Ще се излекува преди сватбата: клетъчна пролиферация и регенеративни способности на медузите

Какво е общото между Върколак, Дедпул и Медуза? Всички те имат невероятна функция - регенерация. Разбира се, в комиксите и филмите тази способност, често срещана сред много ограничен брой реални живи организми, е леко (а понякога и силно) преувеличена, но си остава съвсем реална. И това, което е реално, може да бъде обяснено, което учените от университета Тохоку (Япония) решиха да направят в новото си изследване. Какви клетъчни процеси в тялото на медузите са свързани с регенерацията, как протича този процес и какви други суперсили притежават тези желеобразни същества? Докладът на изследователската група ще ни разкаже за това. Отивам.

Изследователска база

На първо място учените обясняват защо са решили да насочат вниманието си към 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 др. Но на нашата планета има милиони видове, всеки от които има една или друга уникална способност. Следователно е невъзможно да се оцени напълно процеса на клетъчна регенерация чрез изучаване само на един вид и да се приеме, че изследваният механизъм ще бъде общ за всички същества на Земята.

Що се отнася до медузите, тези същества само с външния си вид говорят за тяхната уникалност, което не може да не привлече вниманието на учените. Ето защо, преди да пристъпя към дисекцията на самото изследване, се запознах с главния му герой.

Думата "медуза", с която наричаме същество като такова, всъщност се отнася само до етапа от жизнения цикъл на жилото от подтипа Медузозои. Cnidaria получи такова необичайно име поради наличието на жилещи клетки (cnidocyte) в тялото им, които се използват за лов и самозащита. Просто казано, когато сте ужилени от медуза, можете да благодарите на тези клетки за болката и страданието.

Книдоцитите съдържат книдоциста, вътреклетъчен органел, отговорен за "ужилващия" ефект. Според външния им вид и съответно начина на приложение се разграничават няколко вида книдоцити, сред които можем да различим:

• пенетранти - нишки със заострени краища, които пронизват тялото на жертва или нарушител като копия, инжектирайки невротоксин;
• глутинанти - лепкави и дълги нишки, които обгръщат жертвата (не са най-приятните прегръдки);
• Волвентите са къси нишки, в които жертвата може лесно да се оплете.

Такива нестандартни оръжия се обясняват с факта, че медузите, макар и грациозни, не са особено пъргави създания. Невротоксинът, който навлиза в тялото на плячката, моментално го парализира, което дава на медузите много време за обедна почивка.

Медуза след успешен лов.

В допълнение към необичайния метод на лов и защита, медузите имат много необичайно възпроизвеждане. Мъжките произвеждат сперматозоиди, а женските произвеждат яйца, след сливането на които се образуват планули (ларви), които се установяват на дъното. След известно време от ларвата израства полип, от който при достигане на зрялост младите медузи буквално се откъсват (всъщност се появява пъпкуване). По този начин има няколко етапа от жизнения цикъл, един от които е поколението на медуза или медуза.

Космат цианид, известен още като "лъвска грива".

Ако попитаха косматия цианид как да повишат ефективността на лова, тя би отговорила - повече пипала. Има общо около 60 от тях (групи от 15 пипала на всеки ъгъл на купола). В допълнение, този вид медуза се счита за най-големият, тъй като диаметърът на купола може да достигне 2 метра, а пипалата по време на лов могат да се простират до 20 метра. Хубавото е, че този вид не е особено „отровен“, следователно не е фатален за хората.

Морската оса от своя страна би добавила качество към количеството. Този вид медуза също има 15 пипала (3 м дължина) на всеки от четирите ъгъла на купола, но тяхната отрова е многократно по-силна от тази на голям роднина. Смята се, че невротоксинът в тялото на морска оса е достатъчен, за да убие 60 души за 3 минути. Тази гръмотевична буря живее в крайбрежната зона на Северна Австралия и Нова Зеландия. Според данни от 1884 до 1996 г. в Австралия са загинали 63 души, но тези данни може да са неточни и броят на фаталните срещи между човек и морска оса може да е много по-голям. Въпреки това, според данни за 1991-2004 г., сред 225 случая само 8% от жертвите са хоспитализирани, сред които има един фатален изход (тригодишно дете).

Морска оса

Сега да се върнем към днешното ни изследване.

От гледна точка на клетките най-важният процес от целия живот на всеки организъм е клетъчната пролиферация - процесът на растеж на телесните тъкани чрез възпроизвеждане на клетки чрез делене. По време на растежа на организма този процес регулира увеличаването на размера на тялото. И когато тялото е напълно оформено, пролифериращите клетки регулират физиологичния обмен на клетките и замяната на увредените с нови.

Cnidaria, като свързана група от двустранни и ранни клонове на развитието на многоклетъчни организми, се използва за изучаване на еволюционните процеси в продължение на много години. Следователно книдариите не са изключение по отношение на разпространението. Например по време на ембрионалното развитие на морската анемона Nematostella vectensis клетъчната пролиферация е координирана с организацията на епитела и участва в развитието на пипалата.

Nematostella vectensis

Освен всичко друго, книдариите, както вече знаем, са известни със своите регенеративни способности. Hydra polyps (род сладководни сесилни кишечнополостни от класа на хидроидите) се считат за най-популярните сред изследователите от стотици години. Пролиферацията, активирана от умиращи клетки, стартира процеса на регенерация на главата на базалната хидра. Самото име на това създание намеква за митичното създание, известно със своята регенерация - Лернейската хидра, която Херкулес успя да победи.

Въпреки че регенеративните способности са 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 (вегетативен и сексуален), служат като отличен модел за изучаване на пролиферацията.

В тази работа ролята на основния изследван индивид е изиграна от медузите от вида Cladonema pacificum. Този вид живее край бреговете на Япония. Първоначално тази медуза има 9 основни пипала, които започват да се разклоняват и увеличават размера си (като цялото тяло) по време на развитието до възрастен. Тази функция ви позволява да проучите подробно всички механизми, които участват в този процес.

в допълнение на Cladonema pacificum проучването разглежда и други видове медузи: Cytaeis uchidae и Rathkea octopunctata.

Резултати от проучването

За да разберат пространствения модел на клетъчна пролиферация в Cladonema medusa, учените са използвали оцветяване с 5-етинил-2'-деоксиуридин (EdU), което маркира клетките в S-фаза* или клетки, които вече са го преминали.

S-фаза* фаза на клетъчния цикъл, в която протича репликацията на ДНК.

Като се има предвид това кладонема увеличава драстично по размер и показва разклоняване на пипалата по време на развитието (1A-1C), разпределението на пролифериращите клетки може да се промени по време на узряването.

Изображение #1: Характеристики на клетъчната пролиферация при млади Cladonema.

Благодарение на тази характеристика беше възможно да се изследва механизмът на клетъчна пролиферация както при млади (ден 1), така и при зрели (ден 45) медузи.

При млади медузи EdU-позитивните клетки са открити в големи количества по цялото тяло, включително сенника, манубриума (поддържащия орган на устата при медузите) и пипалата, независимо от времето на излагане на EdU (1D-1K и 1N-1O, EdU: 20 µM (микромоларен) след 24 часа).

В манубриума бяха открити доста EdU-положителни клетки (1F и 1G), но в чадъра тяхното разпределение беше много равномерно, особено във външната обвивка на чадъра (чадър, 1H-1K). В пипалата EdU-позитивните клетки са силно групирани (1N). Използването на митотичен маркер (PH3 антитяло) направи възможно да се провери дали EdU-позитивните клетки са пролифериращи клетки. PH3-положителни клетки са открити както в чадъра, така и в луковицата на пипалото (1L и 1P).

В пипалата митотичните клетки се намират главно в ектодермата (1P), докато в чадъра пролифериращите клетки са разположени в повърхностния слой (1M).

Изображение #2: Характеристики на клетъчната пролиферация при полово зряла Cladonema.

Както при младите, така и при зрелите индивиди, EdU-позитивните клетки са открити в големи количества в цялото тяло. В чадъра EdU-позитивните клетки са по-често разположени в повърхностния слой, отколкото в долния, което е подобно на наблюденията при млади (2A-2D).

Но в пипалата ситуацията беше малко по-различна. EdU-позитивните клетки се струпват в основата на пипалото (луковицата), където са открити два клъстера от двете страни на луковицата (2E и 2F). При млади индивиди също се наблюдават подобни групи (1N), т.е. луковиците на пипалата може да са основната зона на пролиферация през целия медузоиден стадий. Интересното е, че в манубриума на възрастните броят на EdU-позитивните клетки е значително по-висок, отколкото при младите (2G и 2H).

Междинният резултат е, че клетъчната пролиферация може да се случи равномерно в чадъра на медуза, а в пипалата този процес е много локализиран. Следователно може да се приеме, че равномерната клетъчна пролиферация може да контролира растежа на тялото и тъканната хомеостаза, докато клъстерите от пролифериращи клетки близо до луковиците на пипалата участват в морфогенезата на пипалата.

По отношение на развитието на тялото като такова, пролиферацията играе важна роля в растежа на тялото.

Изображение #3: Значението на пролиферацията в растежа на тялото на медуза.

За да тестват това на практика, учените проследиха растежа на тялото на медузите, започвайки от млади индивиди. Най-лесно е да определите размера на тялото на медузата по нейния купол, тъй като тя расте равномерно и правопропорционално на цялото тяло.

При нормално хранене в лабораторни условия размерът на купола се увеличава рязко с 54.8% през първите 24 часа, от 0.62 ± 0.02 mm2 до 0.96 ± 0.02 mm2. През следващите 5 дни на наблюдения размерът нараства бавно и плавно до 0.98 ± 0.03 mm2 (3А-3S).

Медузите от другата група, които са лишени от храна, не растат, а намаляват (червена линия на графиката 3S). Клетъчният анализ на гладуващи медузи показа наличието на изключително малък брой EdU клетки: 1240.6 ± 214.3 в медузи от контролната група и 433.6 ± 133 в гладуващи (3D-3H). Това наблюдение може да е пряко доказателство, че храненето пряко влияе върху процеса на разпространение.

За да тестват тази хипотеза, учените проведоха фармакологичен анализ, по време на който блокираха прогресията на клетъчния цикъл, използвайки хидроксикарбамид (CH4N2O2), инхибитор на клетъчния цикъл, който причинява спиране на G1. В резултат на тази интервенция S-фазовите клетки, открити преди това с помощта на EdU, изчезнаха (3I-3L). По този начин, медузите, изложени на CH4N2O2, не показват телесен растеж, за разлика от контролната група (3M).

Следващият етап от изследването беше подробно изследване на разклонените пипала на медузите, за да се потвърди предположението, че локалната клетъчна пролиферация в пипалата допринася за тяхната морфогенеза.

Изображение #4: Ефект от локалната пролиферация върху растежа и разклоненията на пипалата на медузите.

Пипалата на млада медуза имат един клон, но с течение на времето броят им се увеличава. При лабораторни условия разклоняването се увеличава 3 пъти на деветия ден от наблюденията (4А и 4S).

Отново, когато се използва CH4N2O2, не се наблюдава разклоняване на пипалата и имаше само едно разклонение (4B и 4C). Любопитно е, че отстраняването на CH4N2O2 от тялото на медузите възстанови процеса на разклоняване на пипалата, което показва обратимостта на лекарствената намеса. Тези наблюдения ясно показват значението на пролиферацията за развитието на пипалата.

Книдариите не биха били книдарии без нематоцити (книдоцити, т.е. книдарии). При видовете медузи Clytia hemisphaerica стволовите клетки в луковиците на пипалата доставят нематоцисти до върховете на пипалата именно чрез клетъчна пролиферация. Естествено учените решиха да проверят това твърдение.

За да се открие всяка връзка между нематоцистите и пролиферацията, беше използвано багрило за ядрено оцветяване, което може да маркира поли-у-глутамат, синтезиран в стената на нематоциста (DAPI, т.е. 4',6-диамидино-2-фенилиндол).

Оцветяването с поли-γ-глутамат дава възможност да се оцени размерът на нематоцитите, вариращ от 2 до 110 μm2 (4D-4G). Бяха открити и редица празни нематоцисти, т.е. такива нематоцити бяха изчерпани (4D-4G).

Пролиферативната активност в пипалата на медузите е тествана чрез изследване на празнини в нематоцитите след блокиране на клетъчния цикъл с CH4N2O2. Делът на празните нематоцити в медузите след медицинска намеса е по-висок, отколкото в контролната група: 11.4% ± 2.0% в медузите от контролната група и 19.7% ± 2.0% в медузите с CH4N2O2 (4D-4G и 4H). Следователно, дори след изчерпване, нематоцитите продължават активно да се снабдяват с клетки-прекурсори на пролиферация, което потвърждава влиянието на този процес не само върху развитието на пипалата, но и върху нематогенезата в тях.

Най-интересният етап беше изследването на регенеративните способности на медузите. Като се има предвид високата концентрация на пролиферативни клетки в луковицата на пипалата при зрели медузи кладонема, учените решиха да изследват регенерацията на пипалата.

Изображение #5: Ефект от пролиферацията върху регенерацията на пипала.

След дисекция на пипалата в основата се наблюдава процес на регенерация (5A-5D). През първите 24 часа настъпи заздравяване в областта на разреза (5B). На втория ден от наблюденията върхът започна да се удължава и се появиха разклонения (5S). На петия ден пипалото беше напълно разклонено (5D), следователно, регенерацията на пипалото може да следва нормалната морфогенеза на пипалата след удължаване.

За да разберат по-добре началния етап на регенерация, учените анализираха разпределението на пролифериращите клетки, използвайки PH3 оцветяване, за да визуализират митотичните клетки.

Докато делящите се клетки често се наблюдават близо до ампутираната област, митотичните клетки се разпръскват в неотрязани контролни луковици с пипала (5E и 5F).

Количественото определяне на PH3-позитивните клетки, присъстващи в луковиците на пипалата, разкрива значително увеличение на PH3-позитивните клетки в луковиците на пипалата при ампутирани лица в сравнение с контролите (5G). Като заключение, първоначалните регенеративни процеси са придружени от активно увеличаване на клетъчната пролиферация в луковиците на пипалата.

Влиянието на пролиферацията върху регенерацията се проверява чрез блокиране на клетките с CH4N2O2 след отрязване на пипалото. В контролната група удължаването на пипалото след ампутацията му се случи нормално, както се очакваше. Въпреки това, в групата на CH4N2O2 не е имало удължаване въпреки нормалното зарастване на рани (5H). С други думи, заздравяването ще настъпи така или иначе, но пролиферацията е необходима за правилната регенерация на пипалото.

Накрая учените решиха да проучат разпространението на други видове медузи, а именно в Cytaeis и Раткеа.

Изображение #6: Сравнение на пролиферацията при медузите Cytaeis (вляво) и Rathkea (вдясно).

У Cytaeis Medusa EdU-положителни клетки се наблюдават в манубриума, луковиците на пипалата и в горната част на чадъра (6А и 6V). Местоположение на идентифицирани PH3-положителни клетки в Cytaeis много подобен на кладонема, но има някои разлики (6C и 6D). Но при Раткеа EdU-позитивните и PH3-позитивните клетки бяха открити почти изключително в областта на манубриума и луковиците на пипалата (6E-6H).

Любопитно е също, че в бъбреците на медузите често се откриват пролифериращи клетки Раткеа (6E-6G), което отразява безполовото размножаване на този вид.

Като се има предвид получената информация, може да се предположи, че клетъчната пролиферация се случва в луковиците на пипалата не само при един вид медуза, въпреки че има и разлики поради разликата във физиологията и морфологията.

За по-подробно запознаване с нюансите на изследването препоръчвам да разгледате съобщават учените.

Епилог

Един от любимите ми литературни герои е Еркюл Поаро. Проницателният детектив винаги обръщаше специално внимание на малките детайли, които изглеждаха маловажни за другите. Учените са много като детективи, които събират всички доказателства, които могат да намерят, за да отговорят на всички въпроси на разследването и да разберат „виновника“.

Колкото и очевидно да звучи, но регенерацията на клетките на медузите е пряко свързана с пролиферацията - неразделен процес в развитието на клетките, тъканите и в резултат на това на целия организъм. По-щателното изследване на този всеобхватен процес ще позволи по-добро разбиране на молекулярните механизми, които са в основата му, което от своя страна ще разшири не само обхвата на нашите знания, но и ще повлияе пряко на живота ни.

Петък извън топ:

Походът на медузата Аурелия, обезпокоена от хищник с необичайното име "медуза от пържени яйца", т.е. бъркани яйца медузи (Планетата Земя, глас зад кадър - Дейвид Атънбъроу).

Това не се отнася за медузите, но това дълбоководно същество (голяма уста с форма на пеликан) не се снима често (реакцията на изследователите е просто трогателна).

Благодаря за гледането, бъдете любопитни и пожелавам страхотен уикенд на всички! 🙂

Благодарим ви, че останахте с нас. Харесвате ли нашите статии? Искате ли да видите още интересно съдържание? Подкрепете ни, като направите поръчка или препоръчате на приятели, 30% отстъпка за потребителите на Habr за уникален аналог на сървъри от начално ниво, който беше измислен от нас за вас: Цялата истина за VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 ядра) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps от $20 или как да споделите сървър? (предлага се с RAID1 и RAID10, до 24 ядра и до 40GB DDR4).

Dell R730xd 2 пъти по-евтин? Само тук 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV от $199 в Холандия! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - от $99! Прочети за Как да изградим инфраструктура Corp. клас с използване на сървъри Dell R730xd E5-2650 v4 на стойност 9000 евро за стотинка?

Източник: www.habr.com