Hvad har Wolverine, Deadpool og medusen tilfælles? De besidder alle en fantastisk egenskab — regeneration. Selvfølgelig er denne evne, der er sjælden blandt det begrænsede antal virkelige organismer, let (og nogle gange kraftigt) overdrevet i tegneserier og film, men den er stadig ganske reel. Og det, der er reelt, kan forklares, hvilket forskere fra Tohoku University (Japan) har valgt at fokusere på i deres nye forskning. Hvilke celler i medusens krop er relateret til regeneration, hvordan foregår denne proces, og hvilke andre superkræfter besidder disse geléagtige skabninger? Det vil en rapport fra forskergruppen fortælle os. Lad os komme i gang.
Basis for undersøgelsen
Først og fremmest forklarer forskerne, hvorfor de har valgt at fokusere på meduser. De fleste biologiske undersøgelser udføres med såkaldte modelorganismer: mus, frugtfluer, orme, fisk osv. Men der lever millioner af arter på vores planet, hver med sine egne unikke egenskaber. Derfor kan man ikke fuldt ud vurdere processen med celleregeneration ved kun at studere én art og antage, at den studerede mekanisme vil gælde for alle levende væsener på Jorden.
Når det kommer til meduser, så fortæller deres ydre alene om deres unikke karakter, hvilket utvivlsomt tiltrækker forskernes opmærksomhed. Derfor, før de gik i gang med selve forskningens dissektion, blev jeg introduceret til hovedpersonen.
Ordet "medusa", som vi plejer at kalde denne væsen, betegner faktisk kun en fase af livscyklussen af en nethinde fra undergruppen Medusozoa. Nethinder blev givet dette usædvanlige navn på grund af deres stikkeceller (cnidocytter), som anvendes til jagt og selvforsvar. Kort sagt, når en medusa stikker dig, kan du takke disse celler for smerten og ubehaget.
Cnidocytter indeholder cnidocyster — intracellulære organeller, der er ansvarlige for den "stikkende" effekt. Efter deres udseende og metode til anvendelse skelnes der mellem flere typer cnidocytter, hvoraf nogle kan fremhæves:
- Penetrerende tråde er tråde med spidse ender, der trænger ind i kroppen på ofret eller angriberen som spyd og sprøjter neurotoxin ind;
- Glutinante tråde er klæbrige og lange tråde, der omslutter ofret (ikke de mest behagelige kram);
- Volventtråde er korte tråde, hvor ofret kan blive let indviklet.
Denne usædvanlige beväbning skyldes, at maneter, selvom de er graciøse, ikke er særlig hurtige væsner. Neurotoxinet, der kommer ind i byttets krop, lammer det øjeblikkeligt, hvilket giver maneten masser af tid til at tage en frokostpause.
Maneten efter en vellykket jagt.
Udover den usædvanlige jagt- og forsvarsmetode, har maneter også en bemærkelsesværdig formering. Hanner producerer spermatozoer, mens hunnerne producerer ægceller, som efter fusion danner planuler (larver), der sætter sig på bunden. Efter noget tid vokser larven til et polyp, som ved modning bogstaveligt talt knopper unge maneter (faktisk er det en knopsen). Dermed er der flere stadier i livscyklussen, hvoraf en er maneten eller den manetoide generation.
Den hårdføre cyanea, også kendt som 'løve-hale'.
Hvis man spurgte den hårdføre cyanea, hvordan man kunne øge jagteffektiviteten, ville den svare — flere tentakler. Der er omkring 60 tentakler (klaser af 15 tentakler i hvert hjørne af kuplen). Desuden betragtes denne art af maneter som den største, da kuplen kan nå en diameter på 2 meter, og tentaklerne kan strække sig op til 20 meter under jagt. Heldigvis er denne art ikke særlig 'giftig', så den er ikke dødelig for mennesker.
Brandmanden, på sin side, ville tilføje kvalitet til antallet. Denne meduseart har også 15 fangarme (3 m lange) på hver af de fire hjørner af kuplen, men deres gift er mange gange stærkere end den hos deres store slægtning. Det anses for, at nerotoksinet i brandmandens krop er tilstrækkeligt til at dræbe 60 mennesker på 3 minutter. Denne havs vrede lever i kystzoner i Nord-Australien og New Zealand. Ifølge data fra 1884 til 1996 er 63 mennesker døde i Australien, men disse tal kan være unøjagtige, og antallet af fatale møder mellem mennesker og brandmænd kan være langt højere. Ifølge data fra 1991-2004 var kun 8% af de 225 tilfælde af berørte personer indlagt på hospitalet, hvoraf én endte fatalt (en treårig dreng).
Brandmand
Lad os nu vende tilbage til den undersøgelse, vi ser på i dag.
Set fra cellernes synsvinkel er den vigtigste proces i livet for enhver organisme celleproliferation - en proces, hvor organets væv vokser ved at dele sig. Under organismens vækst regulerer denne proces kroppens størrelsesforøgelse. Når organismen er fuldt udviklet, regulerer de prolifererende celler den fysiologiske udskiftning af celler og udskiftningen af beskadigede med nye.
Cnidaria, som en beslægtet gruppe af bilaterale og tidlige udviklingsgrene af multicellulære organismer, har længe været anvendt til at studere evolutionære processer. Derfor er cnidaria ikke en undtagelse med hensyn til proliferation. For eksempel under embryonal udvikling af sjøanemonen. Nematostella vectensis koordineringen af celleproliferation er knyttet til organiseringen af epitelvæv og deltager i udviklingen af fangarmene.
Nematostella vectensis
Udover dette, som vi allerede ved, er cnidaria kendt for deres regenereringsevner. Blandt forskere har hydra-polypper (en familie af ferskvandsboende, sessile cnidarians fra klassen Hydrozoa) været de mest populære i hundredevis af år. Proliferation, som aktiveres af døende celler, igangsætter regenereringsprocessen af hydraens basale hoved. Navnet på denne skabning henviser til et mytisk væsen kendt for sin regenerering - Lernaean Hydra, som Herkules sejrede over.
Selv om regenereringsevner er blevet knyttet til proliferationen, er det stadig uklart, hvordan denne cellulære proces foregår under normale forhold på forskellige stadier af organismens udvikling.
Maneter med en kompleks livscyklus, der består af to reproduktionsstadier (vegetativ og seksuel), udgør en fremragende model til at studere proliferation.
I dette arbejde spillede medusen af arten Cladonema pacificum den primære undersøgte rolle. Denne art lever ved kysterne af Japan. Oprindeligt har denne meduse 9 hovedstrenge, som begynder at forgrene sig og vokse i størrelse (ligesom hele kroppen) under udviklingen til en voksen. Denne egenskab gør det muligt at studere alle de mekanismer, der deltager i denne proces, i detaljer.
Derudover til Cladonema pacificum blev der også set på andre arter af maneter i undersøgelsen: Cytaeis uchidae og Rathkea octopunctata.
Resultaterne af undersøgelsen
For at forstå den rumlige regularitet af celleproliferationen i Cladonema medusen anvendte forskerne farvning med 5-ethynyl-2'-doxyriburidin (EdU), som markerer cellerne i S-fasen* eller celler, der allerede har gennemgået den.
S-fasen* er den fase af cellecyklussen, hvor DNA-replikationen finder sted.
I betragtning af at Cladonema vokser markant i størrelse og viser forgrening af tentaklerne under udviklingen (1A—1C), kan fordelingen af prolifererende celler ændre sig gennem hele modningen.
Billede nr. 1: egenskaber ved cellulær proliferation hos unge Cladonema.
Takket være denne egenskab var det muligt at undersøge mekanismen for celleproliferation både hos unge (dag 1) og hos kønsmodne (dag 45) maneter.
Hos unge maneter blev EdU-positive celler fundet i stort antal i hele kroppen, herunder paraplyen, manubrium (støtteorganet ved mundhulen hos maneter) og tentaklerne, uanset eksponeringstid for EdU (1D–1K og 1N–1O, EdU: 20 µM (mikromolær) efter 24 timer).
I manubrium blev der fundet ganske få EdU-positive celler (1F og 1G), mens fordelingen i paraplyen var meget ensartet, især i den ydre membran af paraplyen (exumbrella, 1H—1K). I tentaklerne var EdU-positive celler kraftigt klustret (1N). Anvendelsen af mitotisk markør (antistoffer PH3) har gjort det muligt at bekræfte, at EdU-positive celler faktisk er prolifererende celler. PH3-positive celler blev fundet både i klokken og i peduncle-hovedet (1L og 1P).
I tentaklerne blev mitotiske celler hovedsageligt fundet i ektodermen (1P), mens prolifererende celler i klokken var placeret i overfladelaget (1M).
Billede nr. 2: egenskaber ved cellulær proliferation hos voksne Cladonema.
Både hos unge individer og voksne blev EdU-positive celler fundet i stort antal over hele kroppen. I klokken var EdU-positive celler oftere til stede i overfladelaget end i det nederste lag, hvilket svarer til observationerne hos unge individer (2A—2D).
Men i tentaklerne var situationen lidt anderledes. EdU-positive celler ophobede sig ved bunden af tentaklen (knoppen), hvor der blev fundet to klynger på hver side af knoppen (2E og 2F). Hos unge individer blev sådanne ophobninger også observeret (1N), dvs. knopperne på tentaklerne kan være det primære proliferationsområde gennem hele meduzestadiet. Interessant nok var antallet af EdU-positive celler i voksne meduser betydeligt højere end hos unge (2G og 2H).
Den foreløbige konklusion er, at celleproliferation kan finde sted jævnt i klokken hos medusen, mens denne proces er meget lokaliseret i tentaklerne. Derfor kan man antage, at jævn celleproliferation kan kontrollere vækst og vævshomeostase, mens ophobninger af prolifererende celler nær tentaklernes knopper deltager i morfogenesen af tentaklerne.
I forhold til udviklingen af kroppen generelt spiller proliferation en vigtig rolle i væksten af kroppen.
Billede nr. 3: vigtigheden af proliferation i vækstprocessen hos meduser.
For at teste dette i praksis fulgte forskerne væksten af meduskroppe fra unge individer. Det er lettest at bestemme størrelsen på medusens krop ud fra dens klokke, da den vokser jævnt og proportionalt med hele kroppen.
Ved normal fodring under laboratorieforhold øges størrelsen af klokken markant med 54,8% i løbet af de første 24 timer — fra 0,62 ± 0,02 mm2 til 0,96 ± 0,02 mm2. I de følgende 5 dages observationer voksede størrelsen langsomt og jævnt til 0,98 ± 0,03 mm2 (3A—3C).
Meduser fra en anden gruppe, der blev berøvet mad, voksede ikke, men mindskedes (den røde linje på grafen 3C). Celleanalysen af de sultende meduser viste, at der var et ekstremt lavt antal EdU-celler: 1240,6 ± 214,3 hos meduser fra kontrolgruppen og 433,6 ± 133 hos de sultende (3D—3H). Denne observation kan være et direkte bevis for, at kost direkte påvirker proliferationsprocessen.
For at teste denne hypotese udførte forskerne en farmakologisk analyse, hvor de blokerede cellernes cyklusprogression ved at bruge hydroxicarbamid (CH4N2O2) - en inhibitor af cellernes cyklus, der forårsager en standse i G1. Som et resultat af denne intervention forsvandt S-fase celler, der tidligere blev påvist ved hjælp af EdU (3I—3L). Dermed viste meduser, der blev udsat for CH4N2O2, ikke vækst af kroppen, i modsætning til kontrolgruppen (3M).
Det næste skridt i undersøgelsen var en detaljeret undersøgelse af de forgrende tentakler på meduserne for at bekræfte antagelsen om, at lokal celleproliferation i tentaklerne bidrager til deres morfogenese.
Billede nr. 4: Indflydelse af lokal celleproliferation på vækst og forgrening af medusens tentakler.
Tentaklerne på en ung medusa har en gren, men med tiden øges antallet. Under laboratoriebetingelser blev forgrening øget med 3 gange på den niende observationsdag (4A og 4C).
Igen, ved brug af CH4N2O2 blev der ikke observeret forgrening af tentaklerne, kun en enkelt gren (4B og 4C). Det er interessant, at fjernelse af CH4N2O2 fra medusens krop genoprettede forgreningsprocessen af tentaklerne, hvilket indikerer reversibiliteten af den medicinske intervention. Disse observationer peger klart på vigtigheden af proliferation for udviklingen af tentakler.
Nettlede ville ikke være nettlede uden nematocytter (knydocyt, dvs. nettledende celler). Hos medusaen af arten Clytia hemisphaerica leverer stamcellerne i tentaklernes løg nematocyster til enderne af tentaklerne netop som følge af celleproliferation. Naturligvis besluttede forskerne at undersøge denne påstand.
For at opdage en eventuel sammenhæng mellem nematocytter og proliferation blev der anvendt en farvningsfarve til kernen, der kan markere poly-γ-glutamat, syntetiseret i væggen af nematocysten (DAPI, dvs. 4’,6-diamidino-2-fenylindol).
Fargningen af poly-γ-glutamat gjorde det muligt at vurdere størrelsen af nematocyster, varierende fra 2 til 110 μm2 (4D—4G). Der blev også identificeret et antal tomme nematocyster, hvilket betyder, at sådanne nematocyster var udtømte (4D—4G).
Proliferationsaktiviteten i maneternes tentakler blev undersøgt ved at se på hulrummene i nematocyster efter blokering af cellecyklussen ved hjælp af CH4N2O2. Andelen af tomme nematocyster hos maneter efter lægemiddelinterventionen var højere end hos kontrolgruppen: 11,4% ± 2,0% hos maneterne i kontrolgruppen og 19,7% ± 2,0% hos maneter med CH4N2O2 (4D—4G og 4H). Følgelig fortsætter nematocyster selv efter udtømning med aktivt at få tilført præcursor-celler for proliferation, hvilket bekræfter indflydelsen af denne proces ikke kun på udviklingen af tentaklerne, men også på nematogenesen i dem.
Den mest interessante del var undersøgelsen af maneternes regenerationskapaciteter. I betragtning af den høje koncentration af prolifererende celler i tentaklens løg hos modne maneter Cladonema, besluttede forskerne at undersøge regenerationen af selve tentaklerne.
Billede Nr. 5: indflydelsen af proliferation på regenerationen af tentakler.
Efter dissektion af tentaklerne ved basis sås regenerationsprocessen (5A–5D). I de første 24 timer skete helingen i området over skåret (5B). På den anden observationsdag begyndte spidsen at forlænge sig, og der kom forgreninger (5C). På den femte dag var tentaklen fuldstændig forgrenet (5D), således kan regenerationen af tentaklen følge den normale morfogenese af tentaklen efter forlængelsen.
For bedre at studere det indledende stadium af regenerationen analyserede forskerne fordelingen af prolifererende celler ved at bruge PH3-farvning for at visualisere mitotiske celler.
Mens delende celler ofte blev observeret nær det amputerede område, var mitotiske celler spredt i de ikke-skårne kontrol-løg med tentakler (5E og 5F).
Den kvantitative vurdering af PH3-positive celler, der er til stede i løgene af tentaklerne, viste en betydelig stigning i PH3-positive celler i løgene af tentaklerne hos individer med amputerede lemmer sammenlignet med kontrolgruppen (5G). Som konklusion er de indledende regenerationsprocesser ledsaget af en aktiv stigning i proliferation af celler i løgene af tentaklerne.
At undersøge indflydelsen af proliferation på regenerering blev muligt ved at blokere celler ved hjælp af CH4N2O2 efter afskæring af tentaklen. Kontrollgruppen oplevede en normal forlængelse af tentaklen efter amputation, som forventet. Men i gruppen, hvor CH4N2O2 blev anvendt, skete der ikke forlængelse, på trods af normal heling af såret (5H). Med andre ord vil helingen finde sted uanset hvad, men for korrekt regenerering af tentaklen er proliferation nødvendig.
Til sidst besluttede forskerne at studere proliferation hos andre arter af meduser, nemlig Cytaeis og Rathkea.
Billede nr. 6: sammenligning af proliferation hos meduserne Cytaeis (til venstre) og Rathkea (til højre).
Ved Cytaeis medusa EdU-positive celler blev observeret i manubrium, tentakelknoller og i den øverste del af parasollen (6A og 6B). Placeringen af de fundne PH3-positive celler hos Cytaeis ligner meget Cladonema, men der er nogle forskelle (6C og 6D). Men hos Rathkea EdU-positive og PH3-positive celler blev næsten udelukkende fundet i området af manubrium og tentakelknoller (6E—6H).
Det er også interessant, at prolifererende celler ofte blev fundet i nyrerne på medusen Rathkea (6E—6G), hvilket afspejler den aseksuelle reproduktionstype for denne art.
Givet informationen kan man antage, at celleproliferationen finder sted i tentakelknoller langt fra kun én art af meduser, selvom der også er forskelle forårsaget af forskelle i fysiologi og morfologi.
For mere detaljeret information om nuancerne i undersøgelsen anbefaler jeg at kigge i .
Epilog
En af mine yndlingslitterære karakterer er Hercule Poirot. Den opmærksomme detektiv lagde altid særlig vægt på de små detaljer, som andre syntes var uvæsentlige. Forskere minder på mange måder om detektiver, der samler alle spor, de kan finde, for at besvare spørgsmålene i undersøgelsen og finde "den skyldige".
Så åbenlyst som det måtte lyde, er regenerering af medusceller direkte knyttet til proliferation—en uundgåelig proces i udviklingen af celler, væv og dermed hele organismen. En mere grundig undersøgelse af denne altomfattende proces vil muliggøre en bedre forståelse af de molekylære mekanismer, der ligger til grund, hvilket i sin tur vil udvide ikke kun vores viden, men også direkte påvirke vores liv.
Fredags off-topic:
Marchen af de åbenbarende meduser, forstyrret af en rovdyr med det usædvanlige navn "fried egg jellyfish", dvs. æggehvide-medusen (Planet Earth, fortalt af David Attenborough).
Det hører ikke til meduserne, men dette dybhavsvæsen (pelagisk stor-buget) bliver ikke ofte filmet (forskernes reaktion er simpelthen charmerende).
Tak for opmærksomheden, forbliv nysgerrige, og hav en fantastisk weekend, folkens! 🙂
Tak fordi du bliver hos os. Kan du lide vores artikler? Ønsker du at se flere interessante materialer? Støt os ved at bestille eller anbefale os til dine bekendte, 30% rabat til brugere af Habr på en unik entry-level server, som vi har opfundet til dig: (tilgængelige muligheder med RAID1 og RAID10, op til 24 kerner og op til 40 GB DDR4).
Dell R730xd er 2 gange billigere? Kun hos os i Holland! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2GHz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - fra 99 $! Læs om hvordan
Kilde: habr.com
