Hvad har Wolverine, Deadpool og Jellyfish til fælles? Alle af dem har en fantastisk funktion - regenerering. I tegneserier og film er denne evne, almindelig blandt et ekstremt begrænset antal virkelige levende organismer, selvfølgelig lidt (og nogle gange meget) overdrevet, men den forbliver meget virkelig. Og hvad der er virkeligt kan forklares, hvilket er hvad forskere fra Tohoku University (Japan) besluttede at gøre i deres nye undersøgelse. Hvilke cellulære processer i en vandmands krop er forbundet med regenerering, hvordan forløber denne proces, og hvilke andre superkræfter har disse gelélignende væsner? Forskergruppens rapport vil fortælle os om dette. Gå.
Forskningsgrundlag
Først og fremmest forklarer videnskabsmænd, hvorfor de besluttede at fokusere deres opmærksomhed på vandmænd. Faktum er, at det meste af forskningen inden for biologi udføres med deltagelse af såkaldte modelorganismer: mus, frugtfluer, orme, fisk mv. Men vores planet er hjemsted for millioner af arter, som hver især har en eller anden unik evne. Som følge heraf er det umuligt fuldt ud at evaluere processen med cellulær regenerering ved kun at studere én art og antage, at den undersøgte mekanisme vil være fælles for alle skabninger på Jorden.
Hvad angår vandmænd, taler disse væsner ved selve deres udseende om deres unikke karakter, som ikke kan andet end tiltrække videnskabsmænds opmærksomhed. Derfor mødte jeg dens hovedperson, inden jeg startede dissektionen af selve forskningen.
Ordet "vandmænd", som vi er vant til at kalde væsenet som sådan, refererer faktisk kun til stadiet af livscyklussen for den cnidarian subtype medusozoa. Cnidarians fik et så usædvanligt navn på grund af tilstedeværelsen af stikkende celler (cnidocytter) i deres kroppe, som bruges til jagt og selvforsvar. Kort sagt, når du bliver stukket af en vandmand, kan du takke disse celler for smerten og lidelsen.
Cnidocytter indeholder cnidocyster, en intracellulær organel, der er ansvarlig for den "stikkende" effekt. I henhold til deres udseende og følgelig anvendelsesmetode skelnes flere typer cnidocytter, blandt hvilke er:
- penetranter - tråde med spidse ender, der gennemborer offerets eller gerningsmandens krop som spyd og injicerer et neurotoksin;
- glutinanter - klæbrige og lange tråde, der omslutter offeret (ikke det mest behagelige knus);
- volvents er korte tråde, hvori offeret let kan blive viklet ind.
Sådanne ikke-standardvåben forklares af det faktum, at vandmænd, selvom de er yndefulde, ikke er særligt smidige væsner. Neurotoksinet, der kommer ind i byttets krop, lammer det øjeblikkeligt, hvilket giver vandmændene en masse tid til en frokostpause.
Vandmænd efter en vellykket jagt.
Ud over deres usædvanlige metode til jagt og forsvar har vandmænd en meget usædvanlig reproduktion. Hanner producerer sædceller, og hunner producerer æg, efter fusionen af hvilke planulae (larver) dannes, der sætter sig i bunden. Efter et stykke tid vokser en polyp fra larven, hvorfra unge vandmænd bogstaveligt talt brækker af, når de når modenhed (faktisk opstår der knopskydning). Der er således flere stadier af livscyklussen, hvoraf den ene er vandmands- eller medusoidgenerationen.
Behåret cyanea, også kendt som løvens manke.
Hvis den behårede cyanea blev spurgt, hvordan man kan øge effektiviteten af jagten, ville det svare - flere fangarme. Der er omkring 60 af dem i alt (klynger af 15 tentakler i hvert hjørne af kuplen). Derudover betragtes denne type vandmænd som den største, fordi kuplens diameter kan nå 2 meter, og tentaklerne kan strække sig op til 20 meter under jagt. Heldigvis er denne art ikke særlig "giftig" og derfor ikke dødelig for mennesker.
Havhvepsen ville til gengæld tilføje kvalitet til kvantitet. Denne type vandmænd har også 15 tentakler (3 m i længden) på hvert af de fire hjørner af kuplen, men deres gift er mange gange stærkere end dens store slægtning. Det menes, at havhvepsen har nok neurotoksin til at dræbe 60 mennesker på 3 minutter. Denne haves tordenvejr lever i kystzonen i det nordlige Australien og New Zealand. Ifølge data fra 1884 til 1996 døde 63 mennesker i Australien, men disse data kan være unøjagtige, og antallet af fatale møder mellem mennesker og havhvepse kan være meget højere. Men ifølge data for 1991-2004, blandt 225 tilfælde, blev kun 8 % af ofrene indlagt på hospitalet, inklusive et dødsfald (et tre-årigt barn).
havhveps
Lad os nu vende tilbage til den undersøgelse, vi kigger på i dag.
Fra cellers synspunkt er den vigtigste proces i hele livet af enhver organisme celleproliferation - processen med vækst af kropsvæv gennem celle reproduktion ved deling. Under kroppens vækst regulerer denne proces stigningen i kropsstørrelse. Og når kroppen er fuldt dannet, regulerer de prolifererende celler den fysiologiske udveksling af celler og udskiftningen af beskadigede med nye.
Cnidarians, som en søstergruppe af bilaterianere og tidlige metazoer, er blevet brugt til at studere evolutionære processer i mange år. Derfor er cnidarians ingen undtagelse med hensyn til spredning. For eksempel under den embryonale udvikling af søanemonen Nematostella vectensis celleproliferation koordineres med epitelorganisering og er involveret i tentakeludvikling.
Nematostella vectensis
Blandt andet er cnidarians, som vi allerede ved, kendt for deres regenerative evner. Hydrapolypper (en slægt af fastsiddende ferskvandscoelenterater fra hydroid-klassen) er blevet betragtet som de mest populære blandt forskere i hundreder af år. Spredning, aktiveret af døende celler, udløser processen med regenerering af hydraens basale hoved. Selve navnet på dette væsen hentyder til et mytisk væsen kendt for sin regenerering - Lernaean Hydra, som Hercules var i stand til at besejre.
Selvom regenerative evner er blevet forbundet med spredning, er det stadig uklart, præcis hvordan denne cellulære proces foregår under normale forhold på forskellige stadier af organismens udvikling.
Vandmænd, som har en kompleks livscyklus bestående af to reproduktionsstadier (vegetativ og seksuel), tjener som en fremragende model til at studere spredning.
I dette arbejde blev rollen som det vigtigste undersøgte individ spillet af vandmænd af arten Cladonema pacificum. Denne art lever ud for Japans kyst. Til at begynde med har denne vandmand 9 hovedtentakler, som begynder at forgrene sig og vokse i størrelse (som hele kroppen) under udvikling til en voksen. Denne funktion giver os mulighed for at studere i detaljer alle de mekanismer, der er involveret i denne proces.
udover Cladonema pacificum Undersøgelsen så også på andre typer vandmænd: Cytaeis uchidae и Rathkea octopunctata.
Forskningsresultater
For at forstå det rumlige mønster af celleproliferation i Cladonema medusa brugte forskerne 5-ethynyl-2'-deoxyuridin (EdU)-farvning, som mærker celler i S-fase* eller celler, der allerede har passeret det.
S-fase* - den fase af cellecyklussen, hvor DNA-replikation finder sted.
I betragtning af det Cladonema øges dramatisk i størrelse og udviser tentakelforgrening under udvikling (1A—1C), kan fordelingen af prolifererende celler ændre sig gennem modningen.
Billede nr. 1: træk ved celleproliferation hos unge Cladonema.
På grund af denne funktion var det muligt at studere mekanismen for celleproliferation hos både unge (dag 1) og kønsmodne (dag 45) vandmænd.
Hos unge vandmænd blev der fundet EdU-positive celler i stort antal i hele kroppen, inklusive skærmskærmen, manubrium (det støtteorgan i mundhulen hos vandmænd) og tentakler, uanset tidspunktet for eksponering for EdU (1D-1K и 1N-1O, EdU: 20 µM (mikromolær) efter 24 timer).
En hel del EdU-positive celler blev fundet i manubrium (1F и 1G), men i paraplyen var deres fordeling meget ensartet, især i den ydre skal af paraplyen (paraply, 1H—1K). I tentaklerne var EdU-positive celler meget klyngede (1N). Brugen af en mitotisk markør (PH3-antistof) gjorde det muligt at verificere, at EdU-positive celler er prolifererende celler. PH3-positive celler blev fundet i både paraplyen og tentakelpæren (1L и 1P).
I tentaklerne blev mitotiske celler hovedsageligt fundet i ektodermen (1P), mens de prolifererende celler i paraplyen var placeret i overfladelaget (1M).
Billede nr. 2: træk ved celleproliferation i modent Cladonema.
Hos både unge og modne individer blev der fundet EdU-positive celler i stort antal i hele kroppen. I skærmbilledet blev EdU-positive celler oftere fundet i det overfladiske lag end i det nederste lag, hvilket svarer til observationer hos unge (2A—2D).
Men i tentaklerne var situationen noget anderledes. EdU-positive celler akkumulerede i bunden af tentaklen (pæren), hvor to klynger blev fundet på hver side af pæren (2E и 2F). Hos unge individer blev lignende ophobninger også observeret (1N), dvs. tentakelløgene kan være hovedområdet for spredning gennem medusoidstadiet. Det er mærkeligt, at i manubrium af voksne individer var antallet af EdU-positive celler signifikant større end hos unge (2G и 2H).
Det mellemliggende resultat er, at celleproliferation kan forekomme ensartet i paraplyen på en vandmand, men i tentaklerne er denne proces meget lokaliseret. Derfor kan det antages, at ensartet celleproliferation kan kontrollere kropsvækst og vævshomeostase, men klynger af prolifererende celler nær tentakelløgene er involveret i tentakelmorfogenese.
Med hensyn til selve kropsudviklingen spiller spredning en vigtig rolle i kroppens vækst.
Billede #3: Betydningen af spredning i processen med kropsvækst af en vandmand.
For at teste dette i praksis overvågede videnskabsmænd kropsvæksten af vandmænd, begyndende med unge individer. Det er nemmest at bestemme størrelsen af en vandmands krop ved dens kuppel, da den vokser jævnt og i direkte proportion til hele kroppen.
Ved normal fodring under laboratorieforhold stiger kuppelstørrelsen kraftigt med 54.8 % i løbet af de første 24 timer – fra 0.62 ± 0.02 mm2 til 0.96 ± 0.02 mm2. I løbet af de næste 5 dages observationer steg størrelsen langsomt og jævnt til 0.98 ± 0.03 mm2 (3А—3С).
Vandmænd fra en anden gruppe, som blev frataget mad, voksede ikke, men krympede (rød linje på grafen 3С). Cellulær analyse af sultende vandmænd viste tilstedeværelsen af et ekstremt lille antal EdU-celler: 1240.6 ± 214.3 hos vandmænd fra kontrolgruppen og 433.6 ± 133 hos sultende (3D—3H). Denne observation kan være et direkte bevis på, at ernæring direkte påvirker spredningsprocessen.
For at teste denne hypotese udførte forskerne et farmakologisk assay, hvor de blokerede cellecyklusprogression ved hjælp af hydroxyurinstof (CH4N2O2), en cellecyklushæmmer, der forårsager G1-stop. Som et resultat af denne indgriben forsvandt de S-faseceller, der tidligere blev påvist ved hjælp af EdU (3I—3L). Vandmænd, der blev udsat for CH4N2O2, viste således ikke kropsvækst, i modsætning til kontrolgruppen (3M).
Den næste fase af undersøgelsen var en detaljeret undersøgelse af vandmændenes forgrenede tentakler for at bekræfte antagelsen om, at lokal spredning af celler i tentaklerne bidrager til deres morfogenese.
Billede nr. 4: virkningen af lokal spredning på vækst og forgrening af vandmænds fangarme.
Tentaklerne på en ung vandmand har en gren, men med tiden stiger deres antal. Under laboratorieforhold steg forgreningen 3 gange på den niende observationsdag (4А и 4С).
Igen, når CH4N2O2 blev brugt, blev der ikke observeret nogen forgrening af tentaklerne, men kun én gren (4B и 4C). Det er mærkeligt, at fjernelse af CH4N2O2 fra vandmænds krop genoprettede processen med forgrening af tentaklerne, hvilket indikerer reversibiliteten af lægemiddelinterventionen. Disse observationer viser tydeligt vigtigheden af spredning for tentakeludvikling.
Cnidarians ville ikke være cnidarians uden nematocytter (cnidocytter, dvs. cnidarians). Hos vandmændsarten Clytia hemisphaerica leverer stamceller i tentakelløgene nematocyster til spidserne af tentaklerne netop på grund af celleproliferation. Naturligvis besluttede videnskabsmænd også at teste denne erklæring.
For at påvise enhver forbindelse mellem nematocyster og proliferation blev der anvendt et nuklear farvningsfarvestof, der kan markere poly-y-glutamat syntetiseret i nematocystvæggen (DAPI, dvs. 4',6-diamidino-2-phenylindol).
Poly-γ-glutamat-farvning gjorde det muligt for os at estimere størrelsen af nematocytter, der spænder fra 2 til 110 μm2 (4D—4G). En række tomme nematocyster blev også identificeret, det vil sige, at sådanne nematocytter var udtømte (4D—4G).
Spredningsaktivitet i vandmænds tentakler blev testet ved at studere hulrum i nematocytter efter cellecyklusblokering med CH4N2O2. Andelen af tomme nematocytter i vandmænd efter lægemiddelintervention var højere end i kontrolgruppen: 11.4 % ± 2.0 % i vandmænd fra kontrolgruppen og 19.7 % ± 2.0 % i vandmænd med CH4N2O2 (4D—4G и 4H). Følgelig, selv efter udmattelse, fortsætter nematocytter aktivt at blive forsynet med proliferationsstamceller, hvilket bekræfter indflydelsen af denne proces ikke kun på udviklingen af tentakler, men også på nematogenesen i dem.
Det mest interessante stadium var studiet af vandmænds regenerative evner. I betragtning af den høje koncentration af proliferative celler i tentakelpæren hos modne vandmænd Cladonema, videnskabsmænd besluttede at studere regenerering af tentakler.
Billede nr. 5: virkningen af spredning på tentakelregenerering.
Efter dissektion af tentaklerne ved basen blev der observeret en regenereringsproces (5A-5D). I løbet af de første 24 timer skete heling i snitområdet (5B). På den anden observationsdag begyndte spidsen at blive længere, og der dukkede grene op (5С). På den femte dag var tentaklen fuldstændig forgrenet (5D), derfor kan tentakelregenerering følge normal tentakelmorfogenese efter forlængelse.
For bedre at studere den indledende fase af regenerering, analyserede forskerne fordelingen af prolifererende celler ved hjælp af PH3-farvning til at visualisere mitotiske celler.
Mens der ofte blev observeret delende celler nær det amputerede område, blev mitotiske celler spredt i uskårne kontrol tentakler (5E и 5F).
Kvantificering af PH3-positive celler til stede i tentakelpærerne afslørede en signifikant stigning i PH3-positive celler i tentakelpærerne hos amputerede sammenlignet med kontroller (5G). Som konklusion er de indledende regenerative processer ledsaget af en aktiv stigning i celleproliferation i tentakelløgene.
Effekten af proliferation på regenerering blev testet ved at blokere celler med CH4N2O2 efter afskæring af tentaklen. I kontrolgruppen forekom tentakelforlængelse efter amputation normalt som forventet. Men i gruppen, hvorpå CH4N2O2 blev påført, forekom forlængelse ikke på trods af normal sårheling (5H). Med andre ord vil helbredelse forekomme under alle omstændigheder, men spredning er nødvendig for korrekt tentaklergenerering.
Endelig besluttede videnskabsmænd at studere spredning i andre arter af vandmænd, nemlig Cytaeis и Rathkea.
Billede #6: Sammenligning af spredning i Cytaeis (venstre) og Rathkea (højre) vandmænd.
У Cytaeis medusa EdU-positive celler blev observeret i manubrium, tentakelløg og den øverste del af paraplyen (6А и 6V). Placering af identificerede PH3-positive celler i Cytaeis meget lig Cladonemadog er der nogle forskelle (6C и 6D). Men kl Rathkea EdU-positive og PH3-positive celler blev fundet næsten udelukkende i området af manubrium og tentakelløg (6E—6H).
Det er også mærkeligt, at prolifererende celler ofte blev opdaget i nyrerne hos vandmænd Rathkea (6E—6G), som afspejler den aseksuelle form for reproduktion af denne art.
Under hensyntagen til den opnåede information kan det antages, at celleproliferation forekommer i tentakelløgene ikke kun hos én art af vandmænd, selvom der er forskelle på grund af forskelle i fysiologi og morfologi.
For et mere detaljeret bekendtskab med nuancerne i undersøgelsen, anbefaler jeg at se på .
Epilog
En af mine yndlings litterære karakterer er Hercule Poirot. Den skarpsindige detektiv var altid særlig opmærksom på små detaljer, som andre syntes var ligegyldige. Forskere er meget som detektiver, der samler alle de beviser, de kan finde, for at besvare alle spørgsmålene i efterforskningen og finde ud af "synderen".
Uanset hvor indlysende det kan lyde, er regenereringen af vandmandsceller direkte relateret til spredning - en integreret proces i udviklingen af celler, væv og som en konsekvens af hele organismen. En mere grundig undersøgelse af denne omfattende proces vil give os mulighed for bedre at forstå de molekylære mekanismer, der ligger til grund for den, som til gengæld vil udvide ikke kun rækken af vores viden, men også direkte påvirke vores liv.
Fredag off-top:
Marts af vandmænd af Aurelia-arten, forstyrret af et rovdyr med det usædvanlige navn "stegteæggemandet", dvs. stegte æg-vandmænd (Planet Earth, voice-over af David Attenborough).
Det er ikke en vandmand, men dette dybhavsvæsen (den pelikanlignende stormund) bliver ikke ofte fotograferet (forskernes reaktion er simpelthen rørende).
Tak fordi du så med, bliv nysgerrig og hav en god weekend alle sammen! 🙂
Tak fordi du blev hos os. Kan du lide vores artikler? Vil du se mere interessant indhold? Støt os ved at afgive en ordre eller anbefale til venner, 30% rabat til Habr-brugere på en unik analog af entry-level servere, som er opfundet af os til dig: (tilgængelig med RAID1 og RAID10, op til 24 kerner og op til 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2 gange billigere? Kun her i Holland! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - fra $99! Læse om
Kilde: www.habr.com