До сватбата ще зарасне: пролиферация на клетки и регенеративни способности на медузите

Какво е общото между Росомахата, Дедпул и медузата? Всички те притежават удивителна характеристика - регенерация. Разбира се, в комиксите и киното тази способност, разпространена сред изключително ограничен брой реални живи организми, понякога (а понякога и значително) се преувеличава, но остава напълно реална. А именно реалното може да бъде обяснено, с което се занимават учените от университета Тохоку (Япония) в своето ново изследване. Какви клетъчни процеси в тялото на медузата са свързани с регенерацията, как протича този процес и какви други суперспособности притежават тези желеобразни същества? За това ще ни разкаже докладът на изследователската група. Да започваме.

Основата на изследването

На първо място, учените обясняват защо са решили да съсредоточат вниманието си именно върху медузите. Факт е, че повечето изследвания в областта на биологията се извършват с участието на така наречените моделни организми: мишки, плодови мушици, червеи, риби и т.н. Но на нашата планета съществуват милиони видове, всеки от които притежава уникални способности. Следователно, не може да се оцени напълно процесът на клетъчна регенерация, изучавайки само един вид, и да се предполага, че изученият механизъм ще бъде общ за всички същества на Земята.

Доколкото медузите, тези същества с външния си вид говорят за своето уникалност, което не може да не привлече вниманието на учените. Поради това, преди да започнат с дисекцията на самото изследване, те се запознават с главния герой.

Думата „медуза“, с която ние свикнахме да наричаме това същество, всъщност обозначава само стадий от жизнения цикъл на стрекащи от подтип Medusozoa. Стрекащите получили това необичайно име заради наличието на стрекателни клетки (книдоцит) в организма си, които се използват за лов и самоотбрана. По-просто казано, когато ви ужили медуза, можете да благодарите за болката и страданията именно на тези клетки.

Книдоцитите съдържат книдоцист - вътреклетъчна органела, отговорна за „ужилващия“ ефект. По външен вид и съответно по метод на приложение се различават няколко типа книдоцити, сред които могат да бъдат откроени:

• пенетранти — нишки с остри краища, които се забиват в тялото на жертвата или нападателя, като копия, инжектирайки невротоксин;
• глутинанти — лепкави и дълги нишки, които обвиват жертвата (не най-приятните прегръдки);
• волвенти — къси нишки, в които жертвата може лесно да се заплете.

Това нестандартно оръжие се обяснява с факта, че медузите, макар и грациозни, не са особено бързи създания. Невротоксинът, попадащ в тялото на жертвата, веднага я парализира, което дава на медузата множество време за обедна почивка.

Медуза след успешен лов.

Освен необичайният метод на лов и защита, медузите имат и доста необично размножаване. Мъжките произвеждат сперматозоиди, а женските — яйцеклетки, след сливането на които се формират планули (ларви), които се установяват на дъното. С течение на времето от ларвата израства полип, от който, когато достигне зрелост, буквално се отделят младите медузи (всъщност става почкване). Така имаме няколко етапа в жизнения цикъл, един от които е медузата или медузоидно поколение.

Власатата цианея, известна също като „лъвска грива“.

Ако поискате от власатата цианея как да увеличи ефективността на лова, тя би отговорила — повече пипала. Общо те са около 60 (кластери от 15 пипала на всеки ъгъл на купола). Освен това, този вид медузи се счита за най-голям, тъй като диаметърът на купола може да достигне 2 метра, а пипалата по време на лов могат да се удължат до 20 метра. Добре е, че този вид не се отличава с особена „отровност“, така че не е смъртоносен за човека.

Морска оса, от своя страна, ще добави не само количество, но и качество. Този вид медузи също има по 15 пипала (3 м дължина) на всеки от четирите ъгъла на купола, но отровата им е много по-силна в сравнение с по-едрата им родственичка. Смята се, че невротоксинът в тялото на морската оса е достатъчен, за да убие 60 души за 3 минути. Тази буря на морето обитава прибрежната зона на северна Австралия и Нова Зеландия. Според данни от периода 1884-1996 година в Австралия са загинали 63 души, но тези данни може да не са точни, а броят на смъртоносните срещи между хора и морска оса може да е значително по-голям. Въпреки това, според данни от 1991-2004 година, сред 225 случая само 8% от пострадалите били хоспитализирани, от които имало един летален изход (тригодишно дете).

Морска оса

А сега нека се върнем към разглежданото от нас днес изследване.

От клетъчна гледна точка най-важният процес в живота на всякакъв организъм е клетъчната пролиферация — процес на растеж на тъканите на организма посредством размножаване на клетките чрез делене. По време на растежа на организма този процес регулира увеличаването на размера на тялото. А когато организмът е напълно оформен, пролифериращите клетки регулират физиологичния обмен на клетки и подмяна на повредените с нови.

Стрекащите, като родствени групи на билатералните и ранни клонове на развитието на многоклетъчните организми, се използват за изучаване на еволюционни процеси за много години. Следователно стрекащите не са изключение в аспекта на пролиферацията. Например, по време на ембрионалното развитие на морския анемон Nematostella vectensis пролиферацията на клетките се координира с организацията на епитела и участва в развитието на пипалата.

Nematostella vectensis

Освен всичко друго, стрекащите, както вече знаем, са известни със своите регенеративни способности. Най-популярни сред изследователите вече стотици години са полипите на хидрата (род пресноводни сидящи плоски организми от класа хидроиди). Пролиферацията, активирана от умираещите клетки, стартира процеса на регенерация на базалната глава на хидрата. Самото наименование на това същество намеква за митичното същество, известно със своята регенерация — Лернейската хидра, над която успя да триумфира Херакъл.

Въпреки че регенеративните способности успяха да бъдат свързани с пролиферацията, остава неясно как точно протича този клетъчен процес при нормални условия на различни етапи от развитието на организма.

Медузите, които имат сложен жизнен цикъл, състоящ се от два етапа на размножаване (вегетативно и половото), служат за отличен модел за изучаване на пролиферацията.

В този труд основната изследвана субект е медузата от вида Cladonema pacificum. Този вид обитава прибрежието на Япония. Първоначално при тази медуза има 9 основни щупалца, които започват да се разклоняват и увеличават по размер (подобно на цялото тяло) по време на развитието до възрастна особа. Тази особеност позволява детайлното изучаване на всички механизми, които участват в този процес.

В допълнение към Cladonema pacificum в изследването бяха разгледани и други видове медузи: Cytaeis uchidae и Rathkea octopunctata.

Резултати от изследването

За да се разбере пространствената закономерност на пролиферацията на клетките в медузата Cladonema, учените приложиха оцветяване с 5-етинил-2’-дезоксиуридин (EdU), което маркира клетките в S-фазата* или клетки, които вече са преминали през нея.

S-фазата* е фаза от клетъчния цикъл, в която протича репликация на ДНК.

Като се има предвид, че Cladonema разширява значително размера си и демонстрира разклонение на щупалците по време на развитието (1A—1C), разпределението на пролифериращите клетки може да варира през целия процес на узряване.

Изображение №1: особености на клетъчната пролиферация при млади Cladonema.

Благодарение на тази особеност беше възможно да се изследва механизмът на пролиферация на клетките както при младите (ден 1), така и при половозрелите (ден 45) медузи.

При младите медузи клетките положителни за EdU бяха открити в голямо количество в цялото тяло, включително в зонтика, манубриума (опорен орган на устната кухина при медузите) и щупалците, независимо от времето на въздействие на EdU (1D–1K и 1N–1O, EdU: 20 µM (микромоларно) след 24 часа).

В манубриума бяха намерени много малко клетки положителни за EdU (1F и 1G), докато в зонтика тяхното разпределение беше много равномерно, особено в външната мембрана на зонтика (exumbrella, 1H—1K). В щупалците клетките положителни за EdU бяха силно кластеризирани.1N). Прилагането на митотичен маркер (антителя PH3) позволи да се потвърди, че клетките положителни за EdU са именно пролифериращи клетки. PH3-положителните клетки бяха открити както в зонтика, така и в луковицата на щупалците (1L и 1P).

В щупалците митотични клетки бяха основно открити в ектодермата (1P), докато в зонтика пролифериращите клетки се намираха в повърхностния слой (1М).

Изображение №2: особености на клетъчната пролиферация при половозрелите Cladonema.

Както при младите индивиди, така и при половозрелите EdU-положителните клетки бяха открити в значителни количества из цялото тяло. В зонтика EdU-положителните клетки обикновено бяха по-често в повърхностния слой, отколкото в долния, което е в съответствие с наблюденията при младите индивиди (2A—2D).

В щупалците обаче ситуацията беше малко по-различна. EdU-положителните клетки се натрупваха в основата на щупалците (луковицата), където бяха открити два клъстера от двете страни на луковицата (2E и 2F). При младите индивиди също бяха наблюдавани подобни натрупвания (1N), т.е. луковиците на щупалците могат да бъдат основната зона на пролиферация през цялата медузоидна фаза. Интересно е, че в манубриума на възрастни индивиди числото на EdU-положителните клетки беше значително по-високо, отколкото при младите (2G и 2H).

Обобщавайки, можем да кажем, че пролиферацията на клетките може да се случва равномерно в зонтика на медузата, докато в щупалците този процес е много локализиран. Следователно, можем да предположим, че равномерната пролиферация на клетките може да контролира растежа на тялото и хомеостазата на тъканите, а натрупването на пролифериращи клетки около луковиците на щупалците участва в морфогенезата на щупалците.

От гледна точка на развитието на тялото, пролиферацията играе важна роля в растежа на тялото.

Изображение №3: важността на пролиферацията в процеса на растеж на медузата.

За да проверят това на практика, учените проследиха растежа на медузите, започвайки от младите индивиди. Определянето на размерите на тялото на медузата е най-лесно по нейния купол, тъй като той нараства равномерно и пропорционално на цялото тяло.

При нормално хранене в лабораторни условия размерът на купола рязко нараства с 54.8% в рамките на първите 24 часа — от 0.62 ± 0.02 мм2 до 0.96 ± 0.02 мм2. През следващите 5 дни на наблюдения размерът нараства бавно и плавно до 0.98 ± 0.03 мм2 (3А—3С).

Медузите от друга група, които са били лишени от храна, не са расли, а са намалявали (червената линия на графика 3С). Клетъчният анализ на гладните медузи показа наличието на крайно малко количество EdU-клетки: 1240.6 ± 214.3 при медузите от контролната група и 433.6 ± 133 при гладните (3D—3H). Това наблюдение може да бъде пряко доказателство за това, че храненето оказва пряко влияние върху процеса на пролиферация.

За да проверят тази хипотеза, учените проведоха фармакологичен анализ, по време на който блокираха напредването на клетъчния цикъл с използването на хидроксикарбамид (CH4N2O2) — инхибитор на клетъчния цикъл, който предизвиква спиране на G1. В резултат на такова вмешателство S-фазните клетки, открити по-рано с помощта на EdU, изчезнаха (3I—3L). Така, медузите, подложени на въздействие на CH4N2O2, не показаха растеж на тялото, за разлика от контролната група (3М).

Следващият етап от изследването бе подробно изучаване на разклонените пипала на медузите, за да се потвърди предположението, че локалната пролиферация на клетки в пипалата допринася за тяхната морфология.

Изображение №4: влияние на локалната пролиферация върху растежа и разклонението на пипалата на медузите.

Пипалата на младата медуза имат едно разклонение, но с времето броят им се увеличава. В лабораторни условия разклонението се е увеличило 3 пъти на деветия ден на наблюдение (4А и 4С).

Отново, при използване на CH4N2O2 не беше наблюдавано разклонение на пипалата, а имаше само едно разклонение (4B и 4C). Любопитно е, че премахването на CH4N2O2 от организма на медузите възобновява процеса на разклонение на пипалата, което показва обратимостта на медикаментозното вмешателство. Тези наблюдения ясно показват важността на пролиферацията за развитието на пипалата.

Стрекащите не биха били стрекащи без нематоцисти (книдоцити, т.е. стрекащи клетки). При медузата от вида Clytia hemisphaerica стволовите клетки в луковиците на пипалата доставят нематоцисти на върховете на пипалата именно чрез пролиферация на клетки. Естествено, учените решиха да проверят и това твърдение.

За откритие на евентуална връзка между нематоцистите и пролиферацията беше приложен оцветител за ядро, който може да маркира поли-γ-глутамат, синтезиран в стената на нематоцистите (DAPI, т.е. 4’,6-диинаминино-2-фенилиндол).

Оцветяването на поли-γ-глутамат позволи да се оцени размерът на нематоцитите, който варира от 2 до 110 мкм² (4D—4G). Беше открито и известно количество празни нематоцити, т.е. такива нематоцити бяха изчерпани (4D—4G).

Активността на пролиферацията в щупалците на медузите беше проверена чрез изучаване на празнини в нематоцитите след блокиране на клетъчния цикъл чрез CH4N2O2. Процентът на празни нематоцити в медузите след медикаментозното вмешателство беше по-висок, отколкото в контролната група: 11.4% ± 2.0% при медузите от контролната група и 19.7% ± 2.0% при медузите с CH4N2O2 (4D—4G и 4H). Следователно, дори след изчерпване, нематоцитите продължават активно да получават клетки-предшественици за пролиферация, което потвърдочава влиянието на този процес не само върху развитието на щупалците, но и върху нематогенезата в тях.

Най-интересният етап от изследването бяха регенеративните способности на медузите. Да се има предвид високата концентрация на пролиферативни клетки в луковицата на щупалцата у зрелите медузи Cladonema, учените решиха да изучат именно регенерацията на щупалците.

Изображение №5: влияние на пролиферацията върху регенерацията на щупалците.

След провеждането на дисекция на щупалците в основата, се наблюдаваше процес на регенерация (5A–5D). В течение на първите 24 часа заздравяването протичаше в областта на разреза (5B). На втория ден от наблюденията, връхната част започна да се удължава и се появиха разклонения (5С). На петия ден щупалецът беше напълно разклонен (5D), следователно, регенерацията на щупалец може да следва нормалния морфогенезис на щупалец след удължаване.

За да изучат по-добре началния етап на регенерацията, учените анализираха разпределението на пролифорниращите клетки чрез PH3 оцветяване за визуализация на митотични клетки.

Докато делящите се клетки често се наблюдаваха близо до ампутираната област, митотичните клетки бяха разпръснати в неразрезаните контролни луковици с щупалци (5E и 5F).

Качествената оценка на PH3-положителните клетки, присъстващи в луковиците на щупалците, показа значително увеличаване на PH3-положителните клетки в луковиците на щупалците от индивидите с ампутирани крайници в сравнение с контролната група (5G). В заключение, началните регенеративни процеси са съпроводени с активно увеличаване на пролиферацията на клетките в луковиците на щупалците.

Блокирането на клетките с помощта на CH4N2O2 след отрязването на пипалото позволи да се провери влиянието на пролиферацията върху регенерацията. При контролната група удължаването на пипалото след ампутацията протичаше нормално, каквото беше и очакваното. А при групата, на която беше приложен CH4N2O2, удължаването не се случваше, въпреки нормалното заздравяване на раната (5H). С други думи, заздравяването ще протича във всеки случай, но за правилната регенерация на пипалото е необходима пролиферация.

Накрая учените решиха да изследват пролиферацията и при други видове медузи, а именно при Cytaeis и Rathkea.

Изображение №6: сравнение на пролиферацията при медузите от вида Cytaeis (вляво) и Rathkea (вдясно).

У Cytaeis При медузите EdU-положителни клетки са наблюдавани в манубриума, луковиците на пипалата и в горната част на чадъра (6А и 6В). Подобното разположение на откритите PH3-положителни клетки при Cytaeis е много сходно с Cladonema, но съществуват и някои разлики (6C и 6D). А при Rathkea EdU-положителни и PH3-положителни клетки бяха открити практически само в областта на манубриума и луковиците на пипалата (6E—6H).

Интересно е също, че пролифериращи клетки често се откриваха в бъбреците на медузата Rathkea (6E—6G), което отразява безполовия тип размножаване на този вид.

Предвид получената информация, може да се предположи, че пролиферацията на клетките се осъществява в луковиците на пипалата не само при един вид медузи, въпреки че има и различия, обусловени от различията в физиологията и морфологията.

За по-подробно запознаване с нюансите на изследването, препоръчвам да се запознаете с доклада на учените.

Епилог

Един от любимите ми литературни персонажи е Еркюл Пуаро. Проницателният детектив винаги обръщаше особено внимание на дребните детайли, които на другите изглеждаха незначителни. Учените много наподобяват детективите, които събират всички улики, които могат да намерят, за да отговорят на всички въпроси на разследването и да открият "виновника".

Каквото и да звучи очевидно, регенерацията на клетките на медузите е пряко свързана с пролиферацията — неотменим процес в развитието на клетките, тъканите и, следователно, на целия организъм. По-добро изучаване на този всеобхватен процес ще позволи по-добро разбиране на молекулните механизми, стоящи в основата му, което ще позволи, от своя страна, да се разшири не само спектърът на нашите знания, но и да се влияе пряко на нашия живот.

Петъчен офф-топ:

Благодаря за вниманието, оставайте любопитни и приятни почивни дни на всички, приятели! 🙂

Благодарим ви, че оставате с нас. Харесвате ли нашите статии? Искате ли да виждате повече интересни материали? Подкрепете ни, като направите поръчка или препоръчате на познати, 30% отстъпка за потребителите на Хабра на уникален аналог на entry-level сървъри, който създадохме специално за вас: Цялата истина за VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 ядра) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps от 20 $ или как правилно да разделите сървър. (с налични опции за RAID1 и RAID10, до 24 ядра и до 40GB DDR4).

Dell R730xd на половин цена? Всичко това само при нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100TB от 199 $ в Нидерландия! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2GHz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от 99 $! Чете се за това Как да построим инфраструктура от корпоративен клас с помощта на сървъри Dell R730xd E5-2650 v4 на стойност 9000 евро за малко пари?

Източник: habr.com