Co mají společného Wolverine, Deadpool a medúza? Všichni mají úžasnou vlastnost – regeneraci. Samozřejmě, že v komiksech a filmech je tato schopnost, která se vyskytuje mezi velmi omezeným počtem skutečných živých organismů, poněkud (a někdy i silně) přehnaná, ale zůstává zcela reálná. A to, co je reálné, lze vysvětlit, čímž se rozhodli zabývat ve svém novém výzkumu vědci z univerzity Tohoku (Japonsko). Jaké buněčné procesy v těle medúzy souvisejí s regenerací, jak tento proces probíhá a jaké další super-schopnosti tyto želatinové bytosti mají? O tom nás informuje zpráva výzkumné skupiny. Jdeme na to.
Základ výzkumu
Na prvním místě vědci vysvětlují, proč se rozhodli zaměřit svou pozornost právě na medúzy. Důvodem je, že většina výzkumů v oblasti biologie se provádí za účasti takzvaných modelových organismů: myší, octomilek, červů, ryb a podobně. Na naší planetě však žijí miliony druhů, z nichž každý má určité jedinečné schopnosti. Proto nelze úplně posoudit proces buněčné regenerace, pokud studujeme pouze jeden druh, a domníváme se, že zkoumaný mechanismus bude obecný pro všechny bytosti na Zemi.
Pokud jde o medúzy, tyto bytosti svým zevnějškem samy o sobě naznačují svou jedinečnost, což nemůže neupoutat pozornost vědců. Proto, než se pustím do disekce samotného výzkumu, se seznámím s jeho hlavním hrdinou.
Slovem „medúza“, kterým jsme zvyklí nazývat toto stvoření, se ve skutečnosti nazývá pouze stádium životního cyklu žahavého podtypu Medusozoa. Žahavci dostali toto neobvyklé jméno díky přítomnosti žahavých buněk (knidocytů) ve svém organismu, které se používají k lovu a obraně. Jednoduše řečeno, když vás žahne medúza, můžete za bolest a utrpení poděkovat právě těmto buňkám.
Knidocyty obsahují knidocyst – intracelulární organelu, která je zodpovědná za „žahavý“ efekt. Podle svého vzhledu a metodiky použití se rozlišuje několik typů knidocytů, mezi kterými lze vyčlenit:
- Penetranty – vlákna se špičatými konci, která se vryjí do těla oběti nebo útočníka jako kopí a vpumpují neurotoxin;
- Glutinanty – lepkavá a dlouhá vlákna, která obklopují oběť (nepříliš příjemné objímání);
- Volventy – krátká vlákna, ve kterých se oběť snadno zamotá.
Tento netradiční způsob vyzbrojení vysvětluje, že medúzy, ačkoliv jsou elegantní, nejsou zrovna rychlé bytosti. Neurotoxin, který se dostane do těla kořisti, okamžitě ji paralyzuje, což dává medúze dostatek času na oběd.
Medúza po úspěšném lovu.
Kromě neobvyklého způsobu lovu a obrany má medúza také velmi zvláštní rozmnožování. Samci produkují spermie, samice vajíčka, po jejichž sloučení vznikají planuly (larvy), které se usazují na dně. Po nějakém čase z larvy vyroste pólip, od kterého se při dosažení zralosti doslova oddělí mladé medúzy (ve skutečnosti dochází k pučení). Existuje tak několik stádií životního cyklu, jedním z nichž je medúza nebo meduzoidní generace.
Vlasatice, známá také jako 'lví hříva'.
Kdyby se vlasatice zeptaly, jak zvýšit efektivitu lovu, odpověděla by - více chapadel. Je jich přibližně 60 (shluky po 15 chapadlech na každém rohu kupole). Kromě toho se tento druh medúz považuje za největší, neboť průměr kupole může dosahovat 2 metrů, a chapadla během lovu mohou být prodloužena až na 20 metrů. Naštěstí tento druh není zvlášť "jedovatý", takže není smrtelný pro člověka.
Mořská osa by přidala k počtu také kvalitu. Tento druh medúz má také 15 chapadel (o délce 3 m) na každém ze čtyř rohů kupole, ale jejich jed je mnohem silnější než u velké příbuzné. Považuje se, že neurotoxin v těle mořské osy je dostatečný k zabití 60 lidí během 3 minut. Tento strašák moří žije v pobřežní oblasti severní Austrálie a Nového Zélandu. Podle údajů za období od roku 1884 do roku 1996 v Austrálii zemřelo 63 lidí, ale tyto údaje mohou být nepřesné a počet fatálních setkání člověka s mořskou osou může být mnohem vyšší. Nicméně podle údajů za léta 1991-2004 bylo z 225 případů pouze 8 % poškozených hospitalizováno, mezi nimiž došlo k jednomu úmrtí (tříletého dítěte).
Mořská osa
A nyní se vraťme k tématu, které dnes zkoumáme.
Z pohledu buněk je nejdůležitějším procesem celého života jakéhokoli organismu buněčná proliferace — proces růstu tkanin organismu prostřednictvím dělení buněk. Během růstu organismu tento proces reguluje zvětšení rozměrů těla. A když je organismus zcela vyvinutý, proliferující buňky regulují fyziologickou výměnu buněk a nahrazování poškozených novými.
Koralovci, jako příbuzná skupina bilaterálních a raných větví vývoje mnohobuněčných organismů, byly po mnoho let používány k studiu evolučních procesů. Proto koralovci nejsou výjimkou, pokud jde o proliferaci. Například během embryonálního vývoje mořské anemonky Nematostella vectensis je proliferace buněk koordinována s organizací epitelu a podílí se na vývoji chapadel.
Nematostella vectensis
Kromě toho, jak už víme, koralovci jsou známí svými regeneračními schopnostmi. Nejpopulárnějšími mezi výzkumníky jsou již po staletí polypy hruškovce (rod sladkovodních sedavých živočichů z třídy hruškovců). Proliferace, aktivovaná umírajícími buňkami, spouští proces regenerace bazální hlavy hruškovce. Samotný název této bytosti naznačuje mytologickou bytost známou svou regenerací — Lernejská hydra, nad kterou dokázal zvítězit Héraklés.
Ačkoliv se regenerační schopnosti podařilo spojit s proliferací, stále není jasné, jak přesně tento buněčný proces probíhá za normálních podmínek v různých fázích vývoje organismu.
Medúzy, které mají složitý životní cyklus, skládající se ze dvou fází rozmnožování (vegetativní a pohlavní), představují vynikající model pro studium proliferace.
V této práci hrála hlavní zkoumaná bytost medúza druhu Cladonema pacificum. Tento druh žije u břehů Japonska. Původně má tato medúza 9 hlavních chapadel, která začínají větvit a zvětšovat se (stejně jako celé tělo) během vývoje do dospělé podoby. Tato vlastnost umožňuje podrobně studovat všechny mechanismy, které se na tomto procesu podílejí.
Kromě Cladonema pacificum ve studii byly zvažovány také další druhy medúz: Cytaeis uchidai a Rathkea octopunctata.
Výsledky výzkumu
Aby porozuměli prostorové zákonitosti proliferace buněk u medúzy Cladonema, vědci použili barvení 5-ethynyl-2’-deoxyruridinem (EdU), které označuje buňky v S-fázi* nebo buňky, které ji již prošly.
S-fáze* je fáze buněčného cyklu, ve které dochází k replikaci DNA.
Vzhledem k tomu, že Cladonema se výrazně zvětšuje a projevuje větvení chapadel během vývoje (1A—1C), může se rozložení proliferujících buněk měnit v průběhu celého zrání.
Obrázek č. 1: rysy buněčné proliferace u mladých Cladonema.
Díky této vlastnosti se podařilo prostudovat mechanismus proliferace buněk jak u mladých (den 1), tak u pohlavně dospělých (den 45) medúz.
U mladých medúz byly pozitivní EdU buňky nalezeny v hojném počtu v celém těle, včetně deštníku, manubria (oporný orgán ústní dutiny u medúz) a chapadel, nezávisle na čase expozice EdU (1C–1K a 1N–1O, EdU: 20 μM (mikromolární) po 24 hodinách).
V manubriu bylo nalezeno velmi málo pozitivních EdU buněk (1F a 1G), avšak v deštníku bylo jejich rozložení velmi rovnoměrné, zejména ve vnější části deštníku (exumbrella, 1H—1K). V chapadlech byly pozitivní EdU buňky silně shlukovány (1N). Použití mitotického markeru (protilátky PH3) potvrdilo, že pozitivní EdU buňky jsou skutečně proliferující buňky. Buněčné PH3 buňky byly nalezeny jak v deštníku, tak v cibuli chapadla (1L a 1P).
V chapadlech byly mitotické buňky převážně nalezeny v ektodermu (1P), zatímco v deštníku se proliferující buňky nacházely v povrchové vrstvě (1M).
Obrázek č. 2: rysy buněčné proliferace u pohlavně dospělých Cladonema.
Jak u mladých jedinců, tak u pohlavně dospělých byly pozitivní EdU buňky ve velkém množství nalezeny po celém těle. V deštníku pozitivní EdU buňky častěji ležely v povrchové vrstvě než v dolní, což je podobné pozorováním u mladých jedinců (2A—2D).
Zde byla situace v chapadlech poněkud odlišná. Pozitivní EdU buňky se hromadily u základny chapadla (žárovka), kde byly nalezeny dvě shluky po obou stranách žárovky (2E a 2F). U mladých jedinců byla podobná shromáždění také pozorována (1N), tj. žárovky chapadel mohou být hlavní oblastí proliferace po celou meduzoidní fázi. Zajímavé je, že v manubriu dospělých jedinců bylo pozitivních EdU buněk výrazně více než u mladých (2G a 2H).
Mezitímní závěr je, že proliferace buněk může probíhat rovnoměrně v deštníku medúzy, zatímco v chapadlech je tento proces velmi lokalizovaný. Lze tedy předpokládat, že rovnoměrná proliferace buněk může řídit růst těla a homeostáz tkání, zatímco shluky proliferujících buněk blízko žárovek chapadel se účastní morfogeneze chapadel.
Z hlediska vývoje těla jako takového hraje proliferace důležitou roli v růstu těla.
Obrázek č. 3: význam proliferace v procesu růstu těla medúzy.
Aby to ověřili v praxi, vědci sledovali růst těla medúz, počínaje mladými jedinci. Velikost těla medúzy se nejlépe odhaduje podle jejího deštníku, protože roste rovnoměrně a přímo úměrně celému tělu.
Při normálním krmení v laboratorních podmínkách se velikost deštníku během prvních 24 hodin výrazně zvýšila o 54,8 % — z 0,62 ± 0,02 mm² na 0,96 ± 0,02 mm². Následujících 5 dní pozorování se velikost pomalu a plynule zvyšovala na 0,98 ± 0,03 mm² (3A—3C).
Medúzy z jiné skupiny, které byly zbaveny potravy, nerostly, ale zmenšovaly se (červená čára na grafu 3C). Buněčná analýza hladovějících medúz ukázala nízký počet EdU buněk: 1240,6 ± 214,3 u medúz z kontrolní skupiny a 433,6 ± 133 u hladovějících (3D—3H). Toto pozorování může být přímým důkazem toho, že strava přímo ovlivňuje proces proliferace.
Aby tuto hypotézu ověřili, vědci provedli farmakologickou analýzu, během které blokovali postup buněčného cyklu pomocí hydroxikarbamidu (CH4N2O2) – inhibitora buněčného cyklu, který způsobuje zastavení v G1. Výsledkem tohoto zásahu byly buňky ve S-fázi, které byly dříve detekovány pomocí EdU, které zmizely (3I—3L). Tímto způsobem medúzy, které byly vystaveny CH4N2O2, neprokázaly nárůst těla, na rozdíl od kontrolní skupiny (3M).
Dalším krokem výzkumu bylo podrobné zkoumání větvených chapadel medúz, aby potvrdili předpoklad, že lokální proliferace buněk v chapadlech přispívá k jejich morfogenezi.
Obrázek č. 4: vliv lokální proliferace na růst a větvení chapadel medúz.
Chapadla mladé medúzy mají jednu větev, ale v průběhu času se jejich počet zvyšuje. V laboratorních podmínkách se větvení zvýšilo třikrát devátý den pozorování (4A a 4С).
Opět, při použití CH4N2O2 nebylo pozorováno větvení chapadel, ale byla tam pouze jedna větev (4B a 4C). Zajímavé je, že odstranění CH4N2O2 z těla medúz obnovilo proces větvení chapadel, což naznačuje, že farmakologické zásahy jsou vratné. Tato pozorování jasně naznačují důležitost proliferace pro vývoj chapadel.
Žahavci by nebyli žahavci bez nematocitů (knotodcéty, tj. žahavé buňky). U medúzy druhu Clytia hemisphaerica kmenové buňky v cibulích chapadel dodávají nematocysty na špičky chapadel právě díky proliferaci buněk. Pochopitelně se vědci rozhodli ověřit i toto tvrzení.
Kovováním kyanidovým barvivem byl způsoben jev pozorování, které může označovat poly-γ-glutamát syntetizovaný ve stěně nematocystu (DAPI, tj. 4’,6-diamidino-2-fenylindol).
Barvení poly-γ-glutamátu umožnilo zhodnotit velikost nematocitů, která se pohybovala od 2 do 110 mkm2 (4D—4G). Bylo také zjištěno určité množství prázdných nematocystů, což znamená, že tyto nematocity byly vyčerpány (4D—4G).
Aktivita proliferace v chapadlech medúz byla ověřena studiem prázdnot v nematocitech po zablokování buněčného cyklu pomocí CH4N2O2. Podíl prázdných nematocytů u medúz po medikamentózním zásahu byl vyšší než u kontrolní skupiny: 11,4 % ± 2,0 % u medúz z kontrolní skupiny a 19,7 % ± 2,0 % u medúz s CH4N2O2 (4D—4G a 4H). Z toho vyplývá, že i po vyčerpání nematocyty nadále aktivně zásobují progenitorové buňky proliferací, což potvrzuje vliv tohoto procesu nejen na vývoj chapadel, ale také na nematogenezi v nich.
Nejzajímavější byla fáze výzkumu regeneračních schopností medúz. Vzhledem k vysoké koncentraci proliferačních buněk v hřebeni chapadla u dospělých medúz Cladonema, se vědci rozhodli prozkoumat regeneraci právě chapadel.
Obrázek č. 5: vliv proliferace na regeneraci chapadel.
Po provedení disekce chapadel u základny byl pozorován proces regenerace (5A–5D). V průběhu prvních 24 hodin probíhalo hojení v oblasti řezu (5B). Druhý den pozorování začal konec chapadla růst a objevily se větvení (5С). Pátý den bylo chapadlo plně rozvětvené (5D), což znamená, že regenerace chapadla může následovat normální morfogenezi chapadla po prodloužení.
Aby lépe prozkoumali počáteční fázi regenerace, vědci analyzovali rozložení proliferačních buněk pomocí PH3 barvení pro vizualizaci mitotických buněk.
Zatímco dělicí buňky byly často pozorovány v blízkosti amputované oblasti, mitotické buňky byly rozptýleny v nerozřezaných kontrolních hřebenech s chapadly (5E a 5F).
Kvantiativní hodnocení PH3-pozitivních buněk přítomných v hřebenech chapadel umožnilo zjistit významné zvýšení PH3-pozitivních buněk v hřebenech chapadel u jedinců s amputovanými končetinami v porovnání s kontrolní skupinou (5G.). Závěr: počáteční regenerační procesy jsou doprovázeny aktivním zvýšením proliferace buněk v hřebenech chapadel.
Zjistit vliv proliferace na regeneraci umožnilo blokování buněk pomocí CH4N2O2 po odříznutí chapadla. U kontrolní skupiny docházelo k prodloužení chapadla po amputaci normálně, jak se očekávalo. Naproti tomu u skupiny, na které byl aplikován CH4N2O2, prodloužení nenastalo, i když hojení rány probíhalo normálně (5H). Jinými slovy, hojení se bude dít v každém případě, ale pro správnou regeneraci chapadla je nutná proliferace.
Nakonec se vědci rozhodli studovat proliferaci u jiných druhů medúz, konkrétně u Cytaeis a Rathkea.
Obrázek č. 6: srovnání proliferace u medúz druhu Cytaeis (vlevo) a Rathkea (vpravo).
V Cytaeis u medusy byly pozorovány EdU-pozitivní buňky v manubriu, cibulkách chapadel a v horní části deštníku (6А a 6B). Umístění zjištěných PH3-pozitivních buněk u Cytaeis je velmi podobné Cladonema, nicméně existují určité rozdíly (6C a 6D). U Rathkea byly EdU-pozitivní a PH3-pozitivní buňky nalezeny prakticky výhradně v oblasti manubria a cibulek chapadel (6E—6H).
Zajímavé je také to, že proliferující buňky byly často identifikovány v pupenech medúzy Rathkea (6E—6G), což odráží bezpohlavní typ reprodukce tohoto druhu.
S ohledem na získané informace lze předpokládat, že proliferace buněk probíhá v cibulkách chapadel rozhodně nejen u jednoho druhu medúz, ačkoli existují i rozdíly způsobené různicemi v fyziologii a morfologii.
Pro podrobnější seznámení se s nuancemi výzkumu doporučuji nahlédnout do .
Epilog
Jedním z mých nejoblíbenějších literárních postav je Hercule Poirot. Přesný detektiv si vždy zvlášť všímal drobných detailů, které ostatním připadaly nepodstatné. Vědci jsou v mnoha ohledech podobní detektivům, kteří sbírají všechny důkazy, které lze nalézt, aby odpověděli na všechny otázky vyšetřování a odhalili "vinníka".
Jak zoufale to zní, regenerace buněk medúz je přímo spojena s proliferací — nezbytným procesem ve vývoji buněk, tkání a tím pádem celého organismu. Podrobnější zkoumání tohoto vševysvětlujícího procesu nám umožní lépe porozumět molekulárním mechanismům, které leží v jeho základu, což umožní rozšířit nejen rozsah našich znalostí, ale i přímo ovlivnit náš život.
Páteční off-topic:
Pochod medůz druhu aurelija, vyrušený dravcem s neobvyklým názvem „fried egg jellyfish“, tedy medúza-vejce (Planet Earth, komentář - David Attenborough).
Není to medúza, ale toto hlubinné stvoření (pelikánovitý velkého tlamy) se ne tak často podaří natočit (reakce výzkumníků je jednoduše dojemná).
Děkuji za pozornost, zůstaňte zvědaví a přeji všem skvělé víkendy, kamarádi! 🙂
Děkujeme, že s námi zůstáváte. Líbí se vám naše články? Chcete vidět více zajímavých materiálů? Podpořte nás objednávkou nebo doporučením známým, 30 % sleva pro uživatele Habra na jedinečný analog entry-level serverů, který jsme pro vás vymysleli: (k dispozici varianty s RAID1 a RAID10, až 24 jader a až 40GB DDR4).
Dell R730xd za polovinu ceny? Jen u nás v Nizozemsku! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2GHz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — od 99 $! Čtěte o tom
Zdroj: habr.com
