La Meiosi

Obiettivi della Lezione:

Conoscere le varie fasi del processo della meiosiConoscere il processo di Gametogenesi maschile e femminile nei mammiferi

Durante la metafase I i bivalenti si attaccano ai microtubuli del fuso attraverso i cinetocori e migrano allequatore del fuso. Questa disposizione consente che i cinetocori dei cromatidi fratelli di un cromosoma omologo si attacchino ai microtubuli provenienti da uno stesso fuso. Poich sono orientati a caso ogni cellula figlia ricever a caso parte dei cromosomi paterni e materni

Allinizio dellAnafase I i membri di ciascuna coppia di cromosomi omologhi si separano e iniziano a migrare verso i poli opposti del fuso, tirati dai microtubuli dei cinetocori

Telofase e Citocinesi: Dopo larrivo dei cromosomi ai poli del fuso, attorno ai cromosomi si formano gli involucri nucleari e inizia la citocinesi

La Meiosi II simile ad una divisione mitotica con una profase molto breve

Una metafase con allequatore del fuso presente solo la met dei cromosomi rispetto a quella mitotica. I cinetocori dei cromatidi fratelli sono rivolti in direzione opposta, consentendo la separazione e la migrazione dei cromatidi fratelli ai poli opposti del fuso durante lanafase II

La Spermatogenesi

LobuliIl parenchima testicolare costituito dal compartimento tubulare e dal compartimento interstiziale

Compartimento interno o adluminaleCompartimento basale o esternoBarriera emato-testicolare

Funzioni del TesticoloCompartimento interstiziale (cellule del Leydig): Produzione di TestosteroneCompartimento Tubulare (Cellule del Sertoli e cellule germinali): Spermatogenesi

Le fasi della produzione gametica maschilePonti citoplasmatici dovuti a citodieresi incompleteDivisioni sincrone per consentire la produzione di un pool di spermatozooi sufficienti per la fecondazione

S: spermatogoni Ad (dark) cellule di riservaP: spermatogoni Ap (pale) B: spermatogoni BPL: spermatocita primario in preleptoteneL: spermatocita primario in leptoteneZ: spermatocita primario in zigoteneP: spermatocita primario in pachiteneM: divisione meioticaII: spermatocita secondarioSa-d: spermatidiCR: Corpo residuoSviluppo di uno spermatozooAdApProfase meioticaDuplicazione cromosomica CrossingoverII MeiosiaploideSpermiogenesiLa specie umana a Digametia Maschile, quindi con la meiosi otteniamo il 50% di spermatozoi 22+X e il 50% di spermatozoi 22+Y

MitosiI Meiosi

Regolazione della spermatogenesiLa produzione di spermatozoi maturi il risultato di una precisa sequenza di eventi regolativi in cui proliferazione, differenziazione, e apoptosi delle cellule germinali sono accuratamente controllati da fattori ormonali o paracrini

Regolazione endocrina e paracrina della spermatogenesi MITOSI MEIOSI SPERMIOGENESICELLULE GERMINALISPERMATOGONI SPERMATOZOOI

IPOFISIIPOTALAMOGnRHLH/FSH

La spermatogenesi dipende dallintegrit funzionale dallasse

IpotalamoIpofisiTesticolo

GnRH-

LH/FSH-

Testosterone

La steroidogenesi nelle cellule del Leydig stimolata dallLH

La spermatogenesi dipende dallintegrit funzionale dallasse

IpotalamoIpofisiTesticolo

GnRH-

LH/FSH-

TestosteroneLa presenza di tali meccanismi omeostatici fanno presumere che i livelli ormonali sono determinanti per una corretta spermatogenesi

Attraverso quali meccanismi LFSH e il Testosterone determinano la progressione o larresto della spermatogenesi?

Effetti dellFSH e del Testosterone sulla spermatogenesiFSH stimola la divisione degli spermatogoniFSH previene la degenerazione apoptotica degli spermatogoni e degli spermatocitiFSH favorisce la divisione meiotica degli spermatocitiTs stimola la elongazione e la spermiogenesiTs previene la degenerazione di spermatociti pachitene e spermatidi

Oogenesi

Loogenesi si svolge nellovaio e lunit riproduttiva dellovaio il follicolo

Fase Fetale FASI delloogenesiFase moltiplicativa degli oogoni dalla 15a alla 24a settimana di vita fetale quando diventano circa 7 milioniPrima divisione meiotica: gli oogoni entrano nella profase meiotica diventando oociti primari. Questo processo continua fino a 6 mesi dopo la nascita quando tutti gli oogoni sono stati trasformati in oociti (circa 1 milione di follicoli primordiali) che sono allo stadio di diplotene. Possono rimanere in questo stadio da 12 a 50 anni. I cromosomi possono essere decondensati e trascritti in questa fase e ci spiega lenorme crescita degli oociti in questo periodoFase dalla Pubert alla menopausaCompletamento della prima divisione meiotica: Ogni mese uno (o pochi) oocita primario matura in oocita secondario che inizia la seconda divisione meiotica che si blocca in metafase II. Tale divisione sar completata dopo lovulazione con la fecondazione

DIFFERENZE TRA SPERMATOGENESI E OOGENESI

Sviluppo del follicolo e ciclo ovaricoFollicolo Dominante

La regolazione del ciclo ovarico e delloogenesi

Principali fattori ormonali che regolano il ciclo ovarico e loogenesiGnRH determina il rilascio di LH e FSHFSH agisce sulle cellule della granulosaLH agisce sulle cellule della tecaEstrogeni prodotti dalle cellula della granulosaAndrogeni prodotti dalle cellule della teca Progesterone prodotto dal corpo luteo

Come viene selezionato il follicolo preovulatorio dominante?

Biosintesi estrogenica follicolareSolo i follicoli che riescono a sequestrare e concentrare FSH nel proprio liquido follicolare riescono a diventare dominanti. II ipotesi: i follicoli atresici potrebbero avere una ridotta espressione di aromatasi o di recettori per lFSH

Regolazione ormonale del ciclo ovarico1. LIpotalamo rilascia in maniera ciclica GnRH.2. GnRH stimola lipofisi anteriore a produrre FSH.FSH3. FSH stimola i follicoli a proliferare (inducendo la produzione di ciclina D2) e a produrre estrogeni. Estrogen

Regolazione ormonale del ciclo ovaricoFSHEstrogen4. Gli estrogeni inducono: laumento dei propri recettori e di quelli dellFSH innescando un processo autopropulsivo operano un feedback positivo sullipofisi determinando lincremento della produzione e dellaccumulo di LH. laumento dei recettori per LH sulle cellule della teca LHEstrogen

Regolazione ormonale del ciclo ovarico5. Gli alti livelli estrogenici determinano il rilascio di un burst di LH6. Gli alti livelli di LH stimolano la prima divisione meiotica delloocitaFSHEstrogenEstrogenLH

Regolazione ormonale del ciclo ovarico7. Gli alti livelli di LH innescano i processi di ovulazione.FSHEstrogenEstrogenLH8. Gli alti livelli di LH causano lattivazione di enzimi proteolitici che determinano la rottura del follicolo che si trasforma in corpo luteo

Regolazione ormonale del ciclo ovaricoFSH9. Il corpo luteo produce progesterone.EstrogenEstrogenLHProgesterone10. Il progesterone ha una azione di feedback negativo sullipofisi che determina una drastica diminuzione dei livelli di LH e FSH.

Regolazione ormonale del ciclo ovarico11. I bassi livelli di LH e FSH determinano la regressione del corpo luteo e un calo della produzione di progestrerone ed estradiolo che determina la fine del ciclo ovarico se non c fecondazioneEstrogenProgesteroneX

Regolazione ormonale del ciclo ovaricoFSH12. Ed il ciclo ricomincia con la produzione di GnRH che fa rialzare il livelli di FSH

Se luovo viene fecondatoLa Blastocisti produrr lormone human Chorionic Gonadotropin (hCG) che mantiene il corpo luteo in assenza di FSH e LH per il primo trimestrehCGSuccessivamente la placenta produrr estrogeni e progesterone sufficienti a sostenere la gravidanza

La Meiosi il processo alla base della Gametogenesi maschile (spermatogenesi) e femminile (oogenesi)Spermatogenesi: E un processo continuo regolato da fattori endocrini e paracrini che determinano linduzione della proliferazione, del processo meiotico, la maturazione spermatica e modulano la degradazione per apoptosi dei vari stadi maturativi delle cellule germinali.

Oogenesi: E un processo fasico regolato da una serie di fattori ormonali e paracrini che attivano o inibiscono pathway metaboliche (cAMP-dipendenti o MAPK) allinterno delloocita determinando il blocco o la progressione della meiosi nelle varie fasi del ciclo

La Meiosi regolata da processi endocrini e paracrini che ne controllano la progressione Spermatogenesi: Le gonadotropine FSH ed LH inducono la produzione di una serie di fattori paracrini Testosterone (nelle Leydig) e vari fattori di crescita (nelle Sertoli) che determinano linduzione della meiosi degli spermatogoni e ne impediscono la degradazione per apoptosi

Oogenesi: La gonadotropina LH nei mammiferi inducono la produzione di una serie di potenziali fattori paracrini da parte della cellula della granulosa che attivano o inibiscono pathway metaboliche (cAMP-dipendenti o MAPK) allinterno delloocita determinando il blocco o la progressione della meiosi nelle varie fasi del ciclo

Come esempio per spiegare il processo di gametogenesi prenderemo in esame proprio il ciclo vitale umano. Come voi sapete la specie umana caratterizzata dallessere un organismo diploide con 46 cromosomi per cellula somatica. Luomo possiede organi deputati alla produzione di gameti maschile denominati testicoli mentre nella donna la funzione di gametogenesi svolta dalle ovaie. In questi due organi si svolge dunque il processo di meiosi che porta alla produzione di spermatozooi nel maschio e di cellule uovo nella femmina. Entrambi sono aploidi e contengono un numero dimezzato di cromosomi 23. Il processo di fecondazione determina la produzione dello zigote, prima cellula del ciclo diploide che per successive mitosi porter allo sviluppo dellembrione quindi del feto e dellindividuo adultoQuindi il ciclo vitale caratterizzato dallalternanza del processo di mitosi tipico della fase di sviluppo e di crescita o semplicemente per ripristinare cellule che vanno incontro a morte nei tessuti ed caratterizzato da una fase di duplicazione del materiale genetico e quindi dalla ri-distribuzione del materiale genetico cellulare in modo da ottenere due cellule identiche a quella di partenza e dal processo di meiosi che avviene solo allo scopo di produrre i gameti e che caratterizzata da una duplicazione e da due successive divisioni cellulari che determinano la produzione di quattro cellule aploidi per ogni cellula diploide progenitrice. Anche se il meccanismo di base appare essere lo stesso, esistono notevoli differenze tra la gametogenesi maschile e quella femminile.

La gametogenesi maschile denominata spermatogenesi ed caratterizzata da vari stadi di maturazione delle cellule gametiche di cui le pi importanti sono gli spermatogoni che sono ancora diploidi e che hanno la capacit di moltiplicarsi tramite mitosi; gli spermatociti primari che affrontano le prima divisione mitotica e gli spermatociti secondari che affrontano la seconda divisione mitotica dando luogo agli spermatidi con corredo aploide che evolveranno nella successiva fase di maturazione nelle cellule spermatiche cellule estremamente specializzate.La gametogenesi femminile invece denominata oogenesi ed analogamente caratterizzata da vari stadi maturativi delle cellule gametiche denominate oogonio, ovocita primario, secondario e ootide La particolarit dellOogenesi come vedremo che le divisioni mitotiche non danno luogo a quattro cellule uovo uguali ma ad una cellula uovo ricca di materiale di riserva che sar utilissimo nelle fasi successive alla eventuale fecondazione, e da tre corpi polari anche essi aploidi ma che andranno incontro a regressione.Per comprendere bene il processo di spermatogenesi necessario conoscere la struttura dellorgano dove avviene tale processo: il testicolo. Il parenchima del Testicolo costituito da tubuli lunghi da 30 a 70 cm, raggomitolati allinterno di lobuli. I tubuli si connettono a entrambe le estremit con un sistema di canalicoli la rete testis che prosegue nellepididimo. Possiamo dunque individuare due regioni allinterno del lobulo: i tubuli seminiferi ed il compartimento delle cellule interstizialiLa regione tubulare delimitata da una membrana basale a cui si appoggiano le cellule del Sertoli che si estendono dalla membrana basale al lume del tubulo avvolgendo le cellule germinali che formano una colonna di cellule nelle varie fasi di sviluppo. Gli stadi pi immaturi (spermatogoni) sono vicini alla membrana basale mentre gli altri stadi si trovano sempre pi vicini al lume del tubulo dove vengono rilasciati gli spermatozoi maturi. Le cellule del Sertoli hanno dunque diverse funzioni: Grazie a delle tight junction riescono a creare una barriera denominata emato-testicolare che separa un compartimento basale o esterno che comprende gli spermatogoni e che ha libero accesso ai prodotti dellinterstizio da un compartimento interno o adluminale che contiene e protegge le cellule aploidi che potrebbero essere considerate antigeni dallorganismo. Pertanto tali cellule vengono nutrite tramite le cellule del Sertoli che hanno funzione trofica oltre che secretiva di numerose sostanze regolatorie che contribuiscono alla maturazione e regolazione della spermatogenesi e parte delle quali vanno a costituire il liquido tubulare. Inoltre Le Sertoli hanno una funzione fagocitaria dei corpi residui e forse anche degli stessi spermi.Il compartimento interstiziale costituito dalle cellule del Leydig e dalle cellule peritubulari che producono dei fattori molto importanti per la progressione della spermatogenesiEssenzialmente possiamo considerare il testicolo come un organo con due regioni funzionali: il compartimento interstiziale essenzialmente composto dalle cellule del Leydig che deputato alla produzione dellormone Testosterone e il Compartimento tubulare composto dalle cellule del Sertoli e dalle cellule germinai deputato alla spermatogenesi Nellambito del processo di produzione gametica possiamo dunque distinguere una prima fase che vede protagonisti gli spermatogoni vere e proprie cellule staminali che attraverso dei processi mitotici continui forniscono un compartimento di cellule rinnovabili. Il processo di spermatogenesi vero e proprio inizia quando gli spermatociti primari iniziano il processo meiotico con le due successive divisioni cellulari che determinano la produzione degli spermatidi aploidi. Lultima fase la spermiogenesi o spermioistogenesi che consiste nella differenziazione degli spermatidi in spermatozoi.E da notare che tutti i singoli tipi cellulari rimangono connessi tra loro da ponti citoplasmatici per citodieresi incomplete. Questi ponti hanno la funzione di permettere il passaggio di molecole fra le varie cellule in modo da permettere le divisioni sincrone di un certo numero di cellule e costituendo cos un pool di spermatozooi sufficienti per la fecondazioneGuardando con maggior dettaglio i tipi cellulari che si differenziano durante la spermatogenesi possiamo notare come gli spermatogoni di presentano sotto varie forme il tipo Ad con cromatina ben colorabile sono le vere e proprie cellule staminali che si dividono per mitosi dando luogo agli spermatogoni Ap (pallidi) con cromatina pi chiara i quali successivamente si dividono in Spermatogoni di tipo B caratterizzati da una cromatina a zolle che daranno origine agli spermatociti primari che andranno incontro al processo meiotico. Queste cellule entrano quindi nella profase della meiosi nella quale permangono per circa 20 giorni durante i quali effettuano il processo di riduplicazione cromosomica, sinapsi e scambio (crossingover) ed in cui possiamo distinguere i vari stadi della profase meiotica (preleptotene, Leptotene, zigotene, pachitene) abbiamo quindi la prima divisione che origina gli spermatociti secondari che subiscono la seconda divisione e quindi la conclusione del processo meiotico dando origine agli spermatidi che costituiscono il primo tipo cellulare aploide. E necessario ricordare che la specie umana sia a Digametia Maschile, quindi con la meiosi otteniamo il 50% di spermatozoi 22+X e il 50% di spermatozoi 22+YInizia dunque il processo di spermiogenesi che abbastanza complesso e che determiner la condensazione del nucleo, la formazione dellacrosoma, il restringimento del citoplasma con leliminazione del corpo residuo fagocitato dalle cellule del Sertoli e lo sviluppo della coda. Si arriver dunque alla formazione dello spermatozoo che comprende una testa con il nucleo e lacrosoma, una porzione intermedia ricca di mitocondri deputata alla produzione di energia e la coda contrattile deputata alla mobilit .La regolazione della spermatogenesi abbastanza complessa e coinvolge un alto numero di fattori ormonali sia endocrini cio prodotti da ghiandole endocrine differenti come lipofisi che produce le gonadotropine LH e FSH che paracrini cio prodotti da cellule dellambiente peritubulare i pi importanti dei quali sono lormone testosterone e i suoi metaboliti DHT e, sorprendentemente, lestradiolo che fino a poco tempo fa era considerato un tipico ormone femminile. Lazione di queste sostanze paracrine determinano la maturazione delle cellule germinali e la successione degli eventi di mitosi, meiosi e spermiogenesi. Comunque molti aspetti di tale regolazione sono ancora sconosciuti. Come agiscono questi ormoni?Le gonadotropine LH ed FSH sono secrete dalla parte anteriore della ghiandola endocrina ipofisi che collocata in connessione con la regione del diencefalo ipotalamo. La produzione di queste due gonadotropine dipende dalla secrezione da parte dei neuroni ipotalamici del Fattore di liberazione di LH ed FSH denominato GnRH che secreto in maniera pulsatile si lega in maniera specifica ai recettori presenti sulle cellule dellipofisi che secernono LH ed FSH determinando il rilascio delle gonadotropine

LH ha un azione sulle cellule del Leydig Dove riconosce un recettore specifico la cui attivazione innesca un classico pathway mediato dalle proteine G che porta allattivazione di AMP ciclico e quindi lattivazione di fattori trascrizionali che aumentano la produzione degli enzimi della steroidogenesi deputati alla conversione del colesterolo plasmatico che la cellula del Leydig assorbe dal circolo e trasforma in testosterone.FSH riconosce,invece, recettori specifici posti sulle cellule del Sertoli e, con meccanismi trasduzionali anche in questo caso mediati da proteine G, attiva la produzione di numerosi prodotti cellulari che svolgono un azione trofica e regolatoria nei confronti delle cellule germinali. tra queste la proteina ABP che lega il testosterone e ne modula lattivit rilasciando il testosterone e i suoi metaboliti in maniera controllata durante le varie fasi della spermatogenesi e linibina che opera una volta in circolo un azione di feedback negativo sullipofisi sulla produzione di FSH. Un azione analoga la svolge il Testosterone riguardo allLH e al GnRH. Tali meccanismi di omeostasi ci fanno capire che una corretta spermatogenesi avviene solo quando sono presenti determinati livelli di questi fattori a livello intratesticolare.La sede in cui avviene la oogenesi sono le ovaie. La parte pi importante delle ovaie lepitelio germinale che contiene tutti gli oociti. Ogni oocita racchiuso in un follicolo ed possibile osservare nella corticale follicoli in varie fasi di maturazione e di regressione che avviene dopo lovulazione.Lunit riproduttiva fondamentale dellovaio il follicolo, che costituito da un oocita circondato da un gruppo di cellule della teca e della granulosa. Queste cellule hanno il compito creare un ambiente protettivo e favorevole allo sviluppo delloocita e in particolare di produrre fattori ormonali paracrini (steroidi e altre sostanze ad azione locale) che modulano la progressione delloogenesi e molti altri effetti su tessuti periferici la maggior parte dei quali sono finalizzati a preparare lapparato riproduttivo femminile ad accogliere leventuale uovo fecondato che dovr svilupparsi. Dunque la fase mitotica e linizio della Meiosi delloogenesi si svolgono prima della pubert. Fino alla pubert gli oociti primari sono bloccati in profase I. Dalla pubert alla menopausa nellovaio essenzialmente si completa la prima divisione meiotica con la produzione delloocita secondario ed il primo corpo polare e si inizia la seconda divisione meiotica che viene bloccata in Metafase II momento in cui avviene il processo di ovulazione.Loocita passa dalle ovaie alle tube pu avvenire il processo di fecondazione. Lincontro con lo spermatozoo determina lo sblocco ed il completamento della seconda divisione meiotica e conseguentemente la produzione del secondo corpo polare. Luovo fecondato diventa dunque zigote che si impianta nellutero e continua il suo sviluppo fino alla formazione di un nuovo organismoParallelamente alla maturazione delloocita esiste lo sviluppo del follicolo che subisce diverse trasformazioni. Fino a costituire il Follicolo preovulatorio o di Graaf costituito da uno spesso strato di cellule della granulosa, da una teca interna ed una esterna ed un antro in cui vengono concentrate sostanze necessarie allo sviluppo delloocita sia prodotte dalle cellule della granulosa e della teca che provenienti dal plasma attraverso il citoplasma delle cellule della granulosa tra cui le gonadotropine e gli steroidi. C uno spostamento in posizione eccentrica su un peduncolo delloocita che viene circondato da una struttura caratteristica il cumulo ooforo. A questo punto un singolo follicolo di Graaf viene selezionato (follicolo dominante) mentre gli altri vanno incontro ad atresia tramite apoptosi. Loocita del follicolo selezionato completa la prima divisione meiotica con lespulsione del primo globulo polare. Il follicolo va incontro ad un rapido accrescimento fino alla rottura,lovulazione e la liberazione nella cavit peritoneale delloocita secondario bloccato in metafase II e del cumulo ooforo ad esso aderente. Gli elementi cellulari rimasti allinterno dopo la rottura del follicolo formano una nuova struttura a funzione endocrina il corpo luteo che garantisce lequilibrio ormonale necessario a creare le condizioni ottimali per limpianto delluovo fertilizzato e per il successivo mantenimento dello zigote, fino al momento in cui la placenta assumer questo compito. Se il concepimento non avviene il corpo luteo va incontro a necrosi.

LH si lega al suo recettore delle cellule della teca ed attiva un classico pathway AMPciclico dipendente che porta allattivazione tramite PKA di fattori trascrizionali che aumentano la sintesi di due enzimi della steroidogenesi il P450scc e il P450c17 che determinano la produzione di androgeni. Questi diffondono attraverso la lamina basale ed entra nelle cellule della granulosa dove vengono metabolizzati ad estrogeni dal P450 aromatasi la cui espressione indotta dallFSH e il suo recettore legato alla proteina G. Gli estrogeni neosintetizzati vengono liberati nel liquido follicolare e nella circolazione periferica. Il mantenimento di tale processo alla base della selezione follicolare. Solo i follicoli che riescono a sequestrare e concentrare FSH nel proprio liquido follicolare riescono a diventare dominanti. Infatti nei follicoli atresici stata notata lassenza di FSH nel liquido e di conseguenza una riduzione di estradiolo con morte del follicolo. Un altra ipotesi potrebbe essere la ridotta espressione di aromatasi o di recettori per lFSH nei follicoli atresiciThe ovarian cycle begins when rising levels of GnRH from the hypothalamus * * stimulate increased production and release of Follicle Stimulating Hormone (FSH) by the anterior pituitary. * * FSH stimulates one or more follicle cells within the ovaries to grow * * and begin producing estrogen. * *Rising estrogen levels in the blood * * inhibits further release of FHS while promoting increased production and storage of the hormone Leutinizing Hormone (LH) * within the anterior pituitary gland. *When estrogen levels in the blood become high enough, * * LH is released by the anterior pituitary gland in a burst. The high estrogen levels also cause the endometrium to thicken. * The sudden release of LH into the blood,* causes the primary oocyte in the mature follicle to undergo the first meiotic division. * *The high LH levels * also cause the mature follicle to release the primary oocyte (ovulation), * and the remains of the ruptured follicle * to become a corpus luteum. * *The corpus luteum * * begins to produce and release the hormone progesterone * which inhibits the production of FHS and LH by the anterior pituitary * and stimulates the secretory phase of the ovarian cycle. * * Diminishing levels of FSH & LH cause the corpus luteum to deteriorate & produce less progesterone. * * * Diminishing levels of estrogen and progesterone * stop the inhibition of FSH & LH by the pituitary gland. * In the absence of adequate levels of progesterone, the thickened endometrium sloughs, causing menses to occur. ** Increasing levels of FSH * cause a new cycle to begin. *However, the blastocyst * (developing embryo) * produces the hormone human Chorionic Gonadotropin (hCG) * * maintains the corpus luteum * in the absence of FSH & LH for the first trimester of the pregnancy. * Eventually the placenta produces sufficient estrogen and progesterone to sustain the pregnancy. *