Што агульнага паміж Расамахай, Дэдпулам і медузай? Усе яны валодаюць дзіўнай асаблівасцю - рэгенерацыяй. Вядома ў коміксах і кіно гэтая здольнасць, распаўсюджаная сярод вельмі абмежаванай колькасці рэальных жывых арганізмаў, злёгку (а часам і моцна) перабольшана, аднак яна застаецца суцэль рэальнай. А тое, што рэальна, можна растлумачыць, чым і вырашылі заняцца ў сваім новым даследаванні навукоўцы з універсітэта Тохоку (Японія). Якія клеткавыя працэсы ў целе медузы злучаны з рэгенерацыяй, як працякае гэты працэс, і якімі яшчэ супер-здольнасцямі валодаюць гэтыя жэлепадобныя істоты? Пра гэта нам раскажа даклад даследчай групы. Паехалі.
Аснова даследавання
У першую чаргу, навукоўцы тлумачаць, чаму яны вырашылі сканцэнтраваць сваю ўвагу менавіта на медузах. Справа ў тым, што большасць даследаванняў у галіне біялогіі праводзяцца пры ўдзеле так званых мадэльных арганізмаў: мышэй, фруктовых мушак, чарвякоў, рыб і г.д. Але на нашай планеце насяляюць мільёны выглядаў, кожны з якіх валодае тымі ці іншымі ўнікальнымі здольнасцямі. Такім чынам, нельга паўнавартасна ацаніць працэс клеткавай рэгенерацыі, вывучаючы толькі адзін выгляд, і меркаваць, што вывучаны механізм будзе агульным для ўсіх істот на Зямлі.
Што да медуз, то гэтыя істоты адным сваім вонкавым выглядам кажуць аб сваёй унікальнасці, што не можа не прыцягнуць увагу навукоўцаў. Таму, перш чым прыступіць да дысекцыі самога даследавання, пазнаёміўся з яго галоўным героем.
Словам «медуза», якім мы абвыклі зваць істоту як такое, насамрэч завуць толькі стадыю жыццёвага цыклу які стракае з падтыпу Мядзведзі. Мужныя атрымалі такое незвычайнае імя за кошт наяўнасці ў іх арганізме стракацельных клетак (книдоцит), якія прымяняюцца для палявання і самаабароны. Прасцей кажучы, калі вас уджгнула медуза, можаце падзякаваць за боль і пакуты менавіта гэтыя клеткі.
Кнідацыты ўтрымліваюць книдоцист - ўнутрыклеткавую арганэлу, адказную за «якая шкадуе» эфект. Па сваім вонкавым выглядзе і, адпаведна, методыцы прымянення адрозніваюць некалькі тыпаў кнідацыт, сярод якіх можна вылучыць:
- пенетранты - ніткі з завостранымі канцамі, якія ўтыкаюцца ў цела ахвяры або крыўдзіцеля, як дзіды, упырскваючы нейротоксин;
- глюцінанты - ліпкія і доўгія ніткі, якія ахінаюць ахвяру (не самыя прыемныя абдымашкі);
- вальвенты - кароткія ніткі, у якіх ахвяра можа лёгка заблытацца.
Такое нестандартнае ўзбраенне тлумачыцца тым, што медузы, хоць і грацыёзныя, але не асоба шустрыя істоты. Нейратаксіны, які трапляе ў цела здабычы, маментальна паралізуе яе, што дае медузе плойму часу для абедзеннага перапынку.
Медуза пасля паспяховага палявання.
Апроч незвычайнага метаду палявання і абароны ў медуз вельмі незвычайнае размнажэнне. Самцы прадукуюць народкі, а самкі - яйкаклеткі, пасля зліцця якіх фармуюцца планулы (лічынкі), якія асядаюць на дне. Праз час з лічынкі вырастае паліп, ад якога па дасягненні яго сталасці літаральна адколваюцца маладыя медузы (па факце адбываецца адлучэнне). Такім чынам, маецца некалькі стадый жыццёвага цыклу, адной з якіх і з'яўляецца медуза ці медузоіднае пакаленне.
Валасістая цыянэя, таксама вядомая як «ільвіная грыва».
Калі б волосістой цианею спыталі, як павялічыць эфектыўнасць палявання, яна б адказала - больш шчупальцаў. Усяго іх каля 60 (кластары з 15 шчупальцаў на кожным куце купала). Акрамя таго, гэты від медуз лічыцца самым буйным, бо дыяметр купала можа дасягаць 2 метраў, а шчупальцы падчас палявання могуць выцягвацца да 20 метраў. Добра справа, што гэты від не адрозніваецца асаблівай "атрутнасцю", таму не смяротны для чалавека.
Марская аса, у сваю чаргу, да колькасці дадала б яшчэ і якасць. У дадзенага выгляду медуз таксама па 15 шчупальцаў (3 м у даўжыню) на кожным з чатырох кутоў купала, але іх яд у шмат разоў мацней, чым у буйнагабарытнай сваячкі. Лічыцца, што нейротоксина ў арганізме марской восы дастаткова, каб забіць 60 чалавек за 3 хвіліны. Насяляе гэтая навальніца мораў у прыбярэжнай зоне паўночнай Аўстраліі і Новай Зеландыі. Па дадзеных за перыяд з 1884 па 1996 гады ў Аўстраліі загінула 63 чалавекі, але гэтыя дадзеныя могуць быць недакладнымі, а колькасць фатальных сустрэч чалавека і марской восы можа быць значна больш. Аднак па дадзеных за 1991-2004 гады сярод 225 выпадкаў толькі 8% пацярпелых былі шпіталізаваны, сярод якіх быў адзін лятальны зыход (трохгадовае дзіця).
марская аса
А зараз вернемся да разгляданага намі сёння даследаванню.
З пункту гледжання клетак самым важным працэсам усяго жыцця любога арганізма з'яўляецца клеткавая праліферацыі - працэс росту тканін арганізма з дапамогай размнажэння клетак дзяленнем. У час росту арганізма гэты працэс рэгулюе павелічэнне памераў цела. А калі арганізм цалкам сфарміраваны, то праліферуючыя клеткі рэгулююць фізіялагічны абмен клетак і замену пашкоджаных на новыя.
Мужныя, быўшы роднаснай групай билатеральных і ранніх галін развіцця мнагаклетачных арганізмаў, выкарыстоўваліся для вывучэння эвалюцыйных працэсаў ужо многія гады. Таму прысутныя не з'яўляюцца выключэннем у аспекце праліферацыі. Напрыклад, падчас эмбрыянальнага развіцця марскога анемона. Nematostella vectensis праліферацыі клетак каардынуецца з арганізацыяй эпітэлія і ўдзельнічае ў развіцці шчупальцаў.
Nematostella vectensis
Апроч іншага, стракатальныя, як мы ўжо ведаем, вядомыя сваімі рэгенератыўнымі здольнасцямі. Самымі папулярнымі сярод даследнікаў вось ужо сотні гадоў лічацца паліпы гідры (род прэснаводных сядзячых кішачнаполасцевых з класа гідраідных). Праліферацыі, якая актывуецца паміраюць клеткамі, запускае працэс рэгенерацыі базальнай галоўкі гідры. Сама назва гэтай істоты намякае на міфічнае стварэнне, вядомае сваёй рэгенерацыяй - Лернейская гідра, перамогу над якой змог атрымаць Геракл.
Хоць рэгенератыўныя здольнасці і ўдалося прывязаць да праліферацыі, застаецца незразумела, як менавіта гэты клеткавы працэс працякае ў нармальных умовах на розных этапах развіцця арганізма.
Медузы, якія маюць складаны жыццёвы цыкл, які складаецца з двух этапаў размнажэння (вегетатыўнае і палавое), служаць выдатнай мадэллю для вывучэння праліферацыі.
У дадзеным працы ролю асноўнай доследнай асобіны згуляла медуза выгляду Cladonema pacificum. Насяляе гэты від у берагоў Японіі. Першапачаткова ў дадзенай медузы маецца 9 асноўных шчупальцаў, якія пачынаюць галінавацца і павялічвацца ў памеры (як і ўсё цела) падчас развіцця да дарослай асобіны. Гэтая асаблівасць дазваляе дэталёва вывучыць усе механізмы, якія ўдзельнічаюць у гэтым працэсе.
У дадатак да Cladonema pacificum у даследаванні разглядаліся таксама і іншыя віды медуз: Cytaeis uchidae и Rathkea octopunctata.
вынікі даследавання
Каб зразумець прасторавую заканамернасць праліферацыі клетак у Cladonema medusa, навукоўцы ўжылі афарбоўванне 5-этынілу-2'-дэзаксіурыдзінам (EdU), якое маркіруе клеткі ў S-фазе* ці клеткі, якія ўжо яе прайшлі.
S-фаза* - Фаза клеткавага цыклу, у якой адбываецца рэплікацыя ДНК.
Улічваючы, што Cladonema рэзка павялічваецца ў памерах і дэманструе разгалінаванне шчупальцаў падчас развіцця (1A-1C), размеркаванне пролиферирующих клетак можа мяняцца на працягу ўсяго паспявання.
Выява №1: асаблівасці клеткавай праліферацыі ў маладых Cladonema.
За кошт гэтай асаблівасці ўдалося вывучыць механізм праліферацыі клетак як у маладых (дзень 1), так і ў полаваспелых (дзень 45) медуз.
У маладых медуз EdU-станоўчыя клеткі былі выяўлены ў вялікім ліку ва ўсім целе, уключаючы парасон, манубрыум (апорны орган ротавай паражніны ў медуз) і шчупальцы, незалежна ад часу ўздзеяння EdU (1D-1K и 1N-1O, EdU: 20 мкм (мікрамаляр) пасля 24 гадзін).
У манубрыуме было выяўлена дастаткова мала EdU-станоўчых клетак (1F и 1G), а вось у парасоніку іх размеркаванне было вельмі раўнамернае, асабліва ў знешняй абалонцы парасоніка (exumbrella, 1H-1K). У шчупальцах EdU-станоўчыя клеткі былі моцна кластэрызаваны (1N). Ужыванне мітатычнага маркера (антыцелы PH3) дазволіла пераканацца ў тым, што EdU-станоўчыя клеткі гэта менавіта праліферуючыя клеткі. PH3-станоўчыя клеткі былі выяўлены як у парасоніку, так і ў цыбуліне шчупальцы (1L и 1P).
У шчупальцах мітатычныя клеткі былі ў асноўным выяўленыя ў эктадэрма (1P), тады як у парасоніку пролиферирующие клеткі былі размешчаны ў павярхоўным пласце (1М).
Выява № 2: асаблівасці клеткавай праліферацыі ў половозрелых Cladonema.
Як і ў маладых асобін, так і ў полаваспелых EdU-станоўчыя клеткі былі ў вялікім ліку выяўлены па ўсім целе. У парасоніку EdU-станоўчыя клеткі часцей знаходзіліся ў павярхоўным пласце, чым у ніжнім, што аналагічна назіраннях у маладых асобін2A-2D).
А вось у шчупальцах сітуацыя была крыху іншая. EdU-станоўчыя клеткі запасіліся ў падставы шчупальцы (цыбуліна), дзе было выяўлена два кластара па абодва бакі цыбуліны (2E и 2F). У маладых асобін падобныя навалы таксама назіраліся (1N), г.зн. цыбуліны шчупальцаў могуць быць асноўнай зонай праліферацыі на працягу ўсёй медузоідной стадыі. Цікаўна, што ў манубрыуме дарослых асобін лік EdU-станоўчых клетак было значна больш, чым у маладых (2G и 2H).
Прамежкавы вынік складаецца ў тым, што праліферацыі клетак можа адбывацца раўнамерна ў парасоніку медузы, а ў шчупальцах гэты працэс вельмі лакалізаваны. Такім чынам, можна выказаць здагадку, што раўнамерная праліферацыі клетак можа кантраляваць рост цела і гамеастаз тканін, а вось навалы пролиферирующих клетак каля цыбулін шчупальцаў ўдзельнічаюць у морфогенезе шчупальцаў.
У аспекце развіцця цела як такога, праліферацыі гуляе важную ролю ў росце цела.
Малюнак №3: важнасць праліферацыі ў працэсе росту цела медузы.
Каб праверыць гэта на практыцы, навукоўцы прасачылі за ростам цела медуз, пачынальна з маладых асобін. Вызначаць памеры цела медузы лягчэй за ўсё па яе купале, бо ён расце раўнамерна і прама прапарцыйна ўсяму целу.
Пры нармальным кармленні ў лабараторных умовах памер купала рэзка павялічваецца на 54.8% на працягу першых 24 гадзін - з 0.62 ± 0.02 мм2 да 0.96 ± 0.02 мм2. Наступныя 5 дзён назіранняў памер павялічваўся павольна і плыўна да 0.98 ± 0.03 мм2 (3А-3С).
Медузы з іншай групы, якія былі пазбаўлены ежы, не раслі, а памяншаліся (чырвоная лінія на графіцы 3С). Клеткавы аналіз галадоўнікаў медуз паказаў наяўнасць вельмі малога ліку EdU-клетак: 1240.6 ± 214.3 у медуз з кантрольнай групы і 433.6 ± 133 у галадоўнікаў (3D-3H). Гэта назіранне можа быць прамым доказам таго, што харчаванне непасрэдна ўплывае на працэс праліферацыі.
Каб праверыць гэтую гіпотэзу, навукоўцы правялі фармакалагічны аналіз, падчас якога заблакавалі прагрэсаванне клеткавага цыклу з выкарыстаннем гідраксікарбаміду (CH4N2O2) - інгібітару клеткавага цыклу, які выклікае прыпынак G1. У выніку такога ўмяшання S-фазныя клеткі, выяўленыя раней з дапамогай EdU, зніклі (3I-3L). Такім чынам, медузы, якіх падвергнулі ўздзеянню CH4N2O2 не прадэманстравалі рост цела, у адрозненне ад кантрольнай групы (3М).
Наступным этапам даследавання стала дэталёвае вывучэнне галінаваных шчупальцаў медуз, каб пацвердзіць здагадку, што лакальная праліферацыі клетак у шчупальцах спрыяе іх морфогенеза.
Малюнак №4: уплыў лакальнай праліферацыі на рост і галінаванне шчупальцаў медуз.
Шчупальцы маладой медузы маюць адну галіну, але з часам іх лік павялічваецца. У лабараторных умовах галінаванне павялічылася ў 3 разы на дзявяты дзень назіранняў (4А и 4С).
Зноў жа, пры выкарыстанні CH4N2O2 галінаванне шчупальцаў не назіралася, а мелася толькі адна галіна (4B и 4C). Цікаўна, што выдаленне CH4N2O2 з арганізма медуз аднаўляла працэс галінавання шчупальцаў, што кажа аб зварачальнасці медыкаментознага ўмяшання. Гэтыя назіранні выразна паказваюць на важнасць праліферацыі для развіцця шчупальцаў.
Маляўнічыя не былі б стракатымі без нематацытаў (кнідацыт, г.зн. стракаючых клетак). У медузы выгляду Clytia hemisphaerica ствалападобныя клеткі ў цыбулінах шчупальцаў пастаўляюць нематацысты на кончыкі шчупальцаў менавіта за кошт праліферацыі клетак. Натуральна, навукоўцы вырашылі праверыць і гэтае сцвярджэнне.
Для выяўлення якой-небудзь сувязі паміж нематоцістамі і праліферацыі быў ужыты які афарбоўвае ядро фарбавальнік, які можа адзначаць полі-γ-глутамат, сінтэзаваны ў сценцы нематоцісты (DAPI, г.зн. 4',6-диамидино-2-фенилиндол).
Афарбоўванне полі-γ-глутамата дазволіла ацаніць памер нематоцитов, які вар'іруецца ад 2 да 110 мкм2 (4D-4G). Таксама была выяўлена некаторая колькасць пустых нематацыстаў, гэта значыць такія нематацыты былі знясіленыя (4D-4G).
Актыўнасць праліферацыі ў шчупальцах медуз была праверана з дапамогай вывучэння пустэч у нематоцитах пасля блакавання клеткавага цыклу за кошт CH4N2O2. Доля пустых нематоцит ў медуз пасля медыкаментознага ўмяшання была вышэй, чым у кантрольнай групы: 11.4/2.0% ± 19.7% у медуз з кантрольнай групы і 2.0% ± 4% у медуз з CH2N2OXNUMX (4D-4G и 4H). Такім чынам, нават пасля знясілення нематоциты працягваюць актыўна забяспечвацца клеткамі-папярэднікамі праліферацыі, што пацвярджае ўплыў гэтага працэсу не толькі на развіццё шчупальцаў, але і на нематогенез ў іх.
Самым жа цікавым быў этап даследавання рэгенератыўных здольнасцяў медуз. Улічваючы высокую канцэнтрацыю праліфератыўных клетак у цыбуліне шчупальцы ў спелых медуз Cladonema, навукоўцы вырашылі вывучыць рэгенерацыю менавіта шчупальцаў.
Выява №5: уплыў праліферацыі на рэгенерацыю шчупальцаў.
Пасля правядзення дысекцыі шчупальцаў у падставы назіраўся працэс рэгенерацыі (5A-5D). На працягу першых 24 гадзін гаенне адбывалася ў вобласці надрэзу (5B). На другі дзень назіранняў кончык пачаў даўжэць і з'явіліся разгалінавання (5С). На пяты дзень шчупальца было цалкам разгалінаванае (5D), такім чынам, рэгенерацыя шчупальцы можа ісці за нармальным морфогенез шчупальцы пасля падаўжэння.
Каб лепш вывучыць пачатковы этап рэгенерацыі, навукоўцы прааналізавалі размеркаванне пролиферирующих клетак з выкарыстаннем PH3 афарбоўвання для візуалізацыі мітатычных клетак.
У той час як якія дзеляцца клеткі часта назіраліся паблізу ампутаванай вобласці, мітатычныя клеткі былі дыспергаваныя ў неразрэзаных кантрольных цыбулінах з шчупальцамі (5E и 5F).
Колькасная адзнака PH3-станоўчых клетак, якія прысутнічаюць у цыбулінах шчупальцаў, дазволіла выявіць значнае павелічэнне PH3-станоўчых клетак у цыбулінах шчупальцаў у асобін з ампутаванымі канечнасцямі ў параўнанні з кантрольнай групай (5G). Як выснова, пачатковыя рэгенератыўныя працэсы суправаджаюцца актыўным павелічэннем праліферацыі клетак у цыбулінах шчупальцаў.
Праверыць уплыў праліферацыі на рэгенерацыю дазволіла блакіроўка клетак з дапамогай CH4N2O2 пасля адсячэння шчупальцы. У кантрольнай групы падаўжэнне шчупальцы пасля яго ампутацыі адбывалася нармальна, як і чакалася. А вось у групы, на якой быў ужыты CH4N2O2, падаўжэнне не адбывалася, нягледзячы на звычайнае гаенне раны (5H). Іншымі словамі, гаенне будзе адбывацца ў любым выпадку, але для правільнай рэгенерацыі шчупальцы неабходная праліферацыі.
Напрыканцы навукоўцы вырашылі вывучыць праліферацыі ў іншых відаў медуз, а менавіта ў Cytaeis и Rathkea.
Выява №6: параўнанне праліферацыі ў медуз выгляду Cytaeis (злева) і Rathkea (справа).
У Cytaeis medusa EdU-станоўчыя клеткі назіраліся ў манубрыуме, цыбулінах шчупальцаў і ў верхняй частцы парасона (6А и 6В). Размяшчэнне выяўленых PH3-станоўчых клетак у Cytaeis вельмі падобна з Cladonema, аднак існуюць некаторыя адрозненні (6C и 6D). А вось у Rathkea EdU-станоўчыя і PH3-станоўчыя клеткі былі выяўлены практычна выключна ў галіне манубрыума і цыбулін шчупальцаў (6E-6H).
Цікаўна таксама і тое, што пролиферирующие клеткі часта выяўляліся ў нырках медузы. Rathkea (6E-6G), што адлюстроўвае бясполы тып размнажэння гэтага віду.
Улічваючы атрыманую інфармацыю, можна выказаць здагадку, што праліферацыі клетак працякае ў цыбулінах шчупальцаў далёка не толькі ў аднаго віду медуз, хоць ёсць і адрозненні, абумоўленыя рознасцю ў фізіялогіі і марфалогіі.
Для больш дэталёвага азнаямлення з нюансамі даследавання рэкамендую зазірнуць у .
Эпілог
Адзін з маіх найлюбых літаратурных персанажаў з'яўляецца Эркюль Пуаро. Праніклівы дэтэктыў заўсёды звяртаў адмысловую ўвагу на дробныя дэталі, якія іншым здаваліся няважнымі. Навукоўцы шмат нагадваюць дэтэктываў, якія збіраюць усе доказы, якія толькі можна знайсці, каб адказаць на ўсе пытанні расследавання і вылічыць «вінаватага».
Як бы відавочна гэта не гучала, але рэгенерацыя клетак медуз напрамую звязана з праліферацыі - неад'емным працэсам у развіцці клетак, тканін і, як следства, усяго арганізма. Больш скурпулёзнае вывучэнне гэтага ўсёабдымнага працэсу дазволіць лепш разумець малекулярныя механізмы, якія ляжаць у яго аснове, што дазволіць, у сваю чаргу, пашырыць не толькі спектр нашых ведаў, але і непасрэдна паўплываць на наша жыццё.
Пятнічны оф-топ:
Марш медуз выгляду аўрэлія, патрывожаны драпежнікам з незвычайнай назвай "fried egg jellyfish", г.зн. медуза-яечня (Planet Earth, голас за кадрам — Дэвід Атэнбара).
Да медуз не ставіцца, але гэта глыбакаводная істота (пеліканападобныя большарот) не так часта атрымоўваецца сфатаграфаваць (рэакцыя даследнікаў проста замілавальная).
Дзякую за ўвагу, заставайцеся цікаўнымі і выдатных усім выходных, хлопцы! 🙂
Дзякуй, што застаяцеся з намі. Вам падабаюцца нашыя артыкулы? Жадаеце бачыць больш цікавых матэрыялаў? Падтрымайце нас, аформіўшы замову ці парэкамендаваўшы знаёмым, 30% зніжка для карыстальнікаў Хабра на ўнікальны аналаг entry-level сервераў, які быў прыдуманы намі для Вас: (даступныя варыянты з RAID1 і RAID10, да 24 ядраў і да 40GB DDR4).
Dell R730xd у 2 разы танней? Толькі ў нас у Нідэрландах! Dell R420 – 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB – ад $99! Чытайце аб тым
Крыніца: habr.com