Какво общо имат Росомаха, Дедпул и медузата? Всички те притежават удивителна способност — регенерация. Разбира се, в комиксите и киното тази способност, която е разпространена сред изключително ограничен брой реални живи организми, е леко (а понякога и много) преувеличена, но остава напълно реална. А това, което е реално, може да бъде обяснено, с което решиха да се занимават в своето ново изследване учени от Университета Тохоку (Япония). Кои клетъчни процеси в тялото на медузата са свързани с регенерацията, как протича този процес и с какви още суперспособности разполагат тези желеобразни същества? За това ще ни разкаже докладът на изследователската група. Да започнем.
Основи на изследването
На първо място, учените обясняват защо са решили да насочат вниманието си именно към медузите. Факт е, че повечето изследвания в областта на биологията се провеждат с участието на така наречените моделни организми: мишки, плодови мухи, червеи, риби и т.н. Но на нашата планета живеят милиони видове, всеки от които притежава определени уникални способности. Следователно, не може да се оцени напълно процесът на клетъчна регенерация, изследвайки само един вид, и да се предполага, че изученият механизъм ще бъде общ за всички същества на Земята.
Що се отнася до медузите, тези същества с външния си вид говорят за своята уникалност, което не може да не привлече вниманието на учените. Затова, преди да се заловя с самото изследване, се запознах с неговия главен герой.
Словото „медуза“, с което сме свикнали да наричаме съществото, всъщност обозначава само стадий от жизнения цикъл на стрекащите от подтипа Medusozoa. Стрекащите получили такова необичайно име заради наличието в организма им на стрекателни клетки (книдоцити), които се използват за лов и самозащита. Проще казано, когато ви ужили медузата, можете да благодарите за болката и страданията именно на тези клетки.
Книдоцитите съдържат книдоцист — вътриклетъчна органела, отговорна за „ужилващия“ ефект. По външния си вид и, съответно, метода на приложение, се различават няколко типа книдоцити, сред които можем да откроим:
- пенетранти — влакна с остри върхове, които проникват в тялото на жертвата или нападателя, като копия, вкарвайки невротоксин;
- глютинанти — лепкави и дълги влакна, които обгръщат жертвата (не най-приятните прегръдки);
- вольвенти — кратки влакна, в които жертвата може лесно да се заплете.
Това нестандартно оръжие се обяснява с факта, че медузите, макар и грациозни, не са особено бързи същества. Невротоксинът, попадащ в тялото на жертвата, моментално я парализира, което дава на медузата куп време за обедна почивка.
Медузата след успешна атака.
Освен нетрадиционния метод на лов и защита, медузите имат много необичаен начин на размножаване. Мъжките произвеждат сперматозоиди, а женските — яйцеклетки, след сливането на които се образуват планули (ларви), които се установяват на дъното. След време от ларвата израства полип, от който, след достигането на зрялост, буквално се откъсват млади медузи (по същество става дума за разплод). По този начин, съществуват няколко етапа от жизнения цикъл, един от които е медузата или медузоидното поколение.
Власатата цианея, известна също като „лъвска грива“.
Ако власатата цианея беше попитана как да увеличи ефективността на лова, тя би отговорила — с 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 удължават до 20 метра. За щастие, този вид не се отличава с особена „отровност“, така че не е смъртоносен за хората.
Морска оса е известна не само с брой, но и с качество. Този вид медуз разполага с 15 пипала (по 3 м дължина) на всеки от четирите ъгъла на купола, но тяхната отрова е многократно по-силна от тази на голямата им роднина. Счита се, че нейротоксинът в организма на морската оса е достатъчен, за да убие 60 души за 3 минути. Тази морска опасност обитава крайбрежната зона на Северна Австралия и Нова Зеландия. Според данни от 1884 до 1996 г. в Австралия загиват 63 души, но тези данни може да не са точни и броят на фаталните срещи между хора и морска оса може да е много по-голям. Въпреки това, според данни от 1991-2004 г. от 225 случая, едва 8% от пострадалите са били хоспитализирани, сред които е и един смъртен случай (тригодишно дете).
Морска оса
А сега нека се върнем към разглежданото днес изследване.
От гледна точка на клетките, най-важният процес в живота на всякакъв организъм е клетъчната пролиферация - процесът на растеж на тъканите на организма чрез 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, пролиферативните клетки регулират физиологичния обмен на клетки и подмяната на повредените с нови.
Стрекащите, като родствени групи на билатералните и ранни клонове на многоклетъчните организми, се използват за изучаване на еволюционни процеси отдавна. Следователно, стрекащите не са изключение по отношение на пролиферацията. Например, по време на ембрионалното развитие на морската анемона Nematostella vectensis пролиферацията на клетките се координира с организацията на епитела и участва в развитието на пипала.
Nematostella vectensis
Освен всичко друго, стрекащите, както вече знаем, са известни със своите регенеративни способности. Най-популярни сред изследователите от стотици години насам са полипите на хидрата (род пресноводни заселени животни от клас хидроидни). Пролиферацията, активирана от умиращите клетки, стартира процеса на регенерация на базалната глава на хидрата. Самото име на това същество намеква за митично същество, известно със своята регенерация - Лернейската хидра, победена от Hérakl.
Въпреки че регенеративните способности бяха свързани с пролиферацията, остава неясно как точно този клетъчен процес протича при нормални условия на различни етапи от развитието на организма.
Медузите, които имат сложен жизнен цикъл, състоящ се от два етапа на размножаване (вегетативен и полов), служат като отличен модел за изучаване на пролиферацията.
В това изследване основният изследван вид е медузата Cladonema pacificum. Този вид обитава бреговете на Япония. Първоначално имат 9 основни пипала, които започват да се разклоняват и увеличават по размер (както и целият организъм) по време на развитието до възрастна форма. Тази особеност позволява детайлно изучаване на всички механизми, участващи в този процес.
Освен Cladonema pacificum в изследването бяха разгледани и други видове медузи: Cytaeis uchidae и Rathkea octopunctata.
Резултати от изследването
За да се разберат пространствените закономерности на пролиферацията на клетките в медузата Cladonema, учените приложиха оцветяване с 5-етинил-2’-дезоксиуридин (EdU), което маркира клетките в S-фаза* или клетки, които вече са я преминали.
S-фаза* — фаза на клетъчния цикъл, в която настъпва репликация на ДНК.
С оглед на това, че Cladonema рязко увеличава размера си и демонстрира разbranchение на пипалата по време на развитието (1A—1C), разпределението на пролифериращите клетки може да се променя през цялото съзряване.
Изображение №1: особености на клетъчната пролиферация при младите Cladonema.
Благодарение на тази особеност беше възможно да се изучи 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 голям брой в цялото тяло, включително в чадъра, манубриума (опорния орган на устната кухина на медузата) и пипалата, независимо от времето на експозиция на EdU (1D–1K и 1N–1O, EdU: 20 мкМ (микромолар) след 24 часа).
В манубриума беше открито значително малко количество клетки, положителни за EdU (1F и 1G), докато в чадъра разпределението им беше много равномерно, особено във външната обвивка на чадъра (exumbrella, 1H—1K). В пипалата клетките, положителни за EdU, бяха силно клъстерирани (1N). Приложението на митотичен маркер (антитела PH3) позволи да се потвърди, че клетките, положителни за EdU, са именно пролифериращи клетки. Клетките, положителни за PH3, бяха открити както в чадъра, така и в луковицата на пипалото (1L и 1P).
В щупальцах митотичните клетки бяха открити основно в ектодермата (1P), докато в купола пролифериращите клетки бяха разположени в повърхностния слой (1М).
Изображение №2: особености на клетъчната пролиферация при полово зрели Cladonema.
Както при младите особи, така и при полово зрелите EdU-положителните клетки бяха открити в значителен брой по тялото. В купола EdU-положителните клетки по-често се намираха в повърхностния слой, отколкото в долния, което е аналогично на наблюденията при младите особи (2A—2D).
А в щупалците ситуацията беше малко по-различна. EdU-положителните клетки се натрупваха в основата на щупалцето (луковица), където бяха открити два клъстера от двете страни на луковицата (2E и 2F). При младите особи подобни натрупвания също бяха наблюдавани (1N), т.е. луковиците на щупалците могат да бъдат основна зона на пролиферация през целия медузоидален стадий. Любопитното е, че в манубриума на възрастните броят на EdU-положителните клетки беше значително по-висок, отколкото при младите (2G и 2H).
Промеждутъчният резултат е, че пролиферацията на клетките може да се извършва равномерно в купола на медузата, а в щупалците този процес е много локализиран. Следователно, може да се предположи, че равномерната пролиферация на клетките може да контролира растежа на тялото и хомеостазата на тъканите, докато натрупванията на пролифериращи клетки около луковиците на щупалците участват в морфогенезата на щупалците.
В контекста на развитието на тялото, пролиферацията играе важна роля в растежа на тялото.
Изображение №3: значението на пролиферацията в процеса на растеж на медузата.
За да проверят това на практика, учените проследили растежа на телата на медузи, започвайки от младите особи. Най-лесно е да се определят размерите на тялото на медузата по нейната купола, тъй като той расте 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 mm2 до 0.96 ± 0.02 mm2. През следващите 5 дни размерът нараства бавно и плавно до 0.98 ± 0.03 mm2 (3А—3С).
Медузите от друга група, които бяха лишени от храна, не растяха, а се свиваха (червената линия на графиката 3С). Клетъчният анализ на гладуващите медузи показа наличието на изключително малко EdU-клетки: 1240.6 ± 214.3 при медузите от контролната група и 433.6 ± 133 при гладуващите (3D—3H). Това наблюдение може да бъде пряко доказателство, че храненето влияе директно върху процеса на пролиферация.
За да проверят тази хипотеза, учените извършиха фармакологичен анализ, при който блокираха напредването на клетъчния цикъл, използвайки хидроксикарбамид (CH4N2O2) — инхибитор на клетъчния цикъл, който предизвиква停 G1. В резултат на намесата, S-фазните клетки, открити по-рано с помощта на EdU, изчезнаха (3I—3L). Така, медузите, подложени на влияние на CH4N2O2, не показаха растеж на тялото, за разлика от контролната група (3М).
Следващият етап на изследването беше детайлно проучване на разклонените пипалца на медузите, за да се потвърди предположението, че локалната пролиферация на клетки в пипалцата допринася за их морфогенезата.
Изображение №4: влияние на локалната пролиферация върху растежа и разклоняването на пипалците на медузите.
Пипалцата на младата медуза имат едно разклонение, но с времето тяхното число нараства. В лабораторни условия разклоняването се увеличи 3 пъти на деветия ден на наблюдения (4А и 4С).
Отново, при използването на CH4N2O2 не се наблюдаваше разклоняване на пипалците, а имаше само едно разклонение (4B и 4C). Интересно е, че премахването на CH4N2O2 от организма на медузите възстановяваше процеса на разклоняване на пипалците, което показва обратимост на медикаментозната намеса. Тези наблюдения ясно посочват важността на пролиферацията за развитието на пипалците.
Към жекувателите нямаше да се отнасят без нематоцити (книдоцит, т.е. жекувателни клетки). При медузите от вида Clytia hemisphaerica стволови клетки в луковиците на пипалците доставят нематоцисти на върха на пипалците именно чрез пролиферация на клетки. Естествено, учените решиха да проверят и това твърдение.
За да установят някаква връзка между нематоцистите и пролиферацията, беше приложен оцветяващ ядрата оцветител, който може да маркира поли-γ-глутамат, синтезиран в стената на нематоцистите (DAPI, т.е. 4’,6-диамидино-2-фенилиндол).
Оцветяването на поли-γ-глутамата позволи оценка на размера на нематоцитите, вариращ от 2 до 110 мкм2 (4D—4G). Също така беше установено известно количество празни нематоцисти, тоест такива нематоцити бяха изчерпани (4D—4G).
Активността на пролиферацията в пипалата на медузите беше проверена чрез изследване на празни пространства в нематоцитите след блокиране на клетъчния цикъл с CH4N2O2. Делът на празните нематоцити при медузите след медикаментозна интервенция 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 се снабдяват с предшественици на клетките чрез пролиферация, което потвърджава влиянието на този процес не само върху развитието на пипалата, но и върху нематогенезата в тях.
Най-интригуващият етап от изследването беше проучването на регенеративните способности на медузите. Вземайки предвид високата концентрация на пролиферативни клетки в луковицата на пипалата при зрелите медузи Cladonema, учените решиха да изследват именно регенерацията на пипалата.
Изображение №5: влиянието на пролиферацията върху регенерацията на пипалата.
След извършването на дисекция на пипалата в основата се наблюдаваше процес на регенерация (5A–5D). В течение на първите 24 часа зарастването се осъществяваше в областта на разреза (5B). На втория ден на наблюдения, връхчетата започнаха да се удължават и се появиха разклонения (5С). На петия ден пипалото беше напълно разклонено (5D), следователно, регенерацията на пипалото може да следва нормалния морфогенезис на пипалото след удължаването.
За да изучат по-добре началния етап на регенерацията, учените анализираха разпределението на пролифериращите клетки, използвайки PH3 оцветяване за визуализация на митотичните клетки.
Докато делящите се клетки често бяха наблюдавани в близост до ампутираната област, митотичните клетки бяха разпръснати в неразрязаните контролни луковици с пипала (5E и 5F).
Квантитативната оценка на PH3-положителните клетки, присъстващи в луковиците на пипалата, позволи да се установи значително увеличаване на PH3-положителните клетки в луковиците на пипалата при индивидите с ампутирани крайници в сравнение с контролната група (5G). В заключение, началните регенеративни процеси са съпроводени от активно увеличаване на пролиферацията на клетките в луковиците на пипалата.
Да се провери влиянието на пролиферацията върху регенерацията, блокирането на клетки с помощта на CH4N2O2 след отрязването на щупалото. При контролната група, удължаването на щупалото след ампутацията се е случвало нормално, както се очакваше. Но при групата, на която беше приложен CH4N2O2, удължаването не се е случвало, въпреки нормалното заздравяване на раната (5H). С други думи, заздравяването ще се случва във всеки случай, но за правилната регенерация на щупалото е необходима пролиферация.
Накрая, учените решиха да проучат пролиферацията при други видове медузи, а именно при Cytaeis и Rathkea.
Изображение №6: сравнение на пролиферацията при медузи от вида Cytaeis (вляво) и Rathkea (вдясно).
В Cytaeis в медузата положителни клетки EdU бяха наблюдавани в манубриума, луковиците на щупалците и в горната част на чадъра (6А и 6В). Разположението на установените PH3-положителни клетки при Cytaeis е много сходно с Cladonema, но съществуват някои различия (6C и 6D). А при Rathkea бяха открити почти изключително положителни клетки EdU и PH3 в областта на манубриума и луковиците на щупалците (6E—6H).
Интересно е също така, че пролифериращите клетки често се установяват в пъпките на медузата Rathkea (6E—6G), което отразява безполовия тип размножаване на този вид.
Като се има предвид полученият опит, може да се предположи, че пролиферацията на клетки протича в луковиците на щупалците не само при един вид медузи, въпреки че съществуват различия, обусловени от разликите в физиологията и морфологията.
За по-подробно запознаване с нюансите на изследването, препоръчвам да се запознаете с .
Епилог
Един от най-любимите ми литературни персонажи е Еркюл Пуаро. Проницателният детектив винаги обръщаше особено внимание на малките детайли, които на другите се струваха незначителни. Учените много напомнят на детективи, които събират всички улики, които могат да намерят, за да отговорят на всички въпроси от разследването и да установят "виновника".
Както и да звучи очевидно, регенерацията на клетките на медузите е пряко свързана с пролиферацията — неотменим процес в развитието на клетки, тъкани и, следователно, на целия организъм. По-подробното проучване на този всеобхватен процес ще ни позволи да разберем по-добре молекулярните механизми, стоящи зад него, което от своя страна ще ни помогне да разширим не само обхвата на нашите знания, но и да повлияем пряко на нашия живот.
Петъчен офф-топ:
Маршрут на медузите от вида аурелия, разтревожен от хищник с необичайното име „fried egg jellyfish”, т.е. медуза-яичница (Planet Earth, глас зад кадър — Дейвид Атънбъро).
Не принадлежи към медузите, но това дълбоководно същество (пеликановиден голям рот) не е толкова често заснемано (реакцията на изследователите е просто очарователна).
Благодаря за вниманието, останете любопитни и желая на всички отлични уикенди, приятели! 🙂
Благодаря, че оставате с нас. Харесвате ли нашите статии? Искате ли да видите повече интересни материали? Подкрепете ни, като направите поръчка или я препоръчате на познати, 30% отстъпка за потребителите на Хабра за уникален аналог на entry-level сървъри, създаден от нас за вас: (налични опции с RAID1 и RAID10, до 24 ядра и до 40GB DDR4).
Dell R730xd два пъти по-евтин? Само при нас в Нидерландия! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Четете за това
Източник: habr.com
