Segmentazione

Segmentazione

La segmentazione è il processo per mezzo del quale la cellula uovo fecondata - oppure partenogenetica, nelle specie in cui si attua questo tipo di riproduzione - dà inizio allo sviluppo di un organismo pluricellulare. La segmentazione comincia subito dopo la fecondazione e si conclude quando le cellule da essa prodotte e disposte nella formazione di blastula iniziano il proprio accrescimento, dando luogo allo sviluppo embrionale propriamente detto. In sintesi, il processo si svolge tra la fecondazione e l'embriogenesi (v. il capitolo Dal concepimento alla nascita, Dalla fecondazione all'impianto). Quale evento, esterno oppure interno alla cellula, provochi l'inizio della segmentazione, quali siano il suo significato e le modalità con cui avviene nelle diverse specie animali - se modalità diverse vi sono - sono interrogativi che hanno avuto risposta dopo una lunga ricerca iniziata in tempi remoti, talvolta interrotta da difficoltà impreviste e ora in pieno sviluppo, soprattutto dopo i risultati ottenuti negli studi di genetica e di biologia molecolare (v. biologia), nella tecnica e nella strumentazione ultramicroscopica; mentre le parziali risposte che erano venute accumulandosi hanno aperto prospettive di grande interesse generale, che sono ancora oggetto di indagine.

Prima della fecondazione, l'uovo è anisotropo, con anisotropia molecolare e termodinamica; è costituito da materiale non omogeneo, talora disposto a strati; è più o meno ricco di vitello, il materiale di riserva detto anche tuorlo, e può essere quindi più o meno simmetrico, con un asse tra un polo animale e un polo vegetativo. Contiene cospicue quantità di acidi nucleici, sintetizzati durante l'ovogenesi: sono acidi nucleici ribosomiali, trasportatori (tRNA) e messaggeri (mRNA); di questi ultimi, trascritti e come tali accumulati, è impedita la traduzione prima della fecondazione. Sembra infatti che qualche inibitore blocchi nei ribosomi del citoplasma la capacità di reagire con l'mRNA, mentre dopo la fecondazione l'inibitore verrebbe rimosso. L'ovocita, in genere, e in particolare nei Mammiferi e nel riccio di mare, al momento della fecondazione non ha ancora completato la meiosi, che si è arrestata dopo la prima divisione riduzionale. Nemmeno lo spermatocita, pur possedendo già un nucleo aploide, è pronto alla fusione con l'uovo, ma è in attesa di attivazione. Alla fecondazione, mentre l'ovogonio conclude la seconda divisione meiotica per restare con il nucleo aploide, lo spermatocita si decondensa e perde i mitocondri, che quindi saranno trasmessi alla discendenza dalla sola madre: i due nuclei, maschile e femminile, divengono così pronuclei e, dopo la disintegrazione dei rispettivi involucri, si uniscono a formare lo zigote, il cui citoplasma è totalmente di origine materna. Subito dopo la fecondazione, il materiale citoplasmatico subisce un rimescolamento e riassestamento, con la ridistribuzione di alcuni costituenti di particolare importanza, già presenti nell'uovo, che si dispongono lungo distinti assi di simmetria. I fattori che determinano tale simmetria sono distribuiti secondo gradienti a varia concentrazione, lungo l'asse tra i due poli, quando l'embrione diventa pluricellulare. Aumenta ora il consumo di ossigeno, entrano in funzione alcuni enzimi e iniziano i processi metabolici programmati. A questo fine viene attivata l'utilizzazione degli mRNA accumulati e quiescenti, 'reclutati' e tradotti al fine di consentire, con la scorta delle informazioni in essi contenute, la sintesi proteica necessaria a costruire le varie strutture delle cellule in formazione, come le membrane e altri costituenti fondamentali. Tra le prime proteine necessarie ci sono gli istoni per i nuclei, la tubulina per i microtubuli delle cellule in segmentazione, e gli enzimi per le sintesi proteiche, tutte componenti dunque che sono di derivazione materna.

Esiste un fenomeno che mostra chiaramente come siano i messaggeri materni a guidare le prime fasi dello sviluppo: definito come 'effetto materno', consiste nella comparsa, in tempi successivi, di alcuni caratteri della madre. Tale fenomeno può essere osservato, per es., nel gasteropode Limnaea: il carattere particolare della spirale della conchiglia - destrorso o sinistrorso - e dell'organizzazione interna degli organi dipende dal modello di segmentazione (più esattamente, dalla direzione dei piani di segmentazione, a loro volta dipendenti dall'organizzazione del citoplasma cellulare) seguito nella prima fase dello sviluppo embrionale sotto l'espressione genica materna, quando il genoma maschile è ancora inattivo. L'azione dell'mRNA dell'uovo e la conseguente influenza dei caratteri materni si prolungano fino allo stadio di blastula avanzata, quello cioè in cui si forma il mesenchima. L'mRNA che controlla la gastrulazione si forma tra la fecondazione e lo stadio di blastula. L'uovo fecondato riacquista anche la capacità, che aveva perduta nel passaggio da ovogonio a ovocita, di duplicare il suo DNA e dà inizio alla prima mitosi, che divide in due cellule lo zigote secondo un piano che assumerà una particolare importanza nella morfologia finale dell'individuo; spesso sarà piano di simmetria. Nell'uovo di una data specie la posizione del piano non è infatti casuale, ma parrebbe determinata dal punto di entrata dello spermatozoo, in particolare dalla direzione dell'aster, un insieme di fibre proteiche coinvolte nelle divisione cellulare, e dai successivi movimenti citoplasmatici. Sembra che in qualche modo siano i microtubuli dell'aster a provocare gli spostamenti nel citoplasma. Si è osservato infatti che, cambiando artificialmente la direzione del fuso mitotico esteso tra i due aster, si produce un cambio della posizione del piano di segmentazione.

La divisione del nucleo è coordinata a quella del citoplasma, che viene contemporaneamente separato in due, con un processo di strozzatura, da microtubuli formanti una sorta di anello contrattile, perpendicolare alla direzione del fuso mitotico. La presenza degli aster sembra indispensabile all'avvio della segmentazione. Seguono altre divisioni; la seconda lungo un piano perpendicolare al primo, la terza lungo il piano equatoriale e poi via via con modalità diverse, secondo le specie e la quantità di tuorlo presente nell'uovo. Il materiale inerte del tuorlo, infatti, rende più impacciati, fino a impedirli completamente, taluni movimenti morfogenetici, per es. l'invaginazione, come avviene nel caso degli Uccelli (v. oltre). La segmentazione, tranne che nei Mammiferi, procede in genere con una grande rapidità, paragonabile a quella delle cellule tumorali. La velocità di divisione del citoplasma dell'uovo propria di ciascuna specie è programmata nel genoma, prima della fecondazione. La fonte energetica usata in queste fasi è data dalle sostanze nutritive accumulate dall'uovo. Alle divisioni non segue l'accrescimento cellulare come nelle normali mitosi, ove le cellule figlie prima di una nuova divisione devono raggiungere le dimensioni della cellula madre. La quantità di citoplasma iniziale rimane quindi immutata, mentre il nucleo raddoppia le sue dimensioni: così il rapporto citoplasma/nucleo viene alterato, riducendosi. Il DNA dei nuclei, per mantenersi in quantità costante, utilizza il materiale citoplasmatico. Poi, mentre la velocità di segmentazione si riduce, il rapporto nucleoplasmatico si avvicina a quello delle cellule somatiche. La segmentazione decelera quindi bruscamente e il numero delle cellule aumenta lentamente, mentre i geni cominciano a essere tradotti. Un effetto di fondamentale importanza della segmentazione è la ripartizione del citoplasma dello zigote nelle cellule derivate, i blastomeri, con la segregazione dei costituenti fondamentali. Così, sostanze importanti per lo sviluppo sono suddivise in gruppi di cellule diverse e la loro presenza costituisce un fattore determinante per l'espressione dell'informazione genica in quell'area. In seguito ai risultati di vecchie sperimentazioni su uova fecondate di Anfibi, ascidie e ricci di mare, tali costituenti sono stati localizzati e definiti determinanti morfogenetici, in quanto determinano specifiche linee di differenziazione cellulare. In certi casi, pigmenti differenti delle diverse parti dell'uovo non fecondato hanno permesso di seguire, dopo la fecondazione, il destino dei materiali che li compongono e di rilevare che essi migrano sempre in quei blastomeri nei quali si differenziano le stesse strutture dell'embrione. La segregazione dei costituenti citoplasmatici dell'uovo mostra dunque che, proprio dall'interazione di sostanze diverse su un genoma, che invece è identico in tutte le cellule dell'embrione, può derivare l'attivazione o la repressione differenziale delle informazioni geniche necessarie per il differenziamento dei vari gruppi cellulari. I determinanti permettono in modo selettivo l'espressione di geni che codificano un determinato tipo cellulare e, successivamente, il differenziarsi di certi organi in quel sito o regione corporea.

Il risultato diretto della segmentazione è dunque la determinazione spaziale dell'espressione genica specifica. Del resto, esperimenti di separazione, distruzione o fusione di blastomeri all'inizio dello sviluppo, eseguiti nei primi anni del 20° secolo, hanno dimostrato che la disposizione dei costituenti è ordinata secondo modelli specifici e anche varianti nel tempo. Nelle uova di riccio di mare, dopo le due prime divisioni, si formano quattro blastomeri che, qualora vengano separati, sono in grado di formare ciascuno quattro embrioni completi; però, con la terza divisione sul piano equatoriale, soltanto il quartetto di blastomeri del polo inferiore, detto vegetativo, è in grado, se separato, di produrre un embrione completo, mentre quello animale, separato dal sottostante, produce soltanto una sfera cava. Allo stesso modo, l'uovo fecondato, tagliato a metà secondo l'asse animale-vegetativo, produce due embrioni completi mentre, tagliato trasversalmente a tale asse, dà origine a un embrione quasi normale solo nella metà vegetativa e a una semplice sfera cava nella metà animale (quella da cui, nell'embrione normale, si sarebbe formato l'ectoderma). Dall'eventualità che, quando il processo di segmentazione si allontani dalla sua normale successione temporale e disposizione spaziale, il destino delle cellule possa cambiare, nasce anche il problema della più o meno lunga permanenza di potenzialità dei nuclei.

Già negli anni Venti del 20° secolo furono eseguite alcune esperienze da parte dell'embriologo H. Spemann, che vennero confermate in seguito da altri autori, al fine di far luce su questo punto. Dal trapianto di nuclei prelevati da cellule di embrioni in diversi stadi di segmentazione in uova preventivamente enucleate si osservò che si producevano embrioni normali, a dimostrazione del fatto che il nucleo mantiene a lungo la sua totipotenza, anche in uno stadio avanzato della formazione della blastula. Le prime divisioni avvengono contemporaneamente in tutti i blastomeri, successivamente si perde la sincronia ed esse si verificano in tempi diversi. Le cellule embrionali hanno dimensioni che sono tipiche della specie di appartenenza. Si passa in tal modo alla morula, costituita da una massa di cellule in numero variabile nelle varie specie - nell'uomo, per es., sono da 14 a 16, negli Anfibi da 16 a 64 - che in genere, pur aderendo l'una all'altra, in seguito si distribuiscono, distanziandosi, su una unica superficie sferica, la blastocisti, che racchiude una cavità, il blastocele. Questa struttura, probabilmente, permette il mantenimento di una giusta distanza di cellule, che non devono ancora interagire, e in seguito facilita la migrazione di quelle che dovranno formare la gastrula. Fino a questo stadio lo sviluppo è rimasto sempre sotto il controllo dell'mRNA dell'uovo, cioè materno, ma anche di pochi RNA trascritti da RNA di nuova sintesi, prodotti dallo zigote, dopo la fecondazione. Questi ultimi, tuttavia, sembrano essere utilizzati maggiormente nello sviluppo postblastulare e da allora in poi i nuclei cellulari, dato che codificano le proteine dell'organismo in formazione con la produzione di nuovi acidi nucleici da entrambi i genomi, sono considerati nuclei embrionali. Il modello di segmentazione descritto è quello della segmentazione oloblastica, delle uova quasi prive di vitello, dette perciò oligolecitiche, che origina una blastula con pareti a un solo strato di cellule quasi eguali tra loro; tale modello è osservabile nei Cefalocordati, come l'anfiosso, e nei ricci di mare; in altri casi invece, come si è accennato, la presenza del materiale vitellino inerte ostacola le divisioni cellulari, tanto che i solchi si estendono e penetrano con difficoltà dal polo animale a quello vegetativo.

Alla fine della segmentazione l'effetto è che la blastula ha un blastocele piccolo, le cellule del polo animale sono più piccole e disposte in più strati, mentre quelle del polo vegetativo sono più grosse, infarcite di tuorlo, e riempiono parte del blastocele. Questo tipo di segmentazione, ancora oloblastica, è proprio delle uova dette mesolecitiche come quelle degli Anfibi. Le uova dei Pesci, degli Uccelli e dei Rettili, con tuorlo molto abbondante, hanno il protoplasma limitato a una piccola area sopra il vitello, al polo animale. In tal caso, la segmentazione non può procedere estendendosi al vitello e coinvolgendolo, ma si svolge nella sola zona del protoplasma. La blastula, anziché sferica, risulta fortemente appiattita sino a costituire un disco, il blastodisco. Questo, sollevandosi sul tuorlo, definisce una cavità che corrisponde al blastocele delle altre segmentazioni. Tali uova sono dette macrolecitiche e la segmentazione meroblastica. Da una proliferazione cellulare ai margini del blastodisco, si forma un tessuto extraembrionale che, circondando il tuorlo e per mezzo di vasi sanguigni, ne trasporta le sostanze nutritive all'embrione. Le uova dei Mammiferi, nelle quali il tuorlo è assente e l'embrione trae il nutrimento dal corpo materno attraverso la placenta, si segmentano in tutta la loro estensione. Le divisioni sono lente e asincrone fin dall'inizio. Ben presto, le cellule, da una disposizione lassa, si compattano, avvicinandosi tra loro per formare la morula, entro la quale poi si allarga una cavità. Si arriva così alla blastocisti, le cui cellule, a seconda che si trovino nella parte centrale o in quella periferica, subiscono destini diversi, andando a costituire, le prime l'embrioblasto - generatore dell'embrione - le altre il trofoblasto, che formerà il tessuto di nutrimento. Al termine della formazione della blastula il ritmo delle divisioni rallenta improvvisamente, le cellule iniziano la crescita individuale e si attua la fase di gastrulazione. Le cellule allora si attivano, assumono nuove collocazioni e, mentre alcune restano all'esterno, altre passano all'interno e si dividono in più strati, dando luogo a tre foglietti concentrici, l'ectoderma, il mesoderma e l'entoderma. A questo punto ha inizio anche la crescita embrionale, con l'aumento del numero delle cellule e la loro differenziazione (v. embrione).

bibliografia

s.f. gilbert, Developmental biology, Sunderland (MA), Sinauer, 1997⁵ (trad. it. Bologna, Zanichelli, 1998³).

s. shostak, Embryology. An introduction to developmental biology, New York, Harper Collins, 1991, pp. 293-352.