До свадьбы заживет: пролиферация клеток и регенеративные способности медуз

Что общего между Росомахой, Дэдпулом и медузой? Все они обладают удивительной особенностью — регенерацией. Конечно в комиксах и кино эта способность, распространенная среди крайне ограниченного числа реальных живых организмов, слегка (а иногда и сильно) преувеличена, однако она остается вполне реальной. А то, что реально, можно объяснить, чем и решили заняться в своем новом исследовании ученые из университета Тохоку (Япония). Какие клеточные процессы в теле медузы связаны с регенерацией, как протекает этот процесс, и какими еще супер-способностями обладают эти желеобразные существа? Об этом нам поведает доклад исследовательской группы. Поехали.

Основа исследования

В первую очередь, ученые поясняют, почему они решили сконцентрировать свое внимание именно на медузах. Дело в том, что большинство исследований в области биологии проводятся при участии так называемых модельных организмов: мышей, фруктовых мушек, червей, рыб и т.д. Но на нашей планете обитают миллионы видов, каждый из которых обладает теми или иными уникальными способностями. Следовательно, нельзя полноценно оценить процесс клеточной регенерации, изучая только один вид, и предполагать, что изученный механизм будет общим для всех существ на Земле.

Что касается медуз, то эти существа одним своим внешним видом говорят о своей уникальности, что не может не привлечь внимание ученых. Потому, прежде чем приступить к диссекции самого исследования, познакомился с его главным героем.

Словом «медуза», которым мы привыкли называть существо как таковое, на самом деле называют лишь стадию жизненного цикла стрекающий из подтипа Medusozoa. Стрекающие получили такое необычное имя за счет наличия в их организме стрекательных клеток (книдоцит), которые применяются для охоты и самозащиты. Проще говоря, когда вас ужалила медуза, можете поблагодарить за боль и страдания именно эти клетки.

Книдоциты содержат книдоцист — внутриклеточную органеллу, ответственную за «жалящий» эффект. По своему внешнему виду и, соответственно, методике применения различают несколько типов книдоцит, среди которых можно выделить:

• пенетранты — нити с заостренными концами, которые вонзаются в тело жертвы или обидчика, как копья, впрыскивая нейротоксин;
• глютинанты — липкие и длинные нити, которые обволакивают жертву (не самые приятные обнимашки);
• вольвенты — короткие нити, в которых жертва может легко запутаться.

Такое нестандартное вооружение объясняется тем, что медузы, хоть и грациозные, но не особо шустрые существа. Нейротоксин, попадающий в тело добычи, моментально парализует ее, что дает медузе уйму времени для обеденного перерыва.

Медуза после успешной охоты.

Помимо необычного метода охоты и обороны у медуз весьма необычное размножение. Самцы продуцируют сперматозоиды, а самки — яйцеклетки, после слияния которых формируются планулы (личинки), оседающие на дне. Спустя время из личинки вырастает полип, от которого по достижению его зрелости буквально откалываются молодые медузы (по факту происходит почкование). Таким образом, имеется несколько стадий жизненного цикла, одной из которых и является медуза или медузоидное поколение.

Волосистая цианея, также известная как «львиная грива».

Если бы волосистую цианею спросили, как увеличить эффективность охоты, она бы ответила — больше щупалец. Всего их порядка 60 (кластеры из 15 щупалец на каждом углу купола). Кроме того, данный вид медуз считается самым крупным, ибо диаметр купола может достигать 2 метров, а щупальца во время охоты могут вытягиваться до 20 метров. Благо дело, что этот вид не отличается особой «ядовитостью», потому не смертелен для человека.

Морская оса, в свою очередь, к количеству добавила бы еще и качество. У данного вида медуз тоже по 15 щупалец (3 м в длину) на каждом из четырех углов купола, но их яд во много раз сильнее, чем у крупногабаритной родственницы. Считается, что нейротоксина в организме морской осы достаточно, чтобы убить 60 человек за 3 минуты. Обитает эта гроза морей в прибрежной зоне северной Австралии и Новой Зеландии. По данным за период с 1884 по 1996 годы в Австралии погибло 63 человека, но эти данные могут быть неточными, а число фатальных встреч человека и морской осы может быть гораздо больше. Однако по данным за 1991-2004 годы среди 225 случаев лишь 8% пострадавших были госпитализированы, среди которых был один летальный исход (трехлетний ребенок).

Морская оса

А теперь вернемся к рассматриваемому нами сегодня исследованию.

С точки зрения клеток самым важным процессом всей жизни любого организма является клеточная пролиферация — процесс роста тканей организма посредством размножения клеток делением. Во время роста организма этот процесс регулирует увеличение размеров тела. А когда организм полностью сформирован, то пролиферирующие клетки регулируют физиологический обмен клеток и замену поврежденных на новые.

Стрекающие, будучи родственной группой билатеральных и ранних ветвей развития многоклеточных организмов, использовались для изучения эволюционных процессов уже многие годы. Посему стрекающие не являются исключением в аспекте пролиферации. К примеру, во время эмбрионального развития морского анемона Nematostella vectensis пролиферация клеток координируется с организацией эпителия и участвует в развитии щупалец.

Nematostella vectensis

Помимо прочего, стрекающие, как мы уже знаем, известны своими регенеративными способностями. Самыми популярными среди исследователей вот уже сотни лет считаются полипы гидры (род пресноводных сидячих кишечнополостных из класса гидроидных). Пролиферация, активируемая умирающими клетками, запускает процесс регенерации базальной головки гидры. Само название этого существа намекает на мифическое создание, известное своей регенерацией — Лернейская гидра, победу над которой смог одержать Геракл.

Хоть регенеративные способности и удалось привязать к пролиферации, остается неясно, как именно этот клеточный процесс протекает в нормальных условиях на разных этапах развития организма.

Медузы, имеющие сложный жизненный цикл, состоящий из двух этапов размножения (вегетативное и половое), служат отличной моделью для изучения пролиферации.

В данном труде роль основной исследуемой особи сыграла медуза вида Cladonema pacificum. Обитает этот вид у берегов Японии. Изначально у данной медузы имеется 9 основных щупалец, которые начинают ветвиться и увеличиваться в размере (как и все тело) во время развития до взрослой особи. Эта особенность позволяет детально изучить все механизмы, которые участвуют в этом процессе.

Вдобавок к Cladonema pacificum в исследовании рассматривались также и другие виды медуз: Cytaeis uchidae и Rathkea octopunctata.

Результаты исследования

Дабы понять пространственную закономерность пролиферации клеток в Cladonema medusa, ученые применили окрашивание 5-этинил-2’-дезоксиуридином (EdU), которое маркирует клетки в S-фазе* или клетки, уже ее прошедшие.

S-фаза* — фаза клеточного цикла, в которой происходит репликация ДНК.

Учитывая, что Cladonema резко увеличивается в размерах и демонстрирует разветвление щупалец во время развития (1A—1C), распределение пролиферирующих клеток может меняться в течение всего созревания.

Изображение №1: особенности клеточной пролиферации у молодых Cladonema.

За счет этой особенности удалось изучить механизм пролиферации клеток как у молодых (день 1), так и у половозрелых (день 45) медуз.

У молодых медуз EdU-положительные клетки были обнаружены в большом числе во всем теле, включая зонтик, манубриум (опорный орган ротовой полости у медуз) и щупальца, независимо от времени воздействия EdU (1D–1K и 1N–1O, EdU: 20 мкМ (микромоляр) после 24 часов).

В манубриуме было обнаружено достаточно мало EdU-положительных клеток (1F и 1G), а вот в зонтике их распределение было очень равномерное, особенно во внешней оболочке зонтика (exumbrella, 1H—1K). В щупальцах EdU-положительные клетки были сильно кластеризованы (1N). Применение митотического маркера (антитела PH3) позволило удостовериться в том, что EdU-положительные клетки это именно пролиферирующие клетки. PH3-положительные клетки были обнаружены как в зонтике, так и в луковице щупальца (1L и 1P).

В щупальцах митотические клетки были в основном обнаружены в эктодерме (1P), тогда как в зонтике пролиферирующие клетки были расположены в поверхностном слое (1М).

Изображение №2: особенности клеточной пролиферации у половозрелых Cladonema.

Как и у молодых особей, так и у половозрелых EdU-положительные клетки были в большом числе обнаружены по всему телу. В зонтике EdU-положительные клетки чаще находились в поверхностном слое, чем в нижнем, что аналогично наблюдениям у молодых особей (2A—2D).

А вот в щупальцах ситуация была несколько иная. EdU-положительные клетки скапливались у основания щупальца (луковица), где было обнаружено два кластера по обе стороны луковицы (2E и 2F). У молодых особей подобные скопления также наблюдались (1N), т.е. луковицы щупалец могут быть основной зоной пролиферации на протяжении всей медузоидной стадии. Любопытно, что в манубриуме взрослых особей число EdU-положительных клеток было значительно больше, чем у молодых (2G и 2H).

Промежуточный итог заключается в том, что пролиферация клеток может происходить равномерно в зонтике медузы, а в щупальцах этот процесс очень локализован. Следовательно, можно предположить, что равномерная пролиферация клеток может контролировать рост тела и гомеостаз тканей, а вот скопления пролиферирующих клеток возле луковиц щупалец участвуют в морфогенезе щупалец.

В аспекте развития тела как такового, пролиферация играет важную роль в росте тела.

Изображение №3: важность пролиферации в процессе роста тела медузы.

Дабы проверить это на практике, ученые проследили за ростом тела медуз, начиная с молодых особей. Определять размеры тела медузы легче всего по ее куполу, так как он растет равномерно и прямо пропорционально всему телу.

При нормальном кормлении в лабораторных условиях размер купола резко увеличивается на 54.8% в течение первых 24 часов — с 0.62 ± 0.02 мм2 до 0.96 ± 0.02 мм2. Последующие 5 дней наблюдений размер увеличивался медленно и плавно до 0.98 ± 0.03 мм2 (3А—3С).

Медузы из другой группы, которые были лишены пищи, не росли, а уменьшались (красная линия на графике 3С). Клеточный анализ голодающих медуз показал наличие крайне малого числа EdU-клеток: 1240.6 ± 214.3 у медуз из контрольной группы и 433.6 ± 133 у голодающих (3D—3H). Это наблюдение может быть прямым доказательством того, что питание непосредственно влияет на процесс пролиферации.

Чтобы проверить эту гипотезу, ученые провели фармакологический анализ, во время которого заблокировали прогрессирование клеточного цикла с использованием гидроксикарбамида (CH4N2O2) — ингибитора клеточного цикла, вызывающего остановку G1. В результате такого вмешательства S-фазные клетки, обнаруженные ранее с помощью EdU, исчезли (3I—3L). Таким образом, медузы, которых подвергли воздействию CH4N2O2 не продемонстрировали рост тела, в отличие от контрольной группы (3М).

Следующим этапом исследования стало детальное изучение ветвящихся щупалец медуз, дабы подтвердить предположение, что локальная пролиферация клеток в щупальцах способствует их морфогенезу.

Изображение №4: влияние локальной пролиферации на рост и ветвление щупалец медуз.

Щупальца молодой медузы имеют одну ветвь, но со временем их число увеличивается. В лабораторных условиях ветвление увеличилось в 3 раза на девятый день наблюдений (4А и 4С).

Опять же, при использовании CH4N2O2 ветвление щупалец не наблюдалось, а имелась лишь одна ветвь (4B и 4C). Любопытно, что удаление CH4N2O2 из организма медуз восстанавливало процесс ветвления щупалец, что говорит об обратимости медикаментозного вмешательства. Эти наблюдения четко указывают на важность пролиферации для развития щупалец.

Стрекающие не были бы стрекающими без нематоцитов (книдоцит, т.е. стрекающих клеток). У медузы вида Clytia hemisphaerica стволообразные клетки в луковицах щупалец поставляют нематоцисты на кончики щупалец именно за счет пролиферации клеток. Естественно, ученые решили проверить и это утверждение.

Для обнаружения какой-либо связи между нематоцистами и пролиферацией был применен окрашивающий ядро краситель, который может отмечать поли-γ-глутамат, синтезируемый в стенке нематоцисты (DAPI, т.е. 4’,6-диамидино-2-фенилиндол).

Окрашивание поли-γ-глутамата позволило оценить размер нематоцитов, варьирующийся от 2 до 110 мкм2 (4D—4G). Также было выявлено некоторое количество пустых нематоцист, то есть такие нематоциты были истощены (4D—4G).

Активность пролиферации в щупальцах медуз была проверена посредством изучения пустот в нематоцитах после блокирования клеточного цикла за счет CH4N2O2. Доля пустых нематоцит у медуз после медикаментозного вмешательства была выше, чем у контрольной группы: 11.4% ± 2.0% у медуз из контрольной группы и 19.7% ± 2.0% у медуз с CH4N2O2 (4D—4G и 4H). Следовательно, даже после истощения нематоциты продолжают активно снабжаться клетками-предшественниками пролиферацией, что подтверждает влияние сего процесса не только на развитие щупалец, но и на нематогенез в них.

Самым же интересным был этап исследования регенеративных способностей медуз. Учитывая высокую концентрацию пролиферативных клеток в луковице щупальца у зрелых медуз Cladonema, ученые решили изучить регенерацию именно щупалец.

Изображение №5: влияние пролиферации на регенерацию щупалец.

После проведения диссекции щупалец у основания наблюдался процесс регенерации (5A–5D). В течение первых 24 часов заживление происходило в области надреза (5B). На второй день наблюдений кончик начал удлиняться и появились разветвления (5С). На пятый день щупальце было полностью разветвленное (5D), следовательно, регенерация щупальца может следовать за нормальным морфогенезом щупальца после удлинения.

Чтобы лучше изучить начальный этап регенерации, ученые проанализировали распределение пролиферирующих клеток с использованием PH3 окрашивания для визуализации митотических клеток.

В то время как делящиеся клетки часто наблюдались вблизи ампутированной области, митотические клетки были диспергированы в неразрезанных контрольных луковицах с щупальцами (5E и 5F).

Количественная оценка PH3-положительных клеток, присутствующих в луковицах щупальцев, позволила обнаружить значительное увеличение PH3-положительных клеток в луковицах щупалец у особей с ампутированными конечностями по сравнению с контрольной группой (5G). Как вывод, начальные регенеративные процессы сопровождаются активным увеличением пролиферации клеток в луковицах щупалец.

Проверить влияние пролиферации на регенерацию позволила блокировка клеток с помощью CH4N2O2 после отсечения щупальца. У контрольной группы удлинение щупальца после его ампутации происходило нормально, как и ожидалось. А вот у группы, на которой был применен CH4N2O2, удлинение не происходило, несмотря на нормальное заживление раны (5H). Другими словами, заживление будет происходить в любом случае, но для правильной регенерации щупальца необходима пролиферация.

Напоследок ученые решили изучить пролиферацию у других видов медуз, а именно у Cytaeis и Rathkea.

Изображение №6: сравнение пролиферации у медуз вида Cytaeis (слева) и Rathkea (справа).

У Cytaeis medusa EdU-положительные клетки наблюдались в манубриуме, луковицах щупалец и в верхней части зонта (6А и 6В). Расположение выявленных PH3-положительных клеток у Cytaeis очень схоже с Cladonema, однако существуют некоторые отличия (6C и 6D). А вот у Rathkea EdU-положительные и PH3-положительные клетки были обнаружены практически исключительно в области манубриума и луковиц щупалец (6E—6H).

Любопытно также и то, что пролиферирующие клетки часто выявлялись в почках медузы Rathkea (6E—6G), что отражает бесполый тип размножения этого вида.

Учитывая полученную информацию, можно предположить, что пролиферация клеток протекает в луковицах щупалец далеко не только у одного вида медуз, хотя есть и отличия, обусловленные разностью в физиологии и морфологии.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых.

Эпилог

Один из моих любимейших литературных персонажей является Эркюль Пуаро. Проницательный детектив всегда обращал особое внимание на мелкие детали, которые другим казались неважными. Ученые во много напоминают детективов, которые собирают все улики, какие только можно найти, чтобы ответить на все вопросы расследования и вычислить «виновника».

Как бы очевидно это не звучало, но регенерация клеток медуз напрямую связана с пролиферацией — неотъемлемым процессом в развитии клеток, тканей и, как следствие, всего организма. Более дотошное изучение этого всеобъемлющего процесса позволит лучше понимать молекулярные механизмы, лежащие в его основе, что позволит, в свою очередь, расширить не только спектр наших знаний, но и непосредственно повлиять на нашу жизнь.

Пятничный офф-топ:

Марш медуз вида аурелия, потревоженный хищником с необычным названием «fried egg jellyfish», т.е. медуза-яичница (Planet Earth, голос за кадром — Дэвид Аттенборо).

К медузам не относится, но это глубоководное существо (пеликановидный большерот) не так часто удается заснять (реакция исследователей просто умилительна).

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и отличных всем выходных, ребята! 🙂

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, 30% скидка для пользователей Хабра на уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps от $20 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?

Источник: habr.com