Co mají společného Wolverine, Deadpool a Jellyfish? Všechny mají úžasnou vlastnost – regeneraci. Samozřejmě, v komiksech a filmech je tato schopnost, běžná u extrémně omezeného počtu skutečných živých organismů, mírně (a někdy velmi) přehnaná, ale zůstává velmi reálná. A co je skutečné, lze vysvětlit, k čemuž se rozhodli vědci z Tohoku University (Japonsko) ve své nové studii. Jaké buněčné procesy v těle medúzy souvisí s regenerací, jak tento proces probíhá a jaké další superschopnosti tito rosolovití tvorové mají? O tom nám řekne zpráva výzkumné skupiny. Jít.
Výzkumná základna
Nejprve vědci vysvětlují, proč se rozhodli zaměřit svou pozornost na medúzy. Faktem je, že většina výzkumů v oblasti biologie se provádí za účasti takzvaných modelových organismů: myší, ovocných mušek, červů, ryb atd. Ale naše planeta je domovem milionů druhů, z nichž každý má tu či onu jedinečnou schopnost. V důsledku toho je nemožné plně zhodnotit proces buněčné regenerace studiem pouze jednoho druhu a předpokládat, že studovaný mechanismus bude společný všem tvorům na Zemi.
Pokud jde o medúzy, tato stvoření svým vzhledem vypovídají o své jedinečnosti, která nemůže upoutat pozornost vědců. Před zahájením pitvy samotného výzkumu jsem se proto seznámil s jeho hlavním hrdinou.
Slovo „medúza“, které jsme zvyklí nazývat tvora jako takového, ve skutečnosti odkazuje pouze na fázi životního cyklu cnidarianského podtypu. meduzozoa. Cnidariáni dostali tak neobvyklé jméno kvůli přítomnosti bodavých buněk (cnidocytů) v jejich tělech, které se používají k lovu a sebeobraně. Jednoduše řečeno, když vás píchne medúza, můžete těmto buňkám poděkovat za bolest a utrpení.
Cnidocyty obsahují cnidocysty, intracelulární organelu zodpovědnou za „bodavý“ efekt. Podle jejich vzhledu a podle toho způsobu aplikace se rozlišuje několik typů cnidocytů, mezi které patří:
- penetranty - nitě se špičatými konci, které propíchnou tělo oběti nebo pachatele jako oštěpy a vstříknou neurotoxin;
- glutinants - lepkavé a dlouhé nitě, které obepínají oběť (není nejpříjemnější objetí);
- volventy jsou krátká vlákna, do kterých se oběť může snadno zamotat.
Takové nestandardní zbraně se vysvětlují skutečností, že medúzy, i když půvabné, nejsou zvlášť hbité stvoření. Neurotoxin vstupující do těla kořisti ji okamžitě paralyzuje, což dává medúzám spoustu času na přestávku na oběd.
Medúza po úspěšném lovu.
Kromě neobvyklého způsobu lovu a obrany mají medúzy velmi neobvyklé rozmnožování. Samci produkují spermie a samice vajíčka, po jejichž splynutí vznikají planulae (larvy), které se usazují na dně. Po chvíli z larvy vyroste polyp, ze kterého se po dosažení dospělosti doslova odlamují mladé medúzy (ve skutečnosti dochází k pučení). Existuje tedy několik fází životního cyklu, z nichž jednou je generace medúz nebo medusoidů.
Cyanea chlupatá, také známá jako lví hříva.
Pokud by se cyanea chlupatá zeptala, jak zvýšit efektivitu lovu, odpověděla by – více chapadel. Celkem je jich asi 60 (shluky 15 chapadel v každém rohu kopule). Kromě toho je tento druh medúzy považován za největší, protože průměr kopule může dosáhnout 2 metrů a chapadla se mohou během lovu natáhnout až na 20 metrů. Naštěstí tento druh není nijak zvlášť „toxický“, a proto není pro člověka smrtelný.
Mořská vosa by zase přidala kvalitě ke kvantitě. Tento druh medúzy má také 15 chapadel (3 m na délku) na každém ze čtyř rohů kopule, ale jejich jed je mnohonásobně silnější než jed jeho velkého příbuzného. Předpokládá se, že mořská vosa má dostatek neurotoxinů, aby zabila 60 lidí za 3 minuty. Tato mořská bouře žije v pobřežní zóně severní Austrálie a Nového Zélandu. Podle údajů z let 1884 až 1996 zemřelo v Austrálii 63 lidí, tyto údaje však mohou být nepřesné a počet smrtelných setkání mezi lidmi a mořskými vosami může být mnohem vyšší. Podle údajů za roky 1991-2004 však mezi 225 případy bylo hospitalizováno pouze 8 % obětí, včetně jednoho úmrtí (tříleté dítě).
Mořská vosa
Nyní se vraťme ke studii, na kterou se dnes díváme.
Z hlediska buněk je nejdůležitějším procesem v celém životě každého organismu buněčná proliferace - proces růstu tělesných tkání prostřednictvím rozmnožování buněk dělením. Během růstu těla tento proces reguluje nárůst velikosti těla. A když je tělo plně formováno, proliferující buňky regulují fyziologickou výměnu buněk a nahrazování poškozených novými.
Cnidarians, jako sesterská skupina bilateriánů a raných metazoanů, byli používáni ke studiu evolučních procesů po mnoho let. Cnidariáni proto nejsou z hlediska proliferace žádnou výjimkou. Například při embryonálním vývoji mořské sasanky Nematostella vectensis buněčná proliferace je koordinována s organizací epitelu a podílí se na vývoji chapadel.
Nematostella vectensis
Cnidarians, jak již víme, jsou mimo jiné známí svými regeneračními schopnostmi. Hydra polypy (rod sladkovodních přisedlých koelenterátů z třídy hydroidů) jsou mezi výzkumníky po stovky let považovány za nejoblíbenější. Proliferace, aktivovaná odumírajícími buňkami, spouští proces regenerace bazální hlavy hydry. Už samotný název tohoto tvora naráží na bájného tvora známého svou regenerací – lernajskou Hydru, kterou Herkules dokázal porazit.
Ačkoli regenerační schopnosti byly spojeny s proliferací, zůstává nejasné, jak přesně tento buněčný proces probíhá za normálních podmínek v různých fázích vývoje organismu.
Medúzy, které mají složitý životní cyklus sestávající ze dvou fází reprodukce (vegetativní a sexuální), slouží jako vynikající model pro studium proliferace.
V této práci sehrála roli hlavního studovaného jedince medúza druhu Cladonema pacificum. Tento druh žije u pobřeží Japonska. Zpočátku má tato medúza 9 hlavních chapadel, která se během vývoje do dospělce začnou větvit a zvětšovat (jako celé tělo). Tato funkce nám umožňuje podrobně studovat všechny mechanismy, které se tohoto procesu účastní.
Kromě Cladonema pacificum Studie se také zaměřila na další druhy medúz: Cytaeis uchidae и Rathkea octopunctata.
Výsledky výzkumu
K pochopení prostorového vzoru buněčné proliferace u Cladonema medusa vědci použili barvení 5-ethynyl-2'-deoxyuridinem (EdU), které označuje buňky v S-fáze* nebo buňky, které jím již prošly.
S-fáze* - fáze buněčného cyklu, ve které dochází k replikaci DNA.
Vzhledem k tomu Cladonema se dramaticky zvětšuje a během vývoje vykazuje větvení chapadel (1A-1C), distribuce proliferujících buněk se může během zrání měnit.
Obrázek č. 1: rysy buněčné proliferace u mladých Cladonema.
Díky této vlastnosti bylo možné studovat mechanismus buněčné proliferace jak u mladých (1. den), tak u pohlavně dospělých (45. den) medúz.
U mladých medúz byly EdU-pozitivní buňky nalezeny ve velkém množství po celém těle, včetně pupečníku, manubria (podpůrný orgán ústní dutiny u medúz) a chapadel, bez ohledu na dobu expozice EdU (1D-1K и 1N-1OEdU: 20 uM (mikromolární) po 24 hodinách).
Poměrně málo EdU-pozitivních buněk bylo nalezeno v manubriu (1F и 1G), ale v deštníku bylo jejich rozložení velmi rovnoměrné, zejména ve vnějším plášti deštníku (deštník, 1H-1K). V chapadlech byly EdU-pozitivní buňky vysoce shlukované (1N). Použití mitotického markeru (PH3 protilátky) umožnilo ověřit, že EdU-pozitivní buňky jsou proliferující buňky. PH3-pozitivní buňky byly nalezeny jak v deštníku, tak v bulbu chapadla (1L и 1P).
V chapadlech se mitotické buňky nacházely hlavně v ektodermu (1P), zatímco v deštníku byly proliferující buňky umístěny v povrchové vrstvě (1M).
Obrázek č. 2: rysy buněčné proliferace u zralé Cladonema.
U mladých i zralých jedinců byly EdU-pozitivní buňky nalezeny ve velkém množství po celém těle. V pupečníku byly EdU-pozitivní buňky častěji nalezeny v povrchové vrstvě než ve spodní vrstvě, což je podobné pozorování u mláďat (2A-2D).
Ale v chapadlech byla situace poněkud jiná. EdU-pozitivní buňky se nahromadily na bázi chapadla (bulvy), kde byly nalezeny dva shluky na obou stranách bulbu (2E и 2F). U mladých jedinců byly také pozorovány podobné akumulace (1N), tj. žárovky chapadel mohou být hlavní oblastí proliferace v celém medusoidním stádiu. Je zvláštní, že v manubriu dospělých jedinců byl počet EdU-pozitivních buněk významně vyšší než u mláďat (2G и 2H).
Mezivýsledkem je, že buněčná proliferace může probíhat rovnoměrně v deštníku medúzy, ale v chapadlech je tento proces velmi lokalizovaný. Lze tedy předpokládat, že rovnoměrná buněčná proliferace může řídit tělesný růst a tkáňovou homeostázu, ale shluky proliferujících buněk v blízkosti cibulí chapadel se podílejí na morfogenezi chapadel.
Z hlediska vlastního tělesného vývoje hraje proliferace důležitou roli v tělesném růstu.
Obrázek č. 3: Význam proliferace v procesu tělesného růstu medúzy.
Aby to vědci otestovali v praxi, sledovali tělesný růst medúz, počínaje mladými jedinci. Nejjednodušší je určit velikost těla medúzy podle její kopule, protože roste rovnoměrně a přímo úměrně k celému tělu.
Při normálním krmení v laboratorních podmínkách se velikost kopule během prvních 54.8 hodin prudce zvětší o 24 % – z 0.62 ± 0.02 mm2 na 0.96 ± 0.02 mm2. Během následujících 5 dnů pozorování se velikost pomalu a plynule zvětšovala na 0.98 ± 0.03 mm2 (3А-3S).
Medúzy z jiné skupiny, které byly zbaveny potravy, nerostly, ale zmenšovaly se (červená čára na grafu 3S). Buněčná analýza hladovějících medúz ukázala přítomnost extrémně malého počtu 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 výživa přímo ovlivňuje proces proliferace.
Aby vědci ověřili tuto hypotézu, provedli farmakologický test, ve kterém blokovali progresi buněčného cyklu pomocí hydroxymočoviny (CH4N2O2), inhibitoru buněčného cyklu, který způsobuje zástavu G1. V důsledku tohoto zásahu zmizely buňky S-fáze dříve detekované pomocí EdU (3I-3L). Medúzy, které byly vystaveny působení CH4N2O2, tedy nevykazovaly tělesný růst, na rozdíl od kontrolní skupiny (3M).
Další fází studie byla podrobná studie větvících se chapadel medúz s cílem potvrdit předpoklad, že lokální proliferace buněk v chapadlech přispívá k jejich morfogenezi.
Obrázek č. 4: vliv lokálního přemnožení na růst a větvení chapadel medúz.
Chapadla mladé medúzy mají jednu větev, ale postupem času se jejich počet zvyšuje. V laboratorních podmínkách se větvení zvýšilo 3x devátý den pozorování (4А и 4S).
Opět, když byl použit CH4N2O2, nebylo pozorováno žádné větvení chapadel, ale pouze jedna větev (4B и 4C). Je zvláštní, že odstranění CH4N2O2 z těla medúzy obnovilo proces větvení chapadel, což ukazuje na reverzibilitu lékového zásahu. Tato pozorování jasně ukazují důležitost proliferace pro vývoj chapadel.
Cnidarians by nebyl cnidarians bez nematocytů (cnidocytes, tj. cnidarians). U medúz druhu Clytia hemisphaerica dodávají kmenové buňky v cibulkách chapadel nematocysty do špiček chapadel právě díky buněčné proliferaci. Vědci se přirozeně rozhodli toto tvrzení také otestovat.
K detekci jakékoli souvislosti mezi nematocystami a proliferací bylo použito barvivo pro barvení jader, které může značit poly-γ-glutamát syntetizovaný ve stěně nematocysty (DAPI, tj. 4',6-diamidino-2-fenylindol).
Barvení poly-γ-glutamátem nám umožnilo odhadnout velikost nematocytů v rozmezí od 2 do 110 μm2 (4D-4G). Byla také identifikována řada prázdných nematocyst, to znamená, že takové nematocyty byly vyčerpány (4D-4G).
Proliferační aktivita v chapadlech medúzy byla testována studiem dutin v nematocytech po blokaci buněčného cyklu pomocí CH4N2O2. Podíl prázdných nematocytů u medúz po lékové intervenci 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 и 4H). Nematocyty jsou tedy i po vyčerpání nadále aktivně zásobovány proliferačními progenitorovými buňkami, což potvrzuje vliv tohoto procesu nejen na vývoj chapadel, ale i na nematogenezi v nich.
Nejzajímavější etapou bylo studium regeneračních schopností medúz. Vzhledem k vysoké koncentraci proliferativních buněk v cibuli chapadel dospělých medúz Cladonema, se vědci rozhodli studovat regeneraci chapadel.
Obrázek č. 5: vliv proliferace na regeneraci chapadel.
Po disekci chapadel na bázi byl pozorován proces regenerace (5A-5D). Během prvních 24 hodin došlo k hojení v oblasti řezu (5B). Druhý den pozorování se hrot začal prodlužovat a objevily se větve (5S). Pátého dne bylo chapadlo zcela rozvětvené (5D), proto regenerace chapadel může následovat po normální morfogenezi chapadla po prodloužení.
Pro lepší studium počáteční fáze regenerace vědci analyzovali distribuci proliferujících buněk pomocí barvení PH3 k vizualizaci mitotických buněk.
Zatímco dělící se buňky byly často pozorovány v blízkosti amputované oblasti, mitotické buňky byly rozptýleny v nerozřezaných kontrolních chapadlových bulbech (5E и 5F).
Kvantifikace PH3-pozitivních buněk přítomných v cibulích chapadel odhalila významný nárůst PH3-pozitivních buněk v cibulích chapadel u pacientů po amputaci ve srovnání s kontrolami (5G). Závěrem lze říci, že počáteční regenerační procesy jsou doprovázeny aktivním zvýšením buněčné proliferace v cibulkách chapadel.
Vliv proliferace na regeneraci byl testován blokováním buněk pomocí CH4N2O2 po odříznutí chapadla. V kontrolní skupině došlo k prodloužení chapadel po amputaci normálně, jak se očekávalo. Ale ve skupině, na kterou byl aplikován CH4N2O2, nedošlo k prodloužení, navzdory normálnímu hojení ran (5H). Jinými slovy, k uzdravení dojde v každém případě, ale proliferace je nezbytná pro správnou regeneraci chapadel.
Nakonec se vědci rozhodli studovat proliferaci u jiných druhů medúz, jmenovitě Cytaeis и Rathkea.
Obrázek č. 6: Porovnání proliferace u medúz Cytaeis (vlevo) a Rathkea (vpravo).
У Cytaeis medusa EdU-pozitivní buňky byly pozorovány v manubriu, cibulích chapadel a horní části deštníku (6А и 6V). Umístění identifikovaných PH3-pozitivních buněk v Cytaeis velmi podobný Cladonemaexistují však určité rozdíly (6C и 6D). Ale při Rathkea EdU-pozitivní a PH3-pozitivní buňky byly nalezeny téměř výhradně v oblasti manubria a bulbů chapadel (6E-6H).
Zajímavé také je, že v ledvinách medúz byly často detekovány proliferující buňky Rathkea (6E-6G), což odráží asexuální typ rozmnožování tohoto druhu.
S přihlédnutím k získaným informacím lze předpokládat, že k proliferaci buněk v cibulkách chapadel dochází nejen u jednoho druhu medúzy, i když existují rozdíly způsobené rozdíly ve fyziologii a morfologii.
Pro podrobnější seznámení s nuancemi studie doporučuji nahlédnout .
Epilog
Jedna z mých nejoblíbenějších literárních postav je Hercule Poirot. Bystrý detektiv vždy věnoval zvláštní pozornost malým detailům, které ostatní považovali za nedůležité. Vědci jsou hodně jako detektivové, shromažďují všechny důkazy, které mohou najít, aby odpověděli na všechny otázky vyšetřování a zjistili „viníka“.
Bez ohledu na to, jak zřejmé to může znít, regenerace buněk medúzy přímo souvisí s proliferací - integrálním procesem ve vývoji buněk, tkání a v důsledku toho celého organismu. Důkladnější studium tohoto komplexního procesu nám umožní lépe porozumět molekulárním mechanismům, které jsou jeho základem, což následně rozšíří nejen rozsah našeho poznání, ale také přímo ovlivní naše životy.
Pátek off-top:
Pochod medúz druhu Aurelia, narušený predátorem s neobvyklým názvem „medúza ze smaženého vajíčka“, tzn. medúza ze smažených vajec (Planet Earth, voice-over by David Attenborough).
Není to sice medúza, ale tento hlubokomořský tvor (pelikánovitý velkoústý) není často fotografován (reakce výzkumníků je prostě dojemná).
Děkujeme za sledování, zůstaňte zvědaví a přeji všem krásný víkend! 🙂
Děkujeme, že s námi zůstáváte. Líbí se vám naše články? Chcete vidět více zajímavého obsahu? Podpořte nás objednávkou nebo doporučením přátelům, 30% sleva pro uživatele Habr na unikátní obdobu entry-level serverů, kterou jsme pro vás vymysleli: (k dispozici s RAID1 a RAID10, až 24 jader a až 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2x levnější? Pouze zde V Nizozemsku! Dell R420 – 2x E5-2430 2.2 GHz 6C 128 GB DDR3 2 x 960 GB SSD 1 Gb/s 100 TB – od 99 $! Číst o
Zdroj: www.habr.com