¿Qué tienen en común Wolverine, Deadpool y Jellyfish? Todos ellos tienen una característica sorprendente: la regeneración. Por supuesto, en los cómics y las películas, esta habilidad, común entre un número extremadamente limitado de organismos vivos reales, se exagera ligeramente (y a veces mucho), pero sigue siendo muy real. Y lo que es real se puede explicar, que es lo que decidieron hacer los científicos de la Universidad de Tohoku (Japón) en su nuevo estudio. ¿Qué procesos celulares en el cuerpo de una medusa están asociados con la regeneración, cómo se desarrolla este proceso y qué otros superpoderes tienen estas criaturas gelatinosas? El informe del grupo de investigación nos informará sobre esto. Ir.
Base de investigación
En primer lugar, los científicos explican por qué decidieron centrar su atención en las medusas. El hecho es que la mayoría de las investigaciones en el campo de la biología se llevan a cabo con la participación de los llamados organismos modelo: ratones, moscas de la fruta, gusanos, peces, etc. Pero nuestro planeta alberga millones de especies, cada una de las cuales tiene una u otra habilidad única. En consecuencia, es imposible evaluar completamente el proceso de regeneración celular estudiando solo una especie y asumir que el mecanismo estudiado será común a todas las criaturas de la Tierra.
En cuanto a las medusas, estas criaturas, por su apariencia, hablan de su singularidad, que no puede dejar de atraer la atención de los científicos. Por ello, antes de iniciar la disección de la investigación propiamente dicha, conocí a su protagonista principal.
La palabra "medusa", que estamos acostumbrados a llamar a la criatura como tal, en realidad se refiere sólo a la etapa del ciclo de vida del subtipo cnidario. Medusozoos. Los cnidarios recibieron un nombre tan inusual debido a la presencia en sus cuerpos de células urticantes (cnidocitos), que se utilizan para la caza y la autodefensa. En pocas palabras, cuando te pica una medusa, puedes agradecer a estas células por el dolor y el sufrimiento.
Los cnidocitos contienen cnidoquistes, un orgánulo intracelular responsable del efecto "picante". Según su apariencia y, en consecuencia, el método de aplicación, se distinguen varios tipos de cnidocitos, entre los que se encuentran:
- penetrantes: hilos con extremos puntiagudos que perforan el cuerpo de la víctima o del agresor como lanzas, inyectando una neurotoxina;
- glutinantes: hilos largos y pegajosos que envuelven a la víctima (no es el abrazo más placentero);
- Los volventes son hilos cortos en los que la víctima puede enredarse fácilmente.
Estas armas no estándar se explican por el hecho de que las medusas, aunque elegantes, no son criaturas especialmente ágiles. La neurotoxina que ingresa al cuerpo de la presa la paraliza instantáneamente, lo que le da a la medusa mucho tiempo para almorzar.
Medusas después de una caza exitosa.
Además de su método inusual de caza y defensa, las medusas tienen una reproducción muy inusual. Los machos producen espermatozoides y las hembras producen óvulos, después de cuya fusión se forman planulas (larvas), que se depositan en el fondo. Después de un tiempo, de la larva crece un pólipo del cual, al alcanzar la madurez, las medusas jóvenes literalmente se desprenden (de hecho, se produce la gemación). Así, existen varias etapas del ciclo de vida, una de las cuales es la generación de las medusas o medusoides.
Cyanea peluda, también conocida como melena de león.
Si se le preguntara a la cyanea peluda cómo aumentar la eficiencia de la caza, respondería: más tentáculos. Hay alrededor de 60 en total (grupos de 15 tentáculos en cada esquina de la cúpula). Además, este tipo de medusa se considera la más grande, porque el diámetro de la cúpula puede alcanzar los 2 metros y los tentáculos pueden estirarse hasta 20 metros durante la caza. Afortunadamente, esta especie no es particularmente “tóxica” y, por lo tanto, no es fatal para los humanos.
La avispa marina, a su vez, añadiría calidad a la cantidad. Este tipo de medusa también tiene 15 tentáculos (3 m de largo) en cada una de las cuatro esquinas de la cúpula, pero su veneno es muchas veces más fuerte que el de su pariente grande. Se cree que la avispa marina tiene suficiente neurotoxina para matar a 60 personas en 3 minutos. Esta tormenta de los mares vive en la zona costera del norte de Australia y Nueva Zelanda. Según datos de 1884 a 1996, 63 personas murieron en Australia, pero estos datos pueden ser inexactos y el número de encuentros fatales entre humanos y avispas marinas puede ser mucho mayor. Sin embargo, según datos del período 1991-2004, entre 225 casos, sólo el 8% de las víctimas fueron hospitalizadas, incluida una muerte (un niño de tres años).
Avispa de mar
Ahora volvamos al estudio que estamos viendo hoy.
Desde el punto de vista de las células, el proceso más importante en toda la vida de cualquier organismo es la proliferación celular, el proceso de crecimiento de los tejidos corporales a través de la reproducción celular por división. Durante el crecimiento del cuerpo, este proceso regula el aumento del tamaño corporal. Y cuando el cuerpo está completamente formado, las células en proliferación regulan el intercambio fisiológico de células y la sustitución de las dañadas por otras nuevas.
Los cnidarios, como grupo hermano de los bilaterales y los primeros metazoos, se han utilizado para estudiar procesos evolutivos durante muchos años. Por tanto, los cnidarios no son una excepción en términos de proliferación. Por ejemplo, durante el desarrollo embrionario de la anémona de mar. Nematostella vectensis la proliferación celular está coordinada con la organización epitelial y participa en el desarrollo de los tentáculos.
Nematostella vectensis
Entre otras cosas, los cnidarios, como ya sabemos, son conocidos por sus capacidades regenerativas. Los pólipos de hidra (un género de celentéreos sésiles de agua dulce de la clase hidroide) han sido considerados los más populares entre los investigadores durante cientos de años. La proliferación, activada por células moribundas, desencadena el proceso de regeneración de la cabeza basal de la hidra. El mismo nombre de esta criatura alude a una criatura mítica conocida por su regeneración: la Hidra de Lerna, a la que Hércules pudo derrotar.
Aunque las capacidades regenerativas se han relacionado con la proliferación, aún no está claro exactamente cómo ocurre este proceso celular en condiciones normales en las diferentes etapas del desarrollo del organismo.
Las medusas, que tienen un ciclo de vida complejo que consta de dos etapas de reproducción (vegetativa y sexual), sirven como un excelente modelo para estudiar la proliferación.
En este trabajo, el papel del principal individuo estudiado lo desempeñaron las medusas de la especie Cladonema pacificum. Esta especie vive frente a las costas de Japón. Inicialmente, esta medusa tiene 9 tentáculos principales, que comienzan a ramificarse y aumentar de tamaño (como todo el cuerpo) durante el desarrollo hasta convertirse en adulto. Esta característica nos permite estudiar en detalle todos los mecanismos que intervienen en este proceso.
además de cladonema pacífico El estudio también analizó otros tipos de medusas: Cytaeis uchidae и Rathkea octopunctata.
Resultados de la investigación
Para comprender el patrón espacial de proliferación celular en Cladonema medusa, los científicos utilizaron tinción con 5-etinil-2'-desoxiuridina (EdU), que marca las células en Fase S* o células que ya lo han superado.
Fase S* - la fase del ciclo celular en la que se produce la replicación del ADN.
Dado que cladonema aumenta dramáticamente de tamaño y exhibe ramificaciones de tentáculos durante el desarrollo (1A-1C), la distribución de las células en proliferación puede cambiar a lo largo de la maduración.
Imagen No. 1: características de la proliferación celular en Cladonema joven.
Gracias a esta característica, fue posible estudiar el mecanismo de proliferación celular tanto en medusas jóvenes (día 1) como sexualmente maduras (día 45).
En las medusas juveniles, se encontraron células positivas para EdU en todo el cuerpo, incluida la umbela, el manubrio (el órgano de soporte de la cavidad bucal en las medusas) y los tentáculos, independientemente del tiempo de exposición a EdU (1D–1K и 1N–1O, EdU: 20 µM (micromolar) después de 24 horas).
Se encontraron bastantes células positivas para EdU en el manubrio (1F и 1G), pero en el paraguas su distribución fue muy uniforme, especialmente en la capa exterior del paraguas (paraguas, 1H-1K). En los tentáculos, las células EdU positivas estaban muy agrupadas (1N). El uso de un marcador mitótico (anticuerpo PH3) permitió comprobar que las células EdU positivas son células en proliferación. Se encontraron células PH3 positivas tanto en el paraguas como en el bulbo del tentáculo (1L и 1P).
En los tentáculos, las células mitóticas se encontraron principalmente en el ectodermo (1P), mientras que en el paraguas las células proliferantes se ubicaban en la capa superficial (1M).
Imagen No. 2: características de la proliferación celular en Cladonema maduro.
Tanto en individuos jóvenes como maduros, se encontraron células EdU positivas en grandes cantidades en todo el cuerpo. En la umbela, las células EdU positivas se encontraron con mayor frecuencia en la capa superficial que en la capa inferior, lo que es similar a las observaciones en juveniles (2A-2D).
Pero en los tentáculos la situación era algo diferente. Las células EdU positivas se acumularon en la base del tentáculo (bulbo), donde se encontraron dos grupos a cada lado del bulbo (2E и 2F). En individuos jóvenes también se observaron acumulaciones similares (1N), es decir. los bulbos de los tentáculos pueden ser la principal zona de proliferación durante toda la etapa medusoide. Es curioso que en el manubrio de individuos adultos el número de células EdU positivas fuera significativamente mayor que en los juveniles (2G и 2H).
El resultado intermedio es que la proliferación celular puede ocurrir de manera uniforme en la sombrilla de una medusa, pero en los tentáculos este proceso está muy localizado. Por lo tanto, se puede suponer que la proliferación celular uniforme puede controlar el crecimiento corporal y la homeostasis de los tejidos, pero los grupos de células en proliferación cerca de los bulbos de los tentáculos están involucrados en la morfogénesis de los tentáculos.
En términos del desarrollo corporal en sí, la proliferación juega un papel importante en el crecimiento corporal.
Imagen #3: La importancia de la proliferación en el proceso de crecimiento corporal de una medusa.
Para comprobarlo en la práctica, los científicos observaron el crecimiento corporal de las medusas, empezando por los individuos jóvenes. Es más fácil determinar el tamaño del cuerpo de una medusa por su cúpula, ya que crece de manera uniforme y en proporción directa a todo el cuerpo.
Con una alimentación normal en condiciones de laboratorio, el tamaño de la cúpula aumenta drásticamente en un 54.8% durante las primeras 24 horas, de 0.62 ± 0.02 mm2 a 0.96 ± 0.02 mm2. Durante los siguientes 5 días de observaciones, el tamaño aumentó lenta y suavemente hasta 0.98 ± 0.03 mm2 (3А-3S).
Las medusas de otro grupo, que fueron privadas de alimento, no crecieron, sino que se redujeron (línea roja en el gráfico 3S). El análisis celular de medusas hambrientas mostró la presencia de un número extremadamente pequeño de células EdU: 1240.6 ± 214.3 en las medusas del grupo de control y 433.6 ± 133 en las hambrientas (3D-3H). Esta observación puede ser una evidencia directa de que la nutrición influye directamente en el proceso de proliferación.
Para probar esta hipótesis, los científicos realizaron un ensayo farmacológico en el que bloquearon la progresión del ciclo celular utilizando hidroxiurea (CH4N2O2), un inhibidor del ciclo celular que provoca la detención de G1. Como resultado de esta intervención, las células de fase S detectadas previamente usando EdU desaparecieron (3I-3L). Así, las medusas que fueron expuestas a CH4N2O2 no mostraron crecimiento corporal, a diferencia del grupo de control (3M).
La siguiente etapa del estudio fue un estudio detallado de los tentáculos ramificados de las medusas para confirmar la suposición de que la proliferación local de células en los tentáculos contribuye a su morfogénesis.
Imagen No. 4: el efecto de la proliferación local en el crecimiento y ramificación de los tentáculos de las medusas.
Los tentáculos de una medusa joven tienen una rama, pero con el tiempo su número aumenta. En condiciones de laboratorio, la ramificación aumentó 3 veces en el noveno día de observación (4А и 4S).
Nuevamente, cuando se usó CH4N2O2, no se observó ninguna ramificación de los tentáculos, sino solo una rama (4B и 4C). Es curioso que la eliminación de CH4N2O2 del cuerpo de la medusa restableciera el proceso de ramificación de los tentáculos, lo que indica la reversibilidad de la intervención farmacológica. Estas observaciones indican claramente la importancia de la proliferación para el desarrollo de los tentáculos.
Los cnidarios no serían cnidarios sin nematocitos (cnidocitos, es decir, cnidarios). En la especie de medusa Clytia hemisphaerica, las células madre de los bulbos de los tentáculos suministran nematocistos a las puntas de los tentáculos precisamente debido a la proliferación celular. Naturalmente, los científicos decidieron comprobar también esta afirmación.
Para detectar cualquier conexión entre los nematocistos y la proliferación, se utilizó un tinte de tinción nuclear que puede marcar el poli-γ-glutamato sintetizado en la pared del nematocisto (DAPI, es decir, 4′,6-diamidino-2-fenilindol).
La tinción con poli-γ-glutamato nos permitió estimar el tamaño de los nematocitos, que oscila entre 2 y 110 μm2 (4D-4G). También se identificaron varios nematocistos vacíos, es decir, dichos nematocitos estaban agotados (4D-4G).
La actividad de proliferación en los tentáculos de las medusas se probó estudiando los huecos en los nematocitos después del bloqueo del ciclo celular con CH4N2O2. La proporción de nematocitos vacíos en las medusas después de la intervención farmacológica fue mayor que en el grupo de control: 11.4% ± 2.0% en las medusas del grupo de control y 19.7% ± 2.0% en las medusas con CH4N2O2 (4D-4G и 4H). En consecuencia, incluso después del agotamiento, los nematocitos continúan recibiendo activamente células progenitoras de proliferación, lo que confirma la influencia de este proceso no sólo en el desarrollo de los tentáculos, sino también en la nematogénesis en ellos.
La etapa más interesante fue el estudio de las capacidades regenerativas de las medusas. Considerando la alta concentración de células proliferativas en el bulbo del tentáculo de las medusas maduras cladonema, los científicos decidieron estudiar la regeneración de los tentáculos.
Imagen No. 5: el efecto de la proliferación en la regeneración de los tentáculos.
Después de la disección de los tentáculos en la base, se observó un proceso de regeneración (5A–5D). Durante las primeras 24 horas, se produjo la curación en el área de la incisión (5B). Al segundo día de observación, la punta comenzó a alargarse y aparecieron ramas (5S). Al quinto día, el tentáculo estaba completamente ramificado (5D), por lo tanto, la regeneración del tentáculo puede seguir la morfogénesis normal del tentáculo después del alargamiento.
Para estudiar mejor la etapa inicial de regeneración, los científicos analizaron la distribución de las células en proliferación utilizando tinción con PH3 para visualizar las células mitóticas.
Si bien a menudo se observaron células en división cerca del área amputada, las células mitóticas se dispersaron en bulbos con tentáculos de control sin cortar (5E и 5F).
La cuantificación de las células PH3 positivas presentes en los bulbos de los tentáculos reveló un aumento significativo de células PH3 positivas en los bulbos de los tentáculos de amputados en comparación con los controles (5G). Como conclusión, los procesos regenerativos iniciales van acompañados de un aumento activo de la proliferación celular en los bulbos de los tentáculos.
El efecto de la proliferación sobre la regeneración se probó bloqueando las células con CH4N2O2 después de cortar el tentáculo. En el grupo de control, el alargamiento de los tentáculos después de la amputación ocurrió normalmente, como se esperaba. Pero en el grupo al que se aplicó CH4N2O2, no se produjo elongación, a pesar de la cicatrización normal de la herida (5H). En otras palabras, la curación se producirá en cualquier caso, pero la proliferación es necesaria para la adecuada regeneración de los tentáculos.
Finalmente, los científicos decidieron estudiar la proliferación en otras especies de medusas, a saber cytaeis и Rathkea.
Imagen #6: Comparación de la proliferación de las medusas Cytaeis (izquierda) y Rathkea (derecha).
У cytaeis Se observaron células medusa EdU positivas en el manubrio, los bulbos de los tentáculos y la parte superior de la sombrilla (6А и 6V). Ubicación de las células PH3 positivas identificadas en cytaeis muy parecido a cladonema, sin embargo, hay algunas diferencias (6C и 6D). Pero en Rathkea Las células EdU positivas y PH3 positivas se encontraron casi exclusivamente en la región del manubrio y los bulbos de los tentáculos (6E-6H).
También es interesante que a menudo se detectaron células proliferantes en los riñones de las medusas. Rathkea (6E-6G), lo que refleja el tipo de reproducción asexual de esta especie.
Teniendo en cuenta la información obtenida, se puede suponer que la proliferación celular se produce en los bulbos de los tentáculos no solo en una especie de medusa, aunque existen diferencias debido a diferencias en fisiología y morfología.
Para un conocimiento más detallado de los matices del estudio, recomiendo mirar .
El acto final
Uno de mis personajes literarios favoritos es Hércules Poirot. El astuto detective siempre prestó especial atención a los pequeños detalles que otros consideraban sin importancia. Los científicos se parecen mucho a los detectives: recopilan toda la evidencia que pueden encontrar para responder todas las preguntas de la investigación y descubrir al "culpable".
Por muy obvio que parezca, la regeneración de las células de las medusas está directamente relacionada con la proliferación, un proceso integral en el desarrollo de las células, los tejidos y, como consecuencia, de todo el organismo. Un estudio más exhaustivo de este proceso integral nos permitirá comprender mejor los mecanismos moleculares subyacentes, lo que, a su vez, ampliará no sólo el alcance de nuestro conocimiento, sino que también afectará directamente nuestras vidas.
Viernes fuera de la cima:
Marcha de medusas de la especie Aurelia, perturbada por un depredador con el nombre inusual de “medusa de huevo frito”, es decir. Medusa huevo frito (Planeta Tierra, voz en off de David Attenborough).
No es una medusa, pero esta criatura de aguas profundas (la bocazas parecida a un pelícano) no suele ser fotografiada (la reacción de los investigadores es simplemente conmovedora).
¡Gracias por mirar, manténganse curiosos y tengan un gran fin de semana a todos! 🙂
Gracias por estar con nosotros. ¿Te gustan nuestros artículos? ¿Quieres ver más contenido interesante? Apóyanos haciendo un pedido o recomendándonos a amigos, 30% de descuento para usuarios de Habr en un análogo único de servidores de nivel de entrada, que fue inventado por nosotros para usted: (disponible con RAID1 y RAID10, hasta 24 núcleos y hasta 40GB DDR4).
Dell R730xd 2 veces más barato? Solo aqui ¡en los Paises Bajos! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - ¡desde $99! Leer acerca de
Fuente: habr.com