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SVILUPPO DEL MESODERMA ASSIALE E PARASSIALE

Chick early development

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Tessuti connettivi del dorso

Detto anche

PEDUNCOLO

DEL SOMITE

PRICIPALI LINEE DI DISCENDENZA CELLULARE DEL MESODERMA DEL TRONCO

Anteriormente al mesoderma del tronco si trova una quinta regione mesodermica, il

mesenchima cefalico da cui originano i tessuti connettivi e i muscoli della faccia

Overview

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Anteriormente al

mesoderma del tronco

Mesoderma della testa (o cefalico)

Mesoderma precordale e mesoderma

parassiale insegmentato

Origina tessuti connettivi e muscoli di

faccia e occhi.

Fattori di trascrizione specifici per

muscolatura della testa, diversi da

quelli del tronco - muscoli affetti da tipi

diversi di distrofie

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Il mesoderma del tronco di un embrione allo stadio di neurula può essere suddiviso in 4

regioni, che si ritiene siano specificate lungo l’asse medio-laterale da quantità crescenti di

BMP (fattore ventralizzante).

Gradiente di concentrazione di BMP4 determina espressione differenziale di Forkhead (Fox) -

diversi destini mesodermici

MAJOR MESODERM LINEAGES

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Notocorda (mesoderma assiale) - organo embrionale transitorio caratteristico di tutti i

Cordati

Funzioni della notocorda

- induzioni del SNC e patterning dei tessuti circostanti nello sviluppo embrionale precoce

- sostegno durante fasi tardive dello sviluppo embrionale

Successivamente degenera e residui della notocorda rimangono presenti nell’adulto solo a

livello dei nuclei polposi dei dischi intervertebrali

MAJOR MESODERM LINEAGES

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Somite formation

(somitogenesis) and

specification

MAJOR MESODERM LINEAGES

La formazione dei somiti in

tutti i vertebrati procede

dall’estremità anteriore a quella

posteriore con una sequenza

temporale predeterminata

SOMITI

9Pourquie O. The chick embryo: a leading model in somitogenesis studies. Mechanisms of Development 121

(2004) 1069–1079

I SOMITI

Ai lati del tubo neurale si trovano 2

bande di tessuto mesodermico,

chiamato PIASTRA SEGMENTALE o

MESODERMA INSEGMENTATO

Con la chiusura delle pieghe

neurali, il mesoderma parassiale

si segmenta in blocchi di cellule

detti somiti

Si osserva il Differenziamento dei

somiti, del celoma e delle 2 aorte

che poi si fonderanno

I somiti sono strutture transitorie importanti per l’organizzazione del piano segmentale

dei vertebrati (es. determinano le vie di migrazione delle cellule della cresta neurale, formano

le vertebre e le coste)

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La specificazione del mesoderma parassiale è dovuta a proteina Nogging antagonista

del segnale BMP (ventralizzante)

Nogging espressa precocemente nel mesoderma insegmentato

Trapiantando cellule che esprimono

Nogging nel mesoderma laterale si ha

formazione di somiti

Microfotografia al SEM. Stadio precoce di formazione dei somiti ai lati del tubo neurale.

Le componenti importanti nella formazione dei somiti sono:

1. La periodicità

2. La fissurazione (separazione dei somiti)

3. L’epitelizzazione

4. La specificazione

5. Il differenziamento

I somiti differenzieranno strutture

diverse nelle differenti posizioni lungo

l’asse antero-posteriore

0,1m

m

PERIODICITA’ DELLA FORMAZIONE DEI SOMITI

La somitogenesi procede ad intervalli regolari nella regione mesodermica simultaneamente

alla regressione della linea primitiva

La formazione dei somiti ha inizio

quando le cellule del mesoderma

parassiale insegmentato si organizzano in

spirali di cellule detti SOMITOMERI

Ä I somitomeri si compattano e sono tenuti

insieme da epitelio, poi si separano dal

mesoderma parassiale presomitico

formando blocchi distinti.

Ä Il n° dei somiti è caratteristico di ogni

specie (50 pollo, 65 topo, 500 in alcuni

serpenti)

La formazione di blocchi distinti di

cellule è dovuta a cambiamenti nella forma

delle cellule e nei loro contatti

EPITELIZZAZIONE DEL SOMITE

I somiti si formano a coppie, uno su

ciascun lato della notocorda,

contemporaneamente

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Regulation of somite formation

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Regulation of somite formation

SEPARAZIONE DEI SOMITI DAL MESODERMA INSEGMENTATO

Il segnale Notch determina la posizione della formazione del somite, regolando una

cascata di espressione di geni che porta infine alla separazione dei tessuti: questi geni, tra

cui Hairy1, sono espressi in modo ciclico e dinamico lungo l’asse anteroposteriore.

Il gene Hairy1 codifica per un fattore di trascrizione e tra i suoi possibili bersagli ci sono i

geni per l’efrina e il suo recettore EphA4 in grado di determinare una repulsione tra cellule

Il confine del somite si forma alla regione di espressione dell’Efrina, nella parte posteriore

dell’ultimo somite che si è formato, con la regione di espressione di EPhA4, nella parte

anteriore del prossimo somite che si formerà.

In blu scuro

espressione di

EphA4

La regione più caudale del somite che deve formarsi non esprime Efrina finchè quel

somite non è pronto a separarsi.

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18The periodic, anteriorly traveling waves of cyclic gene expression can be seen in the presomitic mesoderm (PSM) of a

transgenic mouse embryo. The transgene expresses a destabilized YFP from the cyclic promoter of the Lunatic Fringe gene, an

oscillating component of the mouse segmentation clock. See Aulehla et al., 2008. Nat Cell Biol. 10(2):186-93 for more details.

Imaging Clock Oscillations in the Mouse Embryo

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… in all of these species (zebrafish, chicken, mouse, corn snake) a similar ‘clock-and-wavefront’

mechanism operates to control somitogenesis; in all of them, somitogenesis is brought to an end

through a process in which the presomitic mesoderm, having first increased in size, gradually shrinks

until it is exhausted, terminating somite formation.

In snake embryos, however, the segmentation clock rate is much faster relative to developmental rate

than in other amniotes, leading to a greatly increased number of smaller sized somites.Gomez et al., 2008. Nature 454:335-339

Perché i serpenti sono lunghi…

SEGNALE NOTCH E FORMAZIONE DEI SOMITI

A) Il trapianto della presuntiva regione limite di un somite di quaglia in una regione

non limite di pollo genera un nuovo confine e un nuovo somite.

Le cellule del confine trapiantato istruiscono le cellule che stanno anteriormente ad

assumere aspetto epiteliale e a separarsi

B) Il trapianto di cellule non limite in una regione non limite non genera un nuovo confine,

né un nuovo somite

C) Però l’aggiunta della proteina Lunatic Fringe (in grado di attivare Notch) alle cellule

della regione non limite, le trasforma in cellule capaci di formare confini e nuovi

somiti

La sintesi di 2 proteine della matrice extracellulare, fibronectina e N-caderina fa

unire le cellule in blocchi di tessuto, con formazione di giunzioni strette e una propria

lamina basale

EPITELIZZAZIONE DEL SOMITE

Nel pollo la trasformazione da tessuto mesenchimale a blocco epiteliale, avviene

immediatamente dopo la fissione somitica

Induzione ectodermica su cellule somitiche periferiche che determina transizione

mesenchimo-epiteliale e la formazione di masse epiteliali sferoidali cave

Il mesoderma presomitico quindi possiede una identità di posizione prima

della formazione dei somiti????

I SOMITI SI DIFFERENZIANO IN PARTICOLARI STRUTTURE A SECONDA

DELLA LORO POSIZIONE LUNGO L’ASSE ANTERO-POSTERIORE

⬥ somiti anteriori formeranno vertebre cervicali

somiti posteriori formeranno vertebre toraciche con costole

Se il mesoderma pre-somitico destinato a produrre le vertebre toraciche viene trapiantato

in una regione anteriore destinata a dare origine alle vertebre cervicali, si sviluppa

secondo la sua posizione originaria sviluppando coste soprannumerarie nella regione

cervicale

Il mesoderma pre-somitico è specificato precocemente

… prima della separazione dei somiti

SPECIFICAZIONE DEI SOMITI LUNGO L’ASSE ANTEROPOSTERIORE

Le differenze tra le vertebre (cervicali, toraciche, lombari e sacrali) possiedono

caratteristiche anatomiche ben definite a seconda della loro posizione lungo l’asse antero-

posteriore, permettondo di apprezzare il pattern antero-posteriore del mesoderma

La formazione del pattern antero-posteriore è un processo distinto dalla

specificazione regionale dei singoli somiti e si verifica precocemente quando il

mesoderma è ancora insegmentato

Il pattern antero-posteriore si basa sull’acquisizione di un valore di posizione da

parte delle cellule mesodermiche lungo l’asse e ne specificherà il successivo sviluppo

In tutti i vertebrati la formazione del pattern lungo l’asse antero-posteriore coinvolge

l’espressione dei GENI HOX, un complesso di geni che specificano l’identità di

posizione: cioè i somiti sono specificati a seconda dei geni Hox che esprimono

REGIONALIZZAZIONE DEI SOMITI: I DERIVATI DEL SOMITE

Diverse regioni di ogni somite formano:

1. La cartilagine delle vertebre e delle coste

2. I muscoli della gabbia toracica, degli arti, della parete addominale e della lingua

3. Il derma cutaneo

Mentre la determinazione

del mesoderma lungo

l’asse antero-posteriore è

precoce, la determinazione

delle cellule di un somite

verso il loro rispettivo

destino avviene dopo che il

somite si è già formato

QUANDO IL SOMITE MATURA LE SUE DIVERSE REGIONI VENGONO

DETERMINATE A FORMARE SOLO CERTI TIPI CELLULARI

Le cellule ventromediali del somite vanno

incontro a mitosi e perdono le loro

caratteristiche epiteliali.

SCLEROTOMO: queste cellule, migrando

ventralmente a circondare la notocorda,

vanno a costituire i condrociti delle

vertebre e di parte di ciascuna costa

Le cellule localizzate nella regione dorsale e

laterale formano il DERMAMIOTOMO.

Le cellule del miotomo proliferano e

migrano formando un dermamiotomo

BISTRATIFICATO.

Lo strato più interno è costituito da

precursori cellulari del muscolo, i

MIOBLASTI

I mioblasti della regione più vicina al

tubo neurale formeranno i MUSCOLI

EPIASSIALI (muscoli profondi del

dorso) mentre quelli della regione più

distante formano i MUSCOLI

IPOASSIALI (parete del corpo, arti,

lingua)

La regione centro-dorsale del

dermamiotomo, DERMATOMO, origina

il DERMA.

Non è fisicamente distinto dalle regioni

laterali del miotomo finchè le cellule

muscolari presuntive non migrano e si

differenziano

Le cellule ventro-mediali del

somite vanno incontro a mitosi,

perdono il loro aspetto epiteliale

e migrano

Anche le cellule della porzione

laterale del somite si disperdono

ventralmente lungo le pareti

dell’embrione

DETERMINAZIONE DELLO SCLEROTOMO, DERMATOMO E MIOTOMO

Il destino di una regione del somite dipende dalla sua localizzazione ed interazione di

diversi tessuti: tubo neurale e notocorda produco segnali che stabiliscono il pattern dei

somiti e che sono necessari per il loro sviluppo

ESPERIMENTO: il trapianto di una seconda notocorda

nella regione dorsale di un somite in un embrione a 10

somiti, sopprime la formazione del dermamiotomo e

induce la formazione dello sclerotomo nella regione

dorsale. Cambia anche la morfologia del tubo neurale

La notocorda è un induttore della cartilagine

Oltre al segnale ventralizzante prodotto dalla

notocorda e dalla lamina ventrale del tubo neurale,

altri segnali prodotti dal tubo neurale dorsale,

dall’ectoderma e dal mesoderma della piastra

laterale sono responsabili per la creazione del

pattern differenziativo dei somiti

Notocorda e lamina del pavimento del tubo

neurale secernono il fattore paracrino Sonic

hedgehog e inducono la formazione dello

sclerotomo. Quest’ultimo esprime il fattore

di trascrizione Pax1 necessario per il

differenziamento in cartilagine.

Il miotomo viene indotto da 2 segnali distinti:

➢ i mioblasti epiassiali sono indotti da fattori provenienti dalla

regione dorsale del tubo neurale (Wnt) e dalla notocorda (bassi livelli

di sonic hedgehog)

Dopo aver assicurato l’integrità assile dell’embrione e aver

indotto la formazione del tubo neurale, la notocorda

degenera per apoptosi. Permane nel disco

intervertebrale a formare il nucleo polposo

Il dermatomo si differenzia in

risposta a neurotrofina 3 e

Wnt1 secreti dalla parte

dorsale del tubo neurale➢I mioblasti ipoassiali vengono specificati da una combinazione di

proteine Wnt provenienti dall’epidermide e da BMP4 proveniente dal

mesoderma della lamina laterale

MIOGENESI

La miogenesi è un processo che prevede la formazione dei mioblasti che proliferano e poi

uscendo dal ciclo cellulare, si fondono in sincizi polinucleati che esprimono le proteine

caratteristiche del tessuto muscolare.

Si attivano i geni regolatori della miogenesi: MyoD, Myf5, miogenina e

Myf4

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The somitogenesis song