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Luciana Castaldo » 4.Fecondazione


Introduzione

La fecondazione è il processo attraverso cui lo spermatozoo e l’ovocita si fondono per formare lo zigote, che rappresenta il nuovo individuo. La fecondazione consente il ripristino del numero diploide di cromosomi e la determinazione del sesso dell’individuo; inoltre è fondamentale per la variabilità biologica grazie all’integrazione delle caratteristiche ereditarie materne e paterne. L’integrazione del materiale genetico paterno e materno dei due pronuclei viene indicata come singamia.

L’incontro dei due gameti per lo sviluppo dello zigote è favorito dall’accoppiamento, fenomeno comportamentale adattato alla fecondazione nelle diverse specie. Tra i meccanismi che si sono evoluti per facilitare il successo della fecondazione c’è la sincronizzazione tra l’accoppiamento, la maturazione dei gameti di entrambi i sessi e la maggiore probabilità per gli zigoti di svilupparsi. Nella maggior parte delle specie il periodo riproduttivo è limitato e corrisponde al periodo di maturità dei gameti. Nella stragrande maggioranza dei Mammiferi in particolare, con il ciclo estrale si raggiunge un alto grado di sincronismo tra accoppiamento e liberazione dei gameti.

Fertilization

Diverse modalità di fecondazione

Gli animali acquatici e gli Anfibi anuri producono grandi quantità di zigoti sui quali non esercitano cure parentali. Essi rilasciano ovociti e spermatozoi nell’ambiente in cui vivono per cui la fecondazione viene definita esterna. In tal caso le uova deposte in ambiente acquatico sono per lo più rivestite di un involucro gelatinoso.

Al contrario, Uccelli e Mammiferi (ma anche gli Elasmobranchi) producono relativamente pochi zigoti, ma investono in cure parentali, che possono essere fornite sia prima che dopo la nascita. Quando gli spermatozoi vengono deposti nelle vie genitali femminili, si parla di fecondazione interna. In tal caso gli spermatozoi, nel terzo superiore della tuba o dell’ovidutto, incontrano il gamete femminile ancora circondato dal cumulo ooforo.

Inoltre, per quanto riguarda la condizione del gamete femminile al momento dell’ingresso dello spermatozoo, esso può aver completato la meiosi (come nel riccio di mare), può essere allo stadio di ovocita primario (come in alcuni molluschi) o allo stadio di ovocita secondario (come nella maggior parte dei Mammiferi).


Fecondazione esterna (F.E.)

Negli animali a fecondazione esterna le possibilità di incontro dei due gameti risultano incrementate dal loro rilascio contemporaneo, normalmente in seguito ad un rito di corteggiamento, e da una reciproca attrazione chimica tra gameti maschili e femminili della stessa specie. Questa attrazione selettiva è anche alla base dell’adesione dello spermatozoo all’ovocita e dell’inibizione della cross-fecondazione tra specie diverse.
Nella fecondazione esterna numerosi spermatozoi arrivano alla superficie del gamete femminile. Il contatto dello spermatozoo con l’involucro gelatinoso dell’uovo determina ingresso di ioni Ca++ nello spermatozoo, attivando un flusso in uscita di H+ con conseguente aumento del pH intracellulare e protusione del proceso acrosomico, ed esocitosi della vescicola acrosomica con liberazione di enzimi litici.


(F.E.) Reazione acrosomica

Dopo la digestione dell’involucro gelatinoso, ad opera degli enzimi acrosomiali, ed il riconoscimento dei recettori di superficie, le membrane plasmatiche dei due gameti giungono in contatto e si fondono aprendo un varco che consente l’ingresso del pronucleo maschile nell’ooplasma. Solo il primo spermatozoo viene progressivamente inglobato nel citoplasma del gamete femminile attraverso un meccanismo di tipo fagocitotico.


(F.E.) Fusione delle membrane e dei pronuclei

Entrando nell’ooplasma il pronucleo maschile, decondensa il proprio DNA e si porta al centro dello stesso ooplasma, dove si fonde col pronucleo femminile appena questo termina la sua divisione meiotica.

Nel riccio di mare il gamete femminile ha già completato la meiosi ed è quindi aploide al momento della fecondazione; in molti Invertebrati ed in Vertebrati a fecondazione esterna, il gamete femminile è ancora allo stadio di ovocita per cui con l’ingresso dello spermatozoo si ha una ripresa della divisione meiotica.

I due pronuclei aploidi quindi si avvicinano e si fondono nel nucleo diploide dello zigote.


(F.E.) Formazione della membrana di fecondazione

Con la penetrazione del primo spermatozoo, si ha un’attivazione dei granuli corticali. Questi sono derivati dall’apparato di Golgi e posti sotto la membrana dell’ovocita, e sono considerati omologhi all’acrosoma per il loro contenuto in materiale mucopolisaccaridico ed enzimi proteolitici.

Il rilascio dei granuli corticali consiste nella fusione della loro membrana con la membrana plasmatica e nella conseguente esocitosi del loro contenuto. Gli enzimi dei granuli corticali distruggono i recettori di membrana specie-specifici per gli spermatozoi, mentre i mucopolisaccaridi, richiamando acqua, vanno a costituire una spessa membrana di fecondazione.

Fertilization: Sperm/Egg Recognition and Contact


Fecondazione interna (F.I.)

Quando gli spermatozoi vengono deposti nelle vie genitali femminili, dove vengono anche trattenuti gli ovociti, si parla di fecondazione interna. In questo caso le probabilità che la fecondazione abbia successo aumentano grazie all’elevato numero di spermatozoi eiaculati e alla notevole dimensione degli ovociti. La fecondazione interna prevede:

  • reazione dell’acrosoma: legame specie specifico della binding protein SP50 con la glicoproteina ZP3, aumento del Ca++ intracellulare, esocitosi degli enzimi idrolitici dell’acrosoma, degradazione della zona pellucida (ZP1 e ZP2).
  • Legame dello spermatozoo con la membrana plasmatica dell’oocita II: esposizione della proteina di fusione (PH30) ad opera degli enzimi idrolitici, legame con la membrana plasmatica dell’oocita II tramite le integrine.
  • Blocco primario della polispermia: depolarizzazione della membrana plasmatica dell’oocita II, completamento della meiosi e trasformazione dell’oocita II in cellula uovo.
  • Blocco secondario e permanente: rilascio dalla membrana plasmatica della proteina IP3 con aumento del Ca++ intracellulare, esocitosi di enzimi idrolitici dai granuli corticali modificazione della zona pellucida per alterazione della glicoproteina ZP3.
Ovocita e spermatozoi

Ovocita e spermatozoi


(F.I.) Gli spermatozoi nelle vie genitali femminili

Nei Mammiferi le vie genitali femminili regolano il trasporto degli spermatozoi in modo che un numero sufficiente raggiunga la sede della fecondazione, senza che tuttaviasi verifichi il fenomeno della polispermia.

Il trasporto di spermatozoi attraverso la cervice coinvolge meccanismi biochimici e cambi biofisici nel muco cervicale, controllati da fattori endocrini.

Durante il loro soggiorno nelle vie genitali femminili gli spermatozoi subiscono modificazioni biochimiche e fisiologiche per cui acquisiscono la capacità di fecondare. Questo processo, definito capacitazione, comprende la rimozione di fattori inibitori derivati dal liquido seminale che rivestono gli spermatozoi nell’epididimo, oltre alla rimozione di colesterolo dalla membrana plasmatica in modo da renderla meno stabile e più idonea alla fusione con altre membrane. È stata osservata anche una perdita di glicoproteine di superficie che impediscono l’interazione tra lo spermatozoo e la zona pellucida dell’ovocita. La capacitazione, iniziata nell’utero e conclusa nell’istmo, permette la reazione acrosomiale che consiste nella liberazione degli enzimi litici presenti nell’acrosoma, attraverso la fusione in più punti tra la membrana plasmatica dello spermatozoo e la membrana acrosomiale esterna. La membrana acrosomiale interna ripristina la continuità con la membrana plasmatica.


(F.I.) Reazione acrosomiale

L’acrosoma contiene le spermiolisine diffusibili (tra cui vi è la ialuronidasi) e l’acrosina un enzima di membrana posto sul versante interno della parte distale della membrana acrosomiale che digerisce specificamente la membrana pellucida dell’ovocita.

Negli organismi a fecondazione interna, in particolare nei Mammiferi, gli spermatozoi, grazie alla loro intensa motilità e all’espansione del cumulo ooforo che si è verificata poco prima dell’ovulazione, si infilano tra le maglie della matrice della corona radiata. Lo spermatozoo, raggiunta la membrana pellucida si lega, grazie alla proteina di superficie dello spermatozoo, o SED1, ed alla Galattosiltransferasi, o GalT, ad un recettore glicoproteico specifico, la molecola ZP3. Tale legame innesca la reazione acrosomiale consentendo l’esposizione dell’acrosina per la digestione della zona pellucida. Intanto la membrana plasmatica dello spermatozoo, all’altezza del tratto equatoriale, si fonde con il segmento distale della membrana acrosomiale e ricostituisce l’integrità della membrana cellulare dello spermatozoo che, attraversata la zona pellucida, si lega alla membrana plasmatica dell’ovocita. La membrana ooplasmatica, in contatto con quella dello spermatozoo a livello del segmento equatoriale della testa, si solleva in microvilli che circondano la testa dello spermatozoo con un processo simile alla fagocitosi. Quindi in seguito alla fusione delle due membrane il pronucleo maschile può essere trasferito nell’ovocita. Fertilization: Activation of Development


(F.I.) Conseguenze della fusione delle membrane

Il legame dello spermatozoo alla membrana dell’ovocita induce variazione del potenziale di membrana dell’ovocita che determina un blocco rapido della polispermia. Conseguentemente la fusione tra le due membrane induce liberazione di ioni Ca++ e la successiva attivazione dei granuli corticali per un blocco tardivo e permanente della polispermia.


Animazione reazione acrosomiale


Fecondazione nei mammiferi

Lo spermatozoo adeso tangenzialmente alla superficie dell’ovocita viene progressivamente “fagocitato” nell’ooplasma lasciando all’esterno il flagello.


Reazione acrosomiale in mammiferi (coniglio)

La posizione dello spermatozoo, adeso tangenzialmente alla superficie dell’ovocita, consente ai recettori di superficie, posti nella regione equatoriale, di poter interagire con la membrana dell’ovocita.


Penetrazione spermatozoo in Mammiferi (coniglio)

Successivamente la testa dello spermatozoo viene fagocitata nel citoplasma dell’ovocita ed il suo nucleo, fortemente eterocromatico, acquisisce un aspetto più  eucromatico proprio del pronucleo maschile.


Fusione dei granuli corticali

Il rilascio dalla membrana plasmatica dell’ovocita della proteina IP3 con aumento del Ca++ intracellulare, determina esocitosi di enzimi idrolitici contenuti nei granuli corticali con conseguente modificazione della zona pellucida per alterazione della glicoproteina ZP3.

Inoltre i mucopolisaccaridi contenuti nei granuli corticali all’esterno della membrana plasmatica formano con la zona pellucida una spessa membrana di fecondazione.


Animazione blocco della polispermia


Fusione dei pronuclei nei Mammiferi

Il pronucleo maschile inizialmente stimola il completamento della meiosi dell’ovocita fino alla formazione di un pronucleo femminile aploide. A questo punto i due pronuclei si avvicinano, senza fondere le rispettive membrane, duplicano ciascuno il proprio DNA e, solo con la formazione del fuso della prima divisione di segmentazione, costituiscono un’unica piastra metafasica.

Fertilization: Activation of Development


Le tappe della fecondazone interna

Pertanto nella fecondazione interna possiamo riconoscere le seguenti tappe:

  • penetrazione dello spermatozoo attraverso le cellule del cumulo ooforo;
  • legame al recettore di superficie ZP3;
  • reazione acrosomiale;
  • legame tra le due membrane;
  • depolarizzazione della membrana dell’ovocita;
  • reazione corticale;
  • completamento della meiosi ed eliminazione del 2° globulo polare;
  • avvicinamento dei due pronuclei (zigote);
  • duplicazione del DNA, duplicazione del centriolo per la formazione del fuso mitotico ed inizio della segmentazione.

Zigote di Mammifero al MO ed al SEM


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