasma si accumulano proteine e RNA che saranno utilizzati nei primi giorni di sviluppo embrionale. Durante questo periodo il nucleo dell'ovocita resta bloccato in profase meiotica; al momento della maturazione del follicolo, la granulosa è costituita da 50 milioni di cellule e l'antro contiene 5 ml di liquido follicolare. In questo momento la meiosi riprende il suo corso sotto l'influenza dell'ormone luteinizzante (LH), elaborato dall'ipofisi: le giunzioni che uniscono l'ovocita alle cellule del cumulo s'interrompono, impedendo la diffusione verso l'ovocita dei fattori follicolari che bloccavano la sua divisione meiotica. Questa prosegue quindi con l'eliminazione, sotto la zona pellucida, della metà dei cromosomi in una piccola massa di citoplasma: il primo globulo polare, destinato a degenerare. Nello stesso tempo si produce una sintesi continua di RNA e di proteine che saranno necessarie alla fecondazione e all'inizio dello sviluppo; in particolare l'ovocita, divenuto secondario, sintetizza in questo momento un fattore indispensabile per la trasformazione del nucleo dello spermatozoo fecondante. Numerosi granuli di secrezione, derivati dall'apparato del Golgi, si posizionano sotto la membrana plasmatica dell'ovocita; i granuli corticali hanno un ruolo importante che permette la penetrazione di un solo spermatozoo durante la fecondazione. La maturazione ovocitaria è l'insieme di questi eventi e dura circa 30 ore. L'ovocita maturo, comunemente chiamato cellula uovo, presenta una nuova fase di stasi del suo materiale nucleare, in metafase della seconda divisione meiotica. In questo stato l'ovocita maturo sarà espulso dal follicolo con l'ovulazione e sarà la penetrazione di uno spermatozoo a determinare il completamento della meiosi, con l'emissione del secondo globulo polare. La donna produce normalmente una sola cellula uovo per ciclo mestruale, ma è possibile anche decuplicare questo numero grazie a trattamenti ormonali; questa pratica di superovulazione si è diffusa a partire dagli anni Sessanta del 20° secolo. Tuttavia, in questa situazione, l'attitudine di ciascuna cellula uovo allo sviluppo è ridotta, anche se la probabilità globale di procreare è aumentata. Alcune anomalie del feto o del bambino sono legate a eventi poco noti che accadono durante l'ovogenesi, in particolare in rapporto all'età delle donne; le donne anziane concepiscono infatti più spesso bambini portatori di anomalie cromosomiche, quale la trisomia 21.

Bibliografia

J.C. Czyba, A. Montella, Biologie de la reproduction humaine, Montpellier, Sauramps Médical, 1993; J. Testart, La procréation medicalisée, Paris, Flammarion, 1993 (trad.it. Milano, Il Saggiatore, 1996).