Was haben Wolverine, Deadpool und Jellyfish gemeinsam? Sie alle verfügen über eine erstaunliche Funktion – die Regeneration. Natürlich wird in Comics und Filmen diese Fähigkeit, die bei einer äußerst begrenzten Anzahl real lebender Organismen üblich ist, leicht (und manchmal stark) übertrieben, aber sie bleibt sehr real. Und was real ist, kann erklärt werden, was Wissenschaftler der Tohoku-Universität (Japan) in ihrer neuen Studie beschlossen haben. Welche zellulären Prozesse im Körper einer Qualle sind mit der Regeneration verbunden, wie läuft dieser Prozess ab und welche weiteren Superkräfte haben diese quallenähnlichen Kreaturen? Der Bericht der Forschungsgruppe wird uns darüber informieren. Gehen.
Forschungsgrundlage
Zunächst erklären Wissenschaftler, warum sie sich entschieden haben, ihre Aufmerksamkeit auf Quallen zu richten. Tatsache ist, dass die meisten Forschungen auf dem Gebiet der Biologie unter Beteiligung sogenannter Modellorganismen durchgeführt werden: Mäuse, Fruchtfliegen, Würmer, Fische usw. Aber auf unserem Planeten leben Millionen von Arten, von denen jede über die eine oder andere einzigartige Fähigkeit verfügt. Folglich ist es unmöglich, den Prozess der Zellregeneration durch die Untersuchung nur einer Art vollständig zu bewerten und davon auszugehen, dass der untersuchte Mechanismus allen Lebewesen auf der Erde gemeinsam ist.
Was Quallen betrifft, so sprechen diese Kreaturen schon durch ihr Aussehen von ihrer Einzigartigkeit, die die Aufmerksamkeit von Wissenschaftlern auf sich ziehen muss. Deshalb traf ich, bevor ich mit der Analyse der eigentlichen Forschung begann, ihre Hauptfigur.
Das Wort „Qualle“, mit dem wir das Lebewesen als solches bezeichnen, bezieht sich eigentlich nur auf das Stadium im Lebenszyklus der Nesseltier-Unterart Medusozoen. Nesseltiere erhielten diesen ungewöhnlichen Namen aufgrund des Vorhandenseins von Nesselzellen (Nesselzellen) in ihrem Körper, die zur Jagd und Selbstverteidigung eingesetzt werden. Einfach ausgedrückt: Wenn Sie von einer Qualle gestochen werden, können Sie diesen Zellen für den Schmerz und das Leid danken.
Nesselzellen enthalten Nesselzysten, ein intrazelluläres Organell, das für den „stechenden“ Effekt verantwortlich ist. Je nach Aussehen und entsprechend der Art der Anwendung werden verschiedene Arten von Nesselzellen unterschieden, darunter:
- Penetriermittel – Fäden mit spitzen Enden, die den Körper des Opfers oder Täters wie Speere durchbohren und ein Neurotoxin injizieren;
- Glutinantien – klebrige und lange Fäden, die das Opfer umhüllen (nicht die angenehmste Umarmung);
- Volvents sind kurze Fäden, in denen sich das Opfer leicht verfangen kann.
Solche nicht standardmäßigen Waffen werden durch die Tatsache erklärt, dass Quallen zwar anmutig, aber keine besonders flinken Kreaturen sind. Das in den Körper der Beute eindringende Neurotoxin lähmt diesen sofort, was der Qualle viel Zeit für eine Mittagspause gibt.
Qualle nach erfolgreicher Jagd.
Zusätzlich zu ihrer ungewöhnlichen Jagd- und Verteidigungsmethode weisen Quallen eine sehr ungewöhnliche Fortpflanzung auf. Männchen produzieren Spermien und Weibchen produzieren Eier, nach deren Verschmelzung sich Planulae (Larven) bilden, die sich am Boden absetzen. Nach einiger Zeit wächst aus der Larve ein Polyp, von dem junge Quallen bei Erreichen der Reife buchstäblich abbrechen (tatsächlich kommt es zu einer Knospung). Daher gibt es mehrere Phasen im Lebenszyklus, von denen eine die Quallen- oder Medusoidgeneration ist.
Haarige Cyanea, auch Löwenmähne genannt.
Wenn die haarige Cyanea gefragt würde, wie sie die Effizienz der Jagd steigern könne, würde sie antworten: mehr Tentakel. Insgesamt gibt es etwa 60 davon (Gruppen von 15 Tentakeln an jeder Ecke der Kuppel). Darüber hinaus gilt diese Quallenart als die größte, da der Durchmesser der Kuppel 2 Meter erreichen kann und die Tentakel bei der Jagd bis zu 20 Meter lang werden können. Glücklicherweise ist diese Art nicht besonders „giftig“ und daher für den Menschen nicht tödlich.
Die Seewespe wiederum würde Qualität zur Quantität hinzufügen. Diese Quallenart hat ebenfalls 15 Tentakel (3 m lang) an jeder der vier Ecken der Kuppel, ihr Gift ist jedoch um ein Vielfaches stärker als das ihres großen Verwandten. Es wird angenommen, dass die Seewespe über genügend Nervengift verfügt, um in drei Minuten 60 Menschen zu töten. Dieses Meeresgewitter lebt in der Küstenzone Nordaustraliens und Neuseelands. Laut Daten von 3 bis 1884 starben in Australien 1996 Menschen, diese Daten könnten jedoch ungenau sein und die Zahl der tödlichen Begegnungen zwischen Menschen und Seewespen könnte viel höher sein. Den Daten für 63–1991 zufolge wurden jedoch von 2004 Fällen nur 225 % der Opfer ins Krankenhaus eingeliefert, darunter ein Todesfall (ein dreijähriges Kind).
Seewespe
Kommen wir nun zurück zu der Studie, die wir heute betrachten.
Aus der Sicht der Zellen ist der wichtigste Prozess im gesamten Leben eines Organismus die Zellproliferation – der Prozess des Wachstums von Körpergewebe durch Zellreproduktion durch Teilung. Während des Wachstums des Körpers reguliert dieser Prozess die Zunahme der Körpergröße. Und wenn der Körper vollständig ausgebildet ist, regulieren die proliferierenden Zellen den physiologischen Zellaustausch und den Ersatz beschädigter Zellen durch neue.
Nesseltiere werden als Schwestergruppe der Bilaterier und frühen Metazoen seit vielen Jahren zur Untersuchung evolutionärer Prozesse eingesetzt. Daher sind Nesseltiere in Bezug auf die Verbreitung keine Ausnahme. Beispielsweise während der Embryonalentwicklung der Seeanemone Nematostella vectensis Die Zellproliferation ist mit der Epithelorganisation koordiniert und an der Tentakelentwicklung beteiligt.
Nematostella vectensis
Nesseltiere sind, wie wir bereits wissen, unter anderem für ihre regenerativen Fähigkeiten bekannt. Hydra-Polypen (eine Gattung sessiler Hohltiere aus der Klasse der Hydroiden) gelten seit Hunderten von Jahren als die beliebtesten unter Forschern. Die durch absterbende Zellen aktivierte Proliferation löst den Regenerationsprozess des Basalkopfes der Hydra aus. Der Name dieser Kreatur spielt auf ein mythisches Wesen an, das für seine Regeneration bekannt ist – die lernäische Hydra, die Herkules besiegen konnte.
Obwohl regenerative Fähigkeiten mit der Proliferation in Verbindung gebracht werden, bleibt unklar, wie genau dieser zelluläre Prozess unter normalen Bedingungen in verschiedenen Stadien der Organismenentwicklung abläuft.
Quallen, deren komplexer Lebenszyklus aus zwei Fortpflanzungsstadien (vegetativ und sexuell) besteht, dienen als hervorragendes Modell für die Untersuchung der Proliferation.
In dieser Arbeit spielte die Qualle der Art Cladonema pacificum die Rolle des hauptsächlich untersuchten Individuums. Diese Art lebt vor der Küste Japans. Anfangs hat diese Qualle 9 Haupttentakel, die sich während der Entwicklung zum Erwachsenen zu verzweigen beginnen und (wie der ganze Körper) an Größe zunehmen. Diese Funktion ermöglicht es uns, alle an diesem Prozess beteiligten Mechanismen im Detail zu untersuchen.
Neben dem Cladonema pacificum Die Studie untersuchte auch andere Quallenarten: Cytaeis uchidae и Rathkea octopunctata.
Ergebnisse der Studie
Um das räumliche Muster der Zellproliferation in Cladonema medusa zu verstehen, verwendeten die Wissenschaftler die 5-Ethinyl-2'-desoxyuridin (EdU)-Färbung, die Zellen markiert S-Phase* oder Zellen, die es bereits passiert haben.
S-Phase* - die Phase des Zellzyklus, in der die DNA-Replikation stattfindet.
Da Cladonema nimmt dramatisch an Größe zu und zeigt während der Entwicklung eine Tentakelverzweigung (1A-1C) kann sich die Verteilung der proliferierenden Zellen während der Reifung ändern.
Bild Nr. 1: Merkmale der Zellproliferation bei jungen Cladonema.
Aufgrund dieser Eigenschaft war es möglich, den Mechanismus der Zellproliferation sowohl bei jungen (Tag 1) als auch bei geschlechtsreifen (Tag 45) Quallen zu untersuchen.
Bei jungen Quallen wurden EdU-positive Zellen in großer Zahl im gesamten Körper gefunden, einschließlich der Dolde, des Manubriums (dem Stützorgan der Mundhöhle bei Quallen) und der Tentakel, unabhängig vom Zeitpunkt der EdU-Exposition (1D-1K и 1N-1O, EdU: 20 µM (mikromolar) nach 24 Stunden).
Im Manubrium wurden zahlreiche EdU-positive Zellen gefunden (1F и 1G), aber im Schirm war ihre Verteilung sehr gleichmäßig, insbesondere in der Außenhülle des Schirms (Exumbrella, 1H-1K). In den Tentakeln waren EdU-positive Zellen stark gehäuft (1N). Durch die Verwendung eines mitotischen Markers (PH3-Antikörper) konnte nachgewiesen werden, dass es sich bei EdU-positiven Zellen um proliferierende Zellen handelt. Sowohl im Schirm als auch in der Tentakelknolle wurden PH3-positive Zellen gefunden (1L и 1P).
In den Tentakeln wurden mitotische Zellen hauptsächlich im Ektoderm gefunden (1P), während sich im Regenschirm die proliferierenden Zellen in der Oberflächenschicht befanden (1M).
Bild Nr. 2: Merkmale der Zellproliferation im reifen Cladonema.
Sowohl bei jungen als auch bei erwachsenen Personen wurden EdU-positive Zellen in großer Zahl im gesamten Körper gefunden. In der Dolde wurden EdU-positive Zellen häufiger in der oberflächlichen Schicht als in der unteren Schicht gefunden, was den Beobachtungen bei Jungtieren ähnelt (2A-2D).
Bei den Tentakeln war die Situation jedoch etwas anders. EdU-positive Zellen sammelten sich an der Basis des Tentakels (Zwiebel), wo zwei Ansammlungen auf beiden Seiten der Knolle gefunden wurden (2E и 2F). Auch bei jungen Individuen wurden ähnliche Häufungen beobachtet (1N), d.h. Die Tentakelknollen könnten im gesamten Medusoidstadium der Hauptvermehrungsbereich sein. Es ist merkwürdig, dass im Manubrium erwachsener Individuen die Anzahl der EdU-positiven Zellen deutlich größer war als bei Jungtieren (2G и 2H).
Das Zwischenergebnis ist, dass die Zellproliferation im Schirm einer Qualle gleichmäßig erfolgen kann, in den Tentakeln ist dieser Prozess jedoch sehr lokal begrenzt. Daher kann davon ausgegangen werden, dass eine gleichmäßige Zellproliferation das Körperwachstum und die Gewebehomöostase steuern kann, aber Ansammlungen proliferierender Zellen in der Nähe der Tentakelknollen sind an der Tentakelmorphogenese beteiligt.
Im Hinblick auf die Körperentwicklung selbst spielt die Proliferation eine wichtige Rolle beim Körperwachstum.
Bild Nr. 3: Die Bedeutung der Proliferation im Prozess des Körperwachstums einer Qualle.
Um dies in der Praxis zu testen, überwachten Wissenschaftler das Körperwachstum von Quallen, angefangen bei jungen Individuen. Die Körpergröße einer Qualle lässt sich am einfachsten anhand ihrer Kuppel bestimmen, da sie gleichmäßig und im direkten Verhältnis zum gesamten Körper wächst.
Bei normaler Fütterung unter Laborbedingungen nimmt die Kuppelgröße in den ersten 54.8 Stunden stark um 24 % zu – von 0.62 ± 0.02 mm2 auf 0.96 ± 0.02 mm2. Im Laufe der nächsten 5 Beobachtungstage nahm die Größe langsam und gleichmäßig auf 0.98 ± 0.03 mm2 zu (3А-3S).
Quallen einer anderen Gruppe, denen die Nahrung entzogen wurde, wuchsen nicht, sondern schrumpften (rote Linie in der Grafik). 3S). Die Zellanalyse hungernder Quallen zeigte das Vorhandensein einer äußerst geringen Anzahl von EdU-Zellen: 1240.6 ± 214.3 bei Quallen aus der Kontrollgruppe und 433.6 ± 133 bei hungernden Quallen (3D-3H). Diese Beobachtung könnte ein direkter Beweis dafür sein, dass die Ernährung den Proliferationsprozess direkt beeinflusst.
Um diese Hypothese zu testen, führten die Wissenschaftler einen pharmakologischen Test durch, bei dem sie das Fortschreiten des Zellzyklus mit Hydroxyharnstoff (CH4N2O2) blockierten, einem Zellzyklusinhibitor, der einen G1-Stillstand verursacht. Als Ergebnis dieses Eingriffs verschwanden die zuvor mit EdU nachgewiesenen S-Phase-Zellen (3I-3L). Somit zeigten Quallen, die CH4N2O2 ausgesetzt waren, im Gegensatz zur Kontrollgruppe kein Körperwachstum (3M).
Der nächste Schritt der Studie war eine detaillierte Untersuchung der verzweigten Tentakel von Quallen, um die Annahme zu bestätigen, dass die lokale Proliferation von Zellen in den Tentakeln zu ihrer Morphogenese beiträgt.
Bild Nr. 4: Die Auswirkung der lokalen Proliferation auf das Wachstum und die Verzweigung von Quallententakeln.
Die Tentakel einer jungen Qualle haben einen Zweig, aber mit der Zeit nimmt ihre Zahl zu. Unter Laborbedingungen nahm die Verzweigung am neunten Beobachtungstag um das Dreifache zu (4А и 4S).
Auch hier wurde bei Verwendung von CH4N2O2 keine Verzweigung der Tentakeln beobachtet, sondern nur eine Verzweigung (4B и 4C). Es ist merkwürdig, dass die Entfernung von CH4N2O2 aus dem Körper der Qualle den Prozess der Verzweigung der Tentakel wiederherstellte, was auf die Reversibilität des medikamentösen Eingriffs hinweist. Diese Beobachtungen zeigen deutlich die Bedeutung der Proliferation für die Tentakelentwicklung.
Nesseltiere wären keine Nesseltiere ohne Nematozyten (Nesselzellen, d. h. Nesseltiere). Bei der Quallenart Clytia hemisphaerica versorgen Stammzellen in den Tentakelknollen genau durch Zellproliferation Nematozysten an den Tentakelspitzen. Natürlich beschlossen die Wissenschaftler, auch diese Aussage zu überprüfen.
Um einen Zusammenhang zwischen Nematozysten und Proliferation festzustellen, wurde ein Kernfärbefarbstoff verwendet, der in der Nematozystenwand synthetisiertes Poly-γ-glutamat markieren kann (DAPI, d. h. 4′,6-Diamidino-2-phenylindol).
Mithilfe der Poly-γ-Glutamat-Färbung konnten wir die Größe der Nematozyten im Bereich von 2 bis 110 μm2 abschätzen (4D-4G). Es wurde auch eine Reihe leerer Nematozysten identifiziert, d. h. solche Nematozyten waren erschöpft (4D-4G).
Die Proliferationsaktivität in Quallententakeln wurde durch die Untersuchung von Hohlräumen in Nematozyten nach Blockierung des Zellzyklus mit CH4N2O2 getestet. Der Anteil leerer Nematozyten war bei Quallen nach medikamentöser Intervention höher als in der Kontrollgruppe: 11.4 % ± 2.0 % bei Quallen aus der Kontrollgruppe und 19.7 % ± 2.0 % bei Quallen mit CH4N2O2 (4D-4G и 4H). Folglich werden Nematozyten auch nach Erschöpfung weiterhin aktiv mit Proliferationsvorläuferzellen versorgt, was den Einfluss dieses Prozesses nicht nur auf die Entwicklung von Tentakeln, sondern auch auf die Nematogenese in ihnen bestätigt.
Der interessanteste Schritt war die Untersuchung der Regenerationsfähigkeiten von Quallen. In Anbetracht der hohen Konzentration proliferativer Zellen im Tentakelknollen ausgewachsener Quallen Cladonema, beschlossen Wissenschaftler, die Regeneration von Tentakeln zu untersuchen.
Bild Nr. 5: Die Auswirkung der Proliferation auf die Tentakelregeneration.
Nach der Dissektion der Tentakel an der Basis konnte ein Regenerationsprozess beobachtet werden (5A-5D). Während der ersten 24 Stunden kam es zu einer Heilung im Einschnittbereich (5B). Am zweiten Beobachtungstag begann sich die Spitze zu verlängern und es erschienen Äste (5S). Am fünften Tag war der Tentakel vollständig verzweigt (5D), daher kann die Tentakelregeneration der normalen Tentakelmorphogenese nach der Verlängerung folgen.
Um das Anfangsstadium der Regeneration besser untersuchen zu können, analysierten die Wissenschaftler die Verteilung proliferierender Zellen mithilfe der PH3-Färbung, um mitotische Zellen sichtbar zu machen.
Während sich teilende Zellen häufig in der Nähe des amputierten Bereichs beobachtet wurden, waren mitotische Zellen in ungeschnittenen Kontrollzwiebeln mit Tentakel verteilt (5E и 5F).
Die Quantifizierung der in den Tentakelknollen vorhandenen PH3-positiven Zellen ergab einen signifikanten Anstieg der PH3-positiven Zellen in den Tentakelknollen von Amputierten im Vergleich zu Kontrollen (5G). Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die anfänglichen Regenerationsprozesse mit einer aktiven Steigerung der Zellproliferation in den Tentakelknollen einhergehen.
Die Auswirkung der Proliferation auf die Regeneration wurde getestet, indem die Zellen nach dem Abschneiden des Tentakels mit CH4N2O2 blockiert wurden. In der Kontrollgruppe verlief die Tentakelverlängerung nach der Amputation erwartungsgemäß normal. Aber in der Gruppe, bei der CH4N2O2 angewendet wurde, kam es trotz normaler Wundheilung nicht zu einer Dehnung (5H). Mit anderen Worten: Die Heilung erfolgt in jedem Fall, für eine ordnungsgemäße Regeneration der Tentakel ist jedoch eine Proliferation erforderlich.
Schließlich beschlossen Wissenschaftler, die Verbreitung anderer Quallenarten zu untersuchen, nämlich Cytaeis и Rathkea.
Bild Nr. 6: Vergleich der Proliferation bei Cytaeis- (links) und Rathkea-Quallen (rechts).
У Cytaeis Medusa-EdU-positive Zellen wurden im Manubrium, in den Tentakelknollen und im oberen Teil des Schirms beobachtet (6А и 6V). Standort identifizierter PH3-positiver Zellen in Cytaeis Sehr ähnlich zu Cladonema, es gibt jedoch einige Unterschiede (6C и 6D). Aber bei Rathkea EdU-positive und PH3-positive Zellen wurden fast ausschließlich im Bereich des Manubriums und der Tentakelknollen gefunden (6E-6H).
Interessant ist auch, dass in den Nieren von Quallen häufig proliferierende Zellen nachgewiesen wurden Rathkea (6E-6G), was die ungeschlechtliche Art der Fortpflanzung dieser Art widerspiegelt.
Unter Berücksichtigung der erhaltenen Informationen kann davon ausgegangen werden, dass die Zellproliferation in den Tentakelknollen nicht nur bei einer Quallenart auftritt, obwohl es Unterschiede aufgrund von Unterschieden in der Physiologie und Morphologie gibt.
Für eine detailliertere Bekanntschaft mit den Nuancen der Studie empfehle ich einen Blick auf .
Letzter Akt
Einer meiner liebsten literarischen Charaktere ist Hercule Poirot. Der scharfsinnige Detektiv achtete immer besonders auf kleine Details, die andere für unwichtig hielten. Wissenschaftler ähneln Detektiven und sammeln alle Beweise, die sie finden können, um alle Fragen der Untersuchung zu beantworten und den „Täter“ herauszufinden.
So offensichtlich es auch klingen mag, die Regeneration von Quallenzellen steht in direktem Zusammenhang mit der Proliferation – einem integralen Prozess bei der Entwicklung von Zellen, Geweben und damit des gesamten Organismus. Eine gründlichere Untersuchung dieses umfassenden Prozesses wird es uns ermöglichen, die ihm zugrunde liegenden molekularen Mechanismen besser zu verstehen, was wiederum nicht nur den Umfang unseres Wissens erweitern, sondern auch direkte Auswirkungen auf unser Leben haben wird.
Freitag Off-Top:
Marsch der Quallen der Art Aurelia, gestört durch ein Raubtier mit dem ungewöhnlichen Namen „Spiegeleiqualle“, d. h. Spiegelei-Quallen (Planet Erde, Voice-Over von David Attenborough).
Es handelt sich nicht um eine Qualle, aber dieses Tiefseelebewesen (das pelikanartige Forellenmaul) wird nicht oft fotografiert (die Reaktion der Forscher ist einfach rührend).
Vielen Dank fürs Zuschauen, bleiben Sie neugierig und wünschen Ihnen allen ein tolles Wochenende! 🙂
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Source: habr.com