Vor der Hochzeit wird es heilen: die Proliferation von Zellen und die regenerativen Fähigkeiten von Quallen

Was haben Wolverine, Deadpool und die Qualle gemeinsam? Sie alle verfügen über eine erstaunliche Fähigkeit – Regeneration. Natürlich ist diese Fähigkeit in Comics und Filmen, die bei einer extrem begrenzten Anzahl realer Lebewesen vorkommt, leicht (manchmal sogar stark) übertrieben, bleibt aber durchaus realistisch. Und was real ist, kann erklärt werden, weshalb Wissenschaftler der Tohoku-Universität (Japan) sich in ihrer neuen Studie genau damit beschäftigen. Welche Zellprozesse im Körper der Qualle mit der Regeneration verbunden sind, wie dieser Prozess abläuft und welche anderen Superfähigkeiten diese gelartigen Wesen besitzen? Darüber wird uns der Bericht der Forschungsgruppe informieren. Los geht's.

Basis der Forschung

Zunächst erklären die Wissenschaftler, warum sie sich gerade auf Quallen konzentrieren. Der Grund ist, dass die meisten biologischen Studien mit sogenannten Modellorganismen durchgeführt werden: Mäusen, Fruchtfliegen, Würmern, Fischen usw. Doch auf unserem Planeten leben Millionen von Arten, von denen jede über einzigartige Fähigkeiten verfügt. Daher kann der Prozess der zellulären Regeneration nicht vollständig bewertet werden, indem man nur eine Art untersucht und annimmt, dass der untersuchte Mechanismus für alle Wesen auf der Erde allgemein gültig ist.

Wenn es um Quallen geht, vermittelt bereits ihr äußeres Erscheinungsbild ihre Einzigartigkeit, was die Wissenschaftler nicht unberührt lässt. Daher habe ich, bevor ich mit der eigentlichen Dissektion der Studie begann, mich mit ihrem Hauptdarsteller vertraut gemacht.

Mit dem Wort „Qualle“, das wir für das Wesen an sich verwenden, bezeichnen wir tatsächlich nur eine Lebenszyklusphase von Tieren aus dem Untertyp Medusozoa. Die Nesseltiere erhielten ihren ungewöhnlichen Namen aufgrund der Anwesenheit von Nesselzellen (Nematocyst) in ihrem Körper, die zum Jagen und zur Selbstverteidigung verwendet werden. Einfach ausgedrückt, wenn Sie von einer Qualle gestochen werden, können Sie genau diesen Zellen für den Schmerz und das Leiden danken.

Nesselzellen enthalten Nematocysten – intrazelluläre Organellen, die für den „stichenden“ Effekt verantwortlich sind. Aufgrund ihres Aussehens und der jeweiligen Anwendungsmethode werden verschiedene Typen von Nesselzellen unterschieden, unter denen folgende hervorzuheben sind:

• Penetranten sind Fäden mit spitzen Enden, die sich wie Speere in den Körper des Opfers oder des Angreifers bohren und ein Neurotoxin injizieren;
• Glutinanten sind klebrige und lange Fäden, die das Opfer umhüllen (nicht die angenehmsten Umarmungen);
• Vollvanten sind kurze Fäden, in denen sich das Opfer leicht verfangen kann.

Diese unkonventionelle Waffe erklärt sich dadurch, dass Quallen, obwohl sie anmutig sind, nicht besonders schnelle Wesen sind. Das Neurotoxin, das in den Körper der Beute gelangt, lähmt sie sofort, was der Qualle viel Zeit für eine Mittagspause gibt.

Eine Qualle nach erfolgreicher Jagd.

Neben der ungewöhnlichen Jagd- und Verteidigungsmethode haben Quallen eine sehr ungewöhnliche Fortpflanzung. Männchen produzieren Spermien, während Weibchen Eizellen produzieren, aus deren Verschmelzung Planulae (Larven) entstehen, die sich am Boden absetzen. Nach einiger Zeit wächst aus der Larve ein Polyp, von dem, sobald er seine Reife erreicht, buchstäblich junge Quallen abgeschnürt werden (es handelt sich eigentlich um Knospung). So gibt es mehrere Stadien im Lebenszyklus, von denen eines die Qualle oder medusoide Generation ist.

Die haarige Cyanea, auch bekannt als "Löwenmähne."

Wenn die haarige Cyanea gefragt würde, wie sie die Jagdeffizienz steigern könnte, würde sie antworten – mehr Tentakel. Insgesamt hat sie etwa 60 (Cluster aus 15 Tentakeln an jeder Ecke des Schirms). Darüber hinaus gilt diese Art von Qualle als die größte, denn der Durchmesser des Schirms kann bis zu 2 Meter erreichen, und die Tentakel können sich während der Jagd bis zu 20 Meter strecken. Glücklicherweise ist diese Art nicht besonders "giftig", daher ist sie für den Menschen nicht tödlich.

Die Würfelqualle würde zusätzlich zur Menge auch die Qualität erhöhen. Diese Art von Quallen hat ebenfalls 15 Tentakeln (3 m lang) an jeder der vier Ecken des Schirms, aber ihr Gift ist um das Viele stärkere als das ihrer größeren Verwandten. Man geht davon aus, dass das Neurotoxin im Körper der Würfelqualle ausreicht, um 60 Menschen in 3 Minuten zu töten. Diese Bedrohung der Meere lebt in der Küstenzone von Nordaustralien und Neuseeland. Den Daten aus der Zeit von 1884 bis 1996 zufolge starben in Australien 63 Menschen, aber diese Zahlen können ungenau sein und die Zahl der tödlichen Begegnungen zwischen Mensch und Würfelqualle könnte viel höher sein. Laut Daten aus den Jahren 1991-2004 waren unter 225 Fällen nur 8% der Verletzten hospitalisiert, darunter war ein tödlicher Fall (ein dreijähriges Kind).

Würfelqualle

Und jetzt kehren wir zu der Forschung zurück, die wir heute betrachten.

Aus zellulärer Sicht ist der wichtigste Prozess in jedem Organismus die Zellproliferation – der Prozess des Gewebewachstums durch Zellteilung. Während des Wachstums des Organismus regelt dieser Prozess die Größenzunahme des Körpers. Wenn der Organismus vollständig ausgebildet ist, regulieren die proliferierenden Zellen den physiologischen Austausch von Zellen und ersetzen beschädigte durch neue.

Nesseltiere, als verwandte Gruppe der bilateralen und frühen Zweige der Entwicklung vielzelliger Organismen, wurden seit vielen Jahren zur Untersuchung evolutionärer Prozesse verwendet. Daher sind Nesseltiere keine Ausnahme im Aspekt der Proliferation. Zum Beispiel während der embryonalen Entwicklung der Seeanemone Nematostella vectensis wird die Zellproliferation mit der Organisation des Epithels koordiniert und ist an der Entwicklung der Tentakeln beteiligt.

Nematostella vectensis

Nebenbei sind Nesseltiere, wie wir bereits wissen, für ihre regenerativen Fähigkeiten bekannt. Unter Forschern sind seit Hunderten von Jahren die Polypen der Hydra (eine Art von süßwasserlebenden sessilen Nesseltiere aus der Klasse der Hydrozoen) die bekanntesten. Die durch sterbende Zellen aktivierte Proliferation löst den Regenerationsprozess des basalen Kopfes der Hydra aus. Der Name dieses Wesens deutet auf eine mythische Kreatur hin, die für ihre Regeneration bekannt ist - die Lernaeische Hydra, die Herakles besiegen konnte.

Obwohl es gelungen ist, die regenerativen Fähigkeiten an die Proliferation zu koppeln, bleibt unklar, wie genau dieser Zellprozess unter normalen Bedingungen in verschiedenen Entwicklungsstadien des Organismus abläuft.

Qualle, die einen komplexen Lebenszyklus mit zwei Fortpflanzungsphasen (vegetativ und sexuell) hat, dient als hervorragendes Modell zur Untersuchung der Proliferation.

In dieser Studie spielte die Qualle der Art Cladonema pacificum die Hauptrolle. Diese Art lebt vor der Küste Japans. Ursprünglich hat diese Qualle 9 Haupttentakeln, die während der Entwicklung zum erwachsenen Tier zu verzweigen beginnen und an Größe zunehmen (wie auch der gesamte Körper). Dieses Merkmal ermöglicht es, alle Mechanismen detailliert zu untersuchen, die an diesem Prozess beteiligt sind.

Zusätzlich zu Cladonema pacificum In der Studie wurden auch andere Quallenarten betrachtet: Cytaeis uchidae und Rathkea octopunctata.

Ergebnisse der Studie

Um die räumliche Regelmäßigkeit der Zellproliferation in der Cladonema-Qualle zu verstehen, verwendeten die Wissenschaftler die Färbung mit 5-Ethinyl-2’-Desoxyruridin (EdU), das die Zellen in der S-Phase* oder Zellen, die diese Phase bereits durchlaufen haben, markiert.

S-Phase* — ist die Phase des Zellzyklus, in der die DNA-Replikation stattfindet.

Angesichts dessen, dass Cladonema während der Entwicklung (1A—1C) erheblich an Größe zunimmt und Tentakel zeigt, kann die Verteilung der proliferierenden Zellen während der gesamten Reifung variieren.

Bild Nr. 1: Merkmale der Zellproliferation bei jungen Cladonema.

Dank dieses Merkmals konnte der Mechanismus der Zellproliferation sowohl bei jungen (Tag 1) als auch bei geschlechtsreifen (Tag 45) Quallen untersucht werden.

Bei jungen Quallen wurden die EdU-positiven Zellen in großer Zahl im gesamten Körper gefunden, einschließlich des Schirms, des Manubriums (stützendes Organ für den Mund der Quallen) und der Tentakel, unabhängig von der Expositionsdauer gegenüber EdU (1D–1K und 1N–1O, EdU: 20 μM (Mikromolar) nach 24 Stunden).

Im Manubrium wurden relativ wenige EdU-positive Zellen gefunden (1F und 1G), während ihre Verteilung im Schirm sehr gleichmäßig war, insbesondere in der äußeren Schicht des Schirms (exumbrella, 1H—1K). In den Tentakeln waren die EdU-positiven Zellen stark aggregiert (1N). Die Anwendung des mitotischen Markers (Antikörper PH3) hat bestätigt, dass die EdU-positiven Zellen tatsächlich proliferierende Zellen sind. Es wurden PH3-positive Zellen sowohl im Schirm als auch in der Knolle des Tentakels entdeckt (1L und 1P).

In den Tentakeln wurden mitotische Zellen hauptsächlich im Ektoderm gefunden (1P), während die proliferierenden Zellen im Schirm in der obersten Schicht lokalisiert waren (1M).

Abbildung Nr. 2: Merkmale der Zellproliferation bei geschlechtsreifen Cladonema.

Wie bei jungen Individuen wurden auch bei geschlechtsreifen EdU-positive Zellen in großer Zahl im gesamten Körper gefunden. Im Schirm waren EdU-positive Zellen häufiger in der obersten Schicht als in der unteren, was den Beobachtungen bei jungen Individuen ähnelt (2A—2D).

Die Situation in den Tentakeln war jedoch etwas anders. EdU-positive Zellen sammelten sich an der Basis des Tentakels (Knolle), wo zwei Cluster auf beiden Seiten der Knolle entdeckt wurden (2E und 2F). Bei jungen Individuen wurden ähnliche Ansammlungen ebenfalls beobachtet (1N), d.h. die Knollen der Tentakeln könnten während der gesamten Medusoid-Phase die Hauptzone der Proliferation darstellen. Interessanterweise war die Anzahl der EdU-positiven Zellen im Manubrium bei geschlechtsreifen Individuen deutlich höher als bei jungen (2G und 2H).

Die Zwischenbilanz zeigt, dass die Zellproliferation gleichmäßig im Schirm der Meduse erfolgen kann, während dieser Prozess in den Tentakeln sehr lokalisiert ist. Daher kann angenommen werden, dass die gleichmäßige Proliferation von Zellen das Wachstum des Körpers und den Gewebe-Homöostase kontrolliert, während die Ansammlungen proliferierender Zellen in der Nähe der Knollen der Tentakeln an der Morphogenese der Tentakeln beteiligt sind.

Im Hinblick auf die Körperentwicklung spielt die Proliferation eine wichtige Rolle beim Wachstum des Körpers.

Abbildung Nr. 3: Die Bedeutung der Proliferation im Wachstumsprozess des Meduskörpers.

Um dies praktisch zu überprüfen, verfolgten die Wissenschaftler das Wachstum von Medusen, beginnend mit jungen Individuen. Die Körpergröße einer Meduse lässt sich am besten an ihrem Schirm bestimmen, da dieser gleichmäßig und proportional zum gesamten Körper wächst.

Bei normaler Fütterung unter Laborbedingungen erhöht sich die Schirmgröße innerhalb der ersten 24 Stunden drastisch um 54,8 % — von 0,62 ± 0,02 mm² auf 0,96 ± 0,02 mm². In den folgenden 5 Tagen der Beobachtungen wuchs die Größe langsam und stetig auf 0,98 ± 0,03 mm² (3A—3C).

Qual andere Gruppen von Quallen, die von Nahrung abgeschnitten waren, wuchsen nicht, sondern schrumpften (rote Linie im Diagramm 3C). Die Zellanalyse der hungernden Quallen zeigte eine extrem geringe Anzahl von EdU-Zellen: 1240,6 ± 214,3 bei Quallen aus der Kontrollgruppe und 433,6 ± 133 bei den hungernden (3D—3H). Diese Beobachtung könnte ein unmittelbarer Beweis dafür sein, dass die Nahrungsaufnahme direkt den Prozess der Proliferation beeinflusst.

Um diese Hypothese zu überprüfen, führten die Wissenschaftler eine pharmakologische Analyse durch, während derer sie den Fortschritt des Zellzyklus mit Hydroxycarbamid (CH4N2O2) – einem Inhibitor des Zellzyklus, der die G1-Phase stoppt – blockierten. Infolge dieses Eingriffs verschwanden die zuvor mit EdU nachgewiesenen S-Phasen-Zellen (3I—3L). Somit zeigten die Quallen, die CH4N2O2 ausgesetzt waren, im Gegensatz zur Kontrollgruppe kein Körperwachstum (3М).

: Der nächste Schritt der Forschung war eine detaillierte Untersuchung der verzweigten Tentakeln der Quallen, um die Annahme zu bestätigen, dass die lokale Proliferation der Zellen in den Tentakeln zu ihrem Morphogenese beiträgt.

Bild Nr. 4: Der Einfluss der lokalen Proliferation auf das Wachstum und die Verzweigung der Tentakeln der Quallen.

Die Tentakeln einer jungen Qualle haben einen Zweig, aber im Laufe der Zeit erhöht sich ihre Zahl. Unter Laborbedingungen nahm die Verzweigung am neunten Tag der Beobachtungen um das Dreifache zu (4A und 4С).

Wiederum wurde bei Verwendung von CH4N2O2 keine Verzweigung der Tentakeln beobachtet, sondern es gab nur einen Zweig (4B und 4C). Interessanterweise stellte das Entfernen von CH4N2O2 aus dem Körper der Quallen den Verzweigungsprozess der Tentakeln wieder her, was auf die Reversibilität des medikamentösen Eingriffs hinweist. Diese Beobachtungen weisen klar auf die Bedeutung der Proliferation für die Entwicklung der Tentakeln hin.

Nesseltiere wären keine Nesseltiere ohne Nematocysten (Cnidocyten, d.h. Nesselzellen). Bei der Qualle der Art Clytia hemisphaerica liefern Stammzellen in den Zwiebeln der Tentakeln die Nematocysten an die Spitzen der Tentakeln durch Proliferation der Zellen. Natürlich wollten die Wissenschaftler auch diese Behauptung überprüfen.

Um eine Verbindung zwischen Nematocysten und Proliferation nachzuweisen, wurde ein nukleär färbender Farbstoff verwendet, der Poly-γ-Glutamat, das in der Wand des Nematocysten synthetisiert wird, markieren kann (DAPI, d.h. 4’,6-Diamidino-2-phenylindol).

Färbung von Poly-γ-Glutamat ermöglichte die Bewertung der Größe der Nematocysten, die zwischen 2 und 110 μm² variiert (4D—4G). Es wurde auch eine gewisse Anzahl leerer Nematocysten festgestellt, das heißt, solche Nematocysten waren erschöpft (4D—4G).

Die Proliferationsaktivität in den Tentakeln der Medusen wurde durch Untersuchung der Hohlräume in den Nematocysten nach der Blockierung des Zellzyklus mittels CH4N2O2 überprüft. Der Anteil der leeren Nematocysten bei Medusen nach der medikamentösen Intervention war höher als in der Kontrollgruppe: 11,4 % ± 2,0 % bei Medusen der Kontrollgruppe und 19,7 % ± 2,0 % bei Medusen mit CH4N2O2 (4D—4G und 4H). Folglich versorgen sich die Nematocysten auch nach Erschöpfung weiterhin aktiv mit Vorläuferzellen durch Proliferation, was den Einfluss dieses Prozesses nicht nur auf die Entwicklung der Tentakeln, sondern auch auf den Nematogenese in ihnen bestätigt.

Das interessanteste war jedoch der Teil der Untersuchung der regenerativen Fähigkeiten von Medusen. Angesichts der hohen Konzentration proliferativer Zellen in der Zwiebel des Tentakels bei reifen Medusen Cladonema, beschlossen die Wissenschaftler, die Regeneration genau der Tentakeln zu untersuchen.

Bild Nr. 5: Einfluss der Proliferation auf die Regeneration der Tentakeln.

Nach der Durchführung der Dissektion der Tentakel wurde an der Basis der Regenerationsprozess beobachtet (5A–5D). Während der ersten 24 Stunden fand die Heilung im Bereich des Schnitts statt (5B). Am zweiten Tag der Beobachtungen begann die Spitze sich zu verlängern und es traten Verzweigungen auf (5С). Am fünften Tag war der Tentakel vollständig verzweigt (5D), folglich kann die Regeneration des Tentakels dem normalen Morphogenese des Tentakels nach der Verlängerung folgen.

Um die Anfangsphase der Regeneration besser zu untersuchen, analysierten die Wissenschaftler die Verteilung proliferierender Zellen unter Verwendung von PH3-Färbung zur Visualisierung mitotischer Zellen.

Während Teilungszellen häufig in der Nähe des amputierten Bereichs beobachtet wurden, waren mitotische Zellen in den nicht durchtrennten Kontrollzwiebeln mit Tentakeln dispergiert (5E und 5F).

Die quantitative Bewertung der PH3-positiven Zellen, die in den Zwiebeln der Tentakel vorhanden sind, zeigte einen signifikanten Anstieg der PH3-positiven Zellen in den Zwiebeln der Tentakel bei Individuen mit amputierten Gliedmaßen im Vergleich zur Kontrollgruppe (5G.). Es kann somit geschlussfolgert werden, dass die anfänglichen regenerativen Prozesse mit einem aktiven Anstieg der Proliferation von Zellen in den Zwiebeln der Tentakel einhergehen.

Die Blockierung von Zellen mithilfe von CH4N2O2 nach der Amputation eines Tentakels ermöglichte es, den Einfluss der Proliferation auf die Regeneration zu überprüfen. Bei der Kontrollgruppe trat eine normale Verlängerung des Tentakels nach der Amputation ein, wie erwartet. Bei der Gruppe, die CH4N2O2 erhielt, fand jedoch keine Verlängerung statt, trotz der normalen Wundheilung (5H). Mit anderen Worten, die Heilung erfolgt in jedem Fall, aber für die richtige Regeneration des Tentakels ist eine Proliferation notwendig.

Abschließend beschlossen die Wissenschaftler, die Proliferation bei anderen Arten von Quallen zu untersuchen, nämlich bei Cytaeis und Rathkea.

Bild Nr. 6: Vergleich der Proliferation bei den Quallenarten Cytaeis (links) und Rathkea (rechts).

Der Cytaeis EdU-positive Zellen wurden im Manubrium, den Tentakelknollen und im oberen Teil des Schirms beobachtet (6А und 6B). Die Lage der gefundenen PH3-positiven Zellen bei Cytaeis ist sehr ähnlich wie bei Cladonema, es gibt jedoch einige Unterschiede (6C und 6D). Bei den Rathkea wurden EdU-positive und PH3-positive Zellen fast ausschließlich im Bereich des Manubrium und der Tentakelknollen gefunden (6E—6H).

Es ist auch interessant, dass proliferierende Zellen häufig in den Nieren der Qualle festgestellt wurden Rathkea (6E—6G), was den ungeschlechtlichen Fortpflanzungstyp dieser Art widerspiegelt.

Aufgrund der Informationen kann man annehmen, dass die Zellproliferation in den Tentakelknollen nicht nur bei einer Quallenart stattfindet, obwohl es Unterschiede gibt, die durch physiologische und morphologische Varianz bedingt sind.

Für eine detailliertere Auseinandersetzung mit den Nuancen der Studie empfehle ich einen Blick in den Bericht der Wissenschaftler.

Epilog

Eine meiner liebsten literarischen Figuren ist Hercule Poirot. Der scharfsinnige Detektiv achtete immer besonders auf kleine Details, die anderen unbedeutend erschienen. Wissenschaftler erinnern in vielerlei Hinsicht an Detektive, die alle möglichen Beweise sammeln, um alle Fragen der Untersuchung zu beantworten und den "Übeltäter" zu entlarven.

So offensichtlich es auch klingt, die Regeneration von Quellenzellen steht in direktem Zusammenhang mit der Proliferation – einem unverzichtbaren Prozess in der Entwicklung von Zellen, Geweben und damit des gesamten Organismus. Eine genauere Untersuchung dieses umfassenden Prozesses wird ein besseres Verständnis der zugrunde liegenden molekularen Mechanismen ermöglichen, was wiederum nicht nur unser Wissen erweitern, sondern auch direkt unser Leben beeinflussen kann.

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Quelle: habr.com