Was haben Wolverine, Deadpool und Quallen gemeinsam? Alle drei besitzen eine bemerkenswerte Fähigkeit – die Regeneration. Zwar ist diese Fähigkeit in Comics und Filmen, die bei einer extrem begrenzten Anzahl von echten Lebewesen vorkommt, leicht (manchmal sogar stark) übertrieben, doch sie bleibt ganz real. Was wirklich ist, lässt sich erklären, und genau das haben Wissenschaftler der Tohoku-Universität (Japan) in ihrer neuen Studie untersucht. Welche Zellprozesse im Körper der Qualle mit der Regeneration verbunden sind, wie dieser Prozess abläuft und welche weiteren Superkräfte diese gelartigen Wesen haben? Darüber wird uns der Bericht der Forschungsgruppe informieren. Los geht's.
Grundlage der Forschung
Zunächst erklären die Wissenschaftler, warum sie sich auf Quallen konzentrieren. Die meisten biologischen Studien werden mit sogenannten Modellorganismen durchgeführt: Mäusen, Fruchtfliegen, Würmern, Fischen usw. Doch auf unserem Planeten leben Millionen von Arten, von denen jede ihre einzigartigen Fähigkeiten besitzt. Daher ist es nicht möglich, den Prozess der Zellregeneration vollständig zu bewerten, wenn man nur eine Art untersucht und annimmt, dass der erforschte Mechanismus für alle Lebewesen auf der Erde gilt.
Was Quallen betrifft, so verdeutlicht ihr äußeres Erscheinungsbild ihre Einzigartigkeit, was die Aufmerksamkeit der Wissenschaftler auf sich zieht. Deshalb habe ich, bevor ich mit der eigentlichen Studie begann, mich mit ihrem Hauptdarsteller vertraut gemacht.
Das Wort „Qualle“, das wir verwenden, um das Wesen als solches zu bezeichnen, bezieht sich in Wirklichkeit nur auf eine Phase des Lebenszyklus des Nesseltiers. Medusozoa. Die Nesseltiere haben ihren ungewöhnlichen Namen aufgrund der Anwesenheit von Nesselzellen (Cnidozyten) in ihrem Körper erhalten, die zur Jagd und Selbstverteidigung verwendet werden. Einfach gesagt, wenn Sie von einer Qualle gestochen werden, können Sie sich bei diesen Zellen für den Schmerz und das Leiden bedanken.
Cnidozyten enthalten Cnidocysten – intrazelluläre Organellen, die für die „stichende“ Wirkung verantwortlich sind. Je nach Aussehen und Anwendungsmethode werden mehrere Typen von Cnidozyten unterschieden, darunter:
- Penetranten – fadenförmige, spitz zulaufende Strukturen, die in den Körper des Opfers oder Angreifers eindringen, wie Speere, und Neurotoxin injizieren;
- Glutinanten – klebrige, lange Fäden, die das Opfer umhüllen (keine besonders angenehme Umarmung);
- Volventen – kurze Fäden, in denen sich das Opfer leicht verfangen kann.
Diese ungewöhnliche Bewaffnung erklärt sich durch die Tatsache, dass Quallen, obwohl sie anmutig sind, nicht besonders schnell sind. Das Neurotoxin, das in den Körper der Beute eindringt, lähmt diese sofort, was der Qualle genügend Zeit für eine Mittagspause gibt.
Eine Qualle nach erfolgreicher Jagd.
Neben ihrer ungewöhnlichen Jagd- und Verteidigungsmethode verfügen Quallen über eine ebenso spezielle Fortpflanzung. Männchen produzieren Spermien, während Weibchen Eizellen erzeugen, deren Verschmelzung zur Bildung von Planulieren (Larven) führt, die sich am Meeresboden festsetzen. Nach einiger Zeit entwickelt sich aus der Larve ein Polyp, von dem sich bei Erreichen der Reife buchstäblich junge Quallen abschnüren (tatsächlich handelt es sich um eine Knospung). Damit gibt es mehrere Stadien im Lebenszyklus, eines davon ist die Qualle oder die quallenartige Generation.
Die haarige Cyanea, auch bekannt als „Löwenmähne“.
Wenn man die haarige Cyanea fragen würde, wie sie die Jagdeffizienz steigern könnte, würde sie antworten – mehr Tentakel. Insgesamt hat sie etwa 60 Tentakel (Cluster aus 15 Tentakeln an jeder Ecke des Schirms). Darüber hinaus gilt diese Quallenart als die größte, da der Durchmesser des Schirms bis zu 2 Meter erreichen kann und die Tentakel während der Jagd bis zu 20 Meter lang werden können. Glücklicherweise ist diese Art nicht besonders giftig, weshalb sie für den Menschen nicht tödlich ist.
Die Würfelqualle würde nicht nur die Quantität, sondern auch die Qualität hinzufügen. Diese Art von Quallen hat ebenfalls 15 Tentakel (3 m lang) an jeder der vier Ecken des Schirms, doch ihr Gift ist um ein Vielfaches stärker als das ihrer größeren Verwandten. Es wird angenommen, dass das Neurotoxin im Körper der Würfelqualle ausreicht, um 60 Menschen innerhalb von 3 Minuten zu töten. Dieses Ungeheuer der Meere lebt in den Küstengewässern Nordaustraliens und Neuseelands. Zwischen 1884 und 1996 gab es in Australien 63 Todesfälle, doch diese Zahlen könnten ungenau sein, und die tatsächliche Zahl tödlicher Begegnungen zwischen Menschen und der Würfelqualle könnte erheblich höher sein. Allerdings wurden zwischen 1991 und 2004 unter 225 Fällen nur 8 % der Betroffenen ins Krankenhaus eingeliefert, darunter war ein Todesfall (ein dreijähriges Kind).
Würfelqualle
Kommen wir nun zurück zu der Untersuchung, die wir heute betrachten.
In Bezug auf Zellen ist der wichtigste Prozess im gesamten Leben eines Organismus die Zellproliferation – der Prozess des Wachstums von Geweben durch Teilung der Zellen. Während des Wachstums des Organismus reguliert dieser Prozess die Zunahme der Körpergröße. Wenn der Organismus vollständig ausgebildet ist, steuern die proliferierenden Zellen den physiologischen Austausch von Zellen und ersetzen beschädigte durch neue.
Nesseltiere, als verwandte Gruppe von bilateralen Tieren und frühen Zweigen der Entwicklung vielzelliger Organismen, werden seit vielen Jahren genutzt, um evolutive Prozesse zu untersuchen. Daher sind Nesseltiere keine Ausnahme in Bezug auf Proliferation. Beispielsweise 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
Darüber hinaus sind Strickleitern, wie wir bereits wissen, für ihre regenerativen Fähigkeiten bekannt. Die bekanntesten unter Forschern sind seit Jahrhunderten die Polypen der Hydra (eine Gattung von Süßwasser-Sessile aus der Klasse der Hydrozoen). Die Proliferation, die durch absterbende Zellen aktiviert wird, initiiert den Regenerationsprozess des basalen Kopfes der Hydra. Der Name dieses Wesens deutet auf das mythische Geschöpf hin, das für seine Regeneration bekannt ist – die Lerneanische Hydra, die Herakles besiegen konnte.
Obwohl die regenerativen Fähigkeiten mit der Proliferation in Verbindung gebracht werden konnten, bleibt unklar, wie genau dieser Zellprozess unter normalen Bedingungen in verschiedenen Entwicklungsphasen des Organismus abläuft.
Quallen, die einen komplexen Lebenszyklus mit zwei Fortpflanzungsphasen (vegetativ und sexuell) haben, sind ein hervorragendes Modell zur Untersuchung der Proliferation.
In dieser Studie spielte die Hauptforschungsart die Qualle der Art Cladonema pacificum. Diese Art lebt vor den Küsten Japans. Ursprünglich hat diese Qualle 9 Haupttentakel, die während der Entwicklung zum Erwachsenenstadium zu verzweigen beginnen und an Größe zunehmen (wie auch der gesamte Körper). Dieses Merkmal ermöglicht eine detaillierte Untersuchung aller Mechanismen, die an diesem Prozess beteiligt sind.
Zusätzlich zu Cladonema pacificum wurden auch andere Quallenarten in der Studie betrachtet: Cytaeis uchidae und Rathkea octopunctata.
Die Forschungsergebnisse
Um das räumliche Muster der Zellproliferation in Cladonema-Qualle zu verstehen, setzten die Wissenschaftler die Färbung mit 5-Ethinyl-2’-Desoxyuridin (EdU) ein, die das Zellen in der S-Phase* oder Zellen, die sie bereits durchlaufen haben, markiert.
S-Phase* ist die Phase des Zellzyklus, in der die DNA repliziert wird.
Angesichts der Tatsache, dass Cladonema größere Größenanpassungen zeigt und während der Entwicklung eine Verzweigung der Tentakel aufweist (1A—1C), kann sich die Verteilung der proliferierenden Zellen während der gesamten Reifung ändern.
Abbildung Nr. 1: Merkmale der Zellproliferation bei jungen Cladonema.
Dank dieser Eigenschaft konnte der Mechanismus der Zellproliferation sowohl bei jungen (Tag 1) als auch bei geschlechtsreifen (Tag 45) Quallen untersucht werden.
Bei jungen Quallen wurden EdU-positive Zellen in großer Zahl im gesamten Körper gefunden, einschließlich Schirm, Manubrium (Essensorgan der Qualle) und Tentakeln, 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 clusterisiert (1N). Der Einsatz des Mitose-Markierers (Antikörper PH3) bestätigte, dass die EdU-positiven Zellen tatsächlich proliferierende Zellen sind. PH3-positive Zellen wurden sowohl im Schirm als auch in der Bulbus der Tentakel gefunden (1L und 1P).
In den Tentakeln wurden mitotische Zellen hauptsächlich im Ektoderm entdeckt (1P), während die proliferierenden Zellen im oberflächlichen Schicht des Schirms lokalisiert waren (1М).
Bild Nr. 2: Merkmale der Zellproliferation bei geschlechtsreifen Cladonema.
Wie bei jungen Exemplaren wurden auch bei geschlechtsreifen EdU-positiven Zellen viele im gesamten Körper gefunden. Im Schirm der Medusa waren EdU-positive Zellen häufiger in der oberen Schicht zu finden als in der unteren, was den Beobachtungen bei jungen Exemplaren ähnelt (2A—2D).
Die Situation in den Tentakeln war jedoch etwas anders. EdU-positive Zellen sammelten sich an der Basis des Tentakels (Zwiebel), wo zwei Cluster auf beiden Seiten der Zwiebel entdeckt wurden (2E und 2F). Ähnliche Ansammlungen wurden auch bei jungen Exemplaren beobachtet (1N), d.h. die Zwiebeln der Tentakeln könnten die Hauptzone der Proliferation während der gesamten Medusenphase sein. Interessanterweise war die Anzahl der EdU-positiven Zellen im Manubrium bei Erwachsenen deutlich höher als bei jungen (2G und 2H).
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Zellproliferation gleichmäßig im Schirm der Medusa stattfinden kann, während dieser Prozess in den Tentakeln stark lokalisiert ist. Daher könnte man annehmen, dass die gleichmäßige Zellproliferation das Körperwachstum und die Gewebehomöostase steuern kann, während die Ansammlungen proliferierender Zellen in der Nähe der Zwiebeln der Tentakeln am Morphogenese der Tentakeln beteiligt sind.
In Bezug auf die Körperentwicklung spielt die Proliferation eine entscheidende Rolle im Wachstum des Körpers.
Abbildung Nr. 3: Die Bedeutung der Proliferation im Wachstumsprozess von Medusen.
Um dies praktisch zu überprüfen, verfolgten Wissenschaftler das Wachstum von Medusen, beginnend mit jungen Exemplaren. Die Größenbestimmung der Meduse ist am einfachsten an ihrem Schirm, da dieser gleichmäßig und proportional zum gesamten Körper wächst.
Bei normaler Fütterung unter Laborbedingungen erhöht sich die Größe des Schirms innerhalb der ersten 24 Stunden um 54,8 % – von 0,62 ± 0,02 mm² auf 0,96 ± 0,02 mm². In den folgenden 5 Beobachtungstagen wuchs die Größe langsam und stetig auf 0,98 ± 0,03 mm² (3A—3C).
Medusen aus einer anderen Gruppe, die kein Futter erhielten, wuchsen nicht, sondern schrumpften (rote Linie in der Grafik 3C). Die Zellanalyse der hungernden Medusen zeigte eine extrem geringe Anzahl von EdU-Zellen: 1240,6 ± 214,3 bei den Medusen der Kontrollgruppe und 433,6 ± 133 bei den hungernden (3D—3H). Diese Beobachtung könnte ein direkter Beweis dafür sein, dass die Ernährung einen direkten Einfluss auf den Proliferationsprozess hat.
Um diese Hypothese zu überprüfen, führten die Forscher eine pharmakologische Analyse durch, bei der sie das Fortschreiten des Zellzyklus mithilfe von Hydroxycarbamid (CH4N2O2) blockierten – einem Inhibitor des Zellzyklus, der die G1-Phase stoppt. Infolge dieses Eingriffs verschwanden die zuvor mit EdU nachgewiesenen S-phasigen Zellen (3I—3L). Somit zeigten die Quallen, die CH4N2O2 ausgesetzt waren, kein Wachstum, im Gegensatz zur Kontrollgruppe (3М).
Der nächste Schritt der Untersuchung bestand darin, die verzweigten Tentakeln der Quallen detailliert zu untersuchen, um die Annahme zu bestätigen, dass die lokale Proliferation der Zellen in den Tentakeln zu ihrem Morphogenese beiträgt.
Bild Nr. 4: Einfluss der lokalen Proliferation auf das Wachstum und die Verzweigung der Tentakeln der Quallen.
Die Tentakeln einer jungen Qualle haben zunächst einen Zweig, im Laufe der Zeit erhöht sich ihre Anzahl. Unter Laborbedingungen nahm die Verzweigung am neunten Tag der Beobachtungen um das Dreifache zu (4А und 4С).
Erneut wurde bei der Anwendung von CH4N2O2 keine Verzweigung der Tentakeln beobachtet, es gab nur einen Zweig (4B und 4C). Interessanterweise stellte die Entfernung von CH4N2O2 aus dem Körper der Quallen den Prozess des Tentakelverzweigungs wieder her, was auf die Umkehrbarkeit des medizinischen Eingriffs hinweist. Diese Beobachtungen weisen klar auf die Bedeutung der Proliferation für die Entwicklung der Tentakel hin.
Nesseltiere wären keine Nesseltiere ohne Nematocysten (Cnidocysten, d.h. Nesselzellen). Bei der Qualle der Art Clytia hemisphaerica liefern Stammzellen in den Zwiebeln der Tentakel durch Zellproliferation Nematocysten an die Spitzen der Tentakel. Natürlich wollten die Wissenschaftler auch diese Behauptung überprüfen.
Um eine mögliche Verbindung zwischen Nematocysten und Proliferation festzustellen, wurde ein Kernfärbemittel eingesetzt, das Poly-γ-Glutamat markieren kann, das in der Wand der Nematocyste synthetisiert wird (DAPI, d.h. 4’,6-Diamidino-2-phenylindol).
Die Färbung des Poly-γ-Glutamats ermöglichte die Bewertung der Größe der Nesselzellen, die zwischen 2 und 110 μm² variiert (4D—4G). Es wurde auch eine gewisse Anzahl leerer Nematocysten festgestellt, also Zellen, die erschöpft waren (4D—4G).
Die Aktivität der Proliferation in den Tentakeln von Quallen wurde durch die Untersuchung von Leerstellen in den Nematocysten nach der Blockade des Zellzyklus durch CH4N2O2 überprüft. Der Anteil leerer Nematocysten bei Quallen nach der medikamentösen Intervention war 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 und 4H). Folglich versorgen sich die Nematocysten auch nach der Erschöpfung weiterhin aktiv mit progenitorischen Zellen durch Proliferation, was den Einfluss dieses Prozesses nicht nur auf die Entwicklung der Tentakeln, sondern auch auf den Nematogenese in ihnen bestätigt.
Besonders interessant war die Phase der Untersuchung der regenerativen Fähigkeiten von Quallen. Angesichts der hohen Konzentration proliferativer Zellen in der Tentakelhaut von ausgewachsenen Quallen Cladonema, beschlossen die Wissenschaftler, speziell die Regeneration der Tentakeln zu untersuchen.
Abbildung Nr. 5: Einfluss der Proliferation auf die Regeneration der Tentakeln.
Nach der Dissektion der Tentakeln wurde am Ansatz ein Regenerationsprozess beobachtet (5A–5D). In den 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 (5C). Am fünften Tag war das Tentakel vollständig verzweigt (5D), daher kann die Regeneration des Tentakels dem normalen Morphogenese-Prozess des Tentakels nach der Verlängerung folgen.
Um die Anfangsphase der Regeneration besser zu untersuchen, analysierten die Wissenschaftler die Verteilung der proliferierenden Zellen unter Verwendung von PH3-Färbung zur Visualisierung mitotischer Zellen.
Während sich häufig Zellteilungen in der Nähe des amputierten Bereichs zeigten, waren mitotische Zellen in den unverletzten Kontrollknollen mit Tentakeln verstreut (5E und 5F).
Die quantitative Bewertung der PH3-positiven Zellen in den Tentakelknollen zeigte einen signifikanten Anstieg der PH3-positiven Zellen in den Tentakelknollen der Individuen mit amputierten Gliedmaßen im Vergleich zur Kontrollgruppe (5G). Zusammenfassend sind die anfänglichen regenerativen Prozesse von einer aktiven Zunahme der Zellproliferation in den Tentakelknollen begleitet.
Die Untersuchung der Auswirkungen der Proliferation auf die Regeneration wurde durch die Blockierung von Zellen mithilfe von CH4N2O2 nach der Amputation eines Tentakels ermöglicht. Bei der Kontrollgruppe erfolgte die Verlängerung des Tentakels nach seiner Amputation wie erwartet normal. In der Gruppe, in der CH4N2O2 angewendet wurde, trat jedoch keine Verlängerung auf, trotz der normalen Wundheilung (5H). Mit anderen Worten, die Heilung wird auf jeden Fall stattfinden, aber für eine korrekte Regeneration des Tentakels ist Proliferation erforderlich.
Abschließend beschlossen die Wissenschaftler, die Proliferation bei anderen Quallenarten zu untersuchen, insbesondere bei Cytaeis und Rathkea.
Abbildung Nr. 6: Vergleich der Proliferation bei Quallen der Art Cytaeis (links) und Rathkea (rechts).
U Cytaeis Bei der Meduse wurden EdU-positive Zellen im Manubrium, in den Tentakelknospen und im oberen Teil des Schirms beobachtet (6A und 6B). Die Verteilung der identifizierten PH3-positiven Zellen bei Cytaeis ist sehr ähnlich wie bei Cladonema, jedoch gibt es einige Unterschiede (6C und 6D). Bei Rathkea wurden EdU-positive und PH3-positive Zellen praktisch ausschließlich im Bereich des Manubriums und der Tentakelknospen gefunden (6E—6H).
Es ist auch bemerkenswert, dass proliferierende Zellen häufig in den Nieren der Meduse festgestellt wurden. Rathkea (6E—6G), was den geschlechtslosen Fortpflanzungstyp dieser Art widerspiegelt.
Unter Berücksichtigung der erhaltenen Informationen lässt sich vermuten, dass die Zellproliferation in den Zwiebeln der Tentakeln nicht nur bei einer Art von Quallen stattfindet, obwohl es Unterschiede gibt, die durch Unterschiede in Physiologie und Morphologie bedingt sind.
Für eine detailliertere Auseinandersetzung mit den Feinheiten der Forschung empfehle ich einen Blick in .
Epilog
Eine meiner liebsten literarischen Figuren ist Hercule Poirot. Der scharfsinnige Detektiv achtete stets auf kleinste Details, die anderen unbedeutend erschienen. Wissenschaftler ähneln in vielerlei Hinsicht Detektiven, die alle Beweise sammeln, die sie finden können, um alle Fragen des Kriminalfalls zu beantworten und den „Täter“ zu identifizieren.
So offensichtlich es auch sein mag, die Regeneration von Zellen bei Quallen steht in direktem Zusammenhang mit der Proliferation – einem unentbehrlichen Prozess in der Entwicklung von Zellen, Geweben und folglich des gesamten Organismus. Eine gründlichere Untersuchung dieses umfassenden Prozesses wird es uns ermöglichen, die molekularen Mechanismen, die ihm zugrunde liegen, besser zu verstehen, was wiederum nicht nur unser Wissen erweitern wird, sondern auch direkte Auswirkungen auf unser Leben haben kann.
Freitagsthema:
Der Marsch der Aurelia-Quallen, gestört von einem Räuber mit dem ungewöhnlichen Namen „fried egg jellyfish“, also Quallen-Ei (Planet Earth, Stimme aus dem Off – David Attenborough).
Nicht zu den Quallen gehörend, gelingt es nicht so häufig, dieses tiefseelebende Wesen (Pelikanartige Großmaul) festzuhalten (die Reaktion der Forscher ist einfach bezaubernd).
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit, bleiben Sie neugierig und ein schönes Wochenende an alle, Leute! 🙂
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Quelle: habr.com
