Abielu eel: rakkude proliferatsioon ja meduuside regeneratiivsed omadused

Mis on ühine Wolverine'i, Deadpooli ja meduuside vahel? Kõigil neil on üllatav omadus - regeneerimine. Loomulikult on koomiksites ja filmides see võime, mis on levinud väga piiratud arvu reaalses elus olevate organismide seas, veidi (ja mõnikord isegi tugevalt) liialdatud, kuid see on siiski täiesti reaalne. Kõike, mis on reaalne, saab selgitada, millega teadlased Tohoku ülikoolist (Jaapan) oma uues uurimistöös tegelema hakkasid. Millised rakulised protsessid medusa kehas on seotud regeneerimisega, kuidas see protsess kulgeb ja milliste teiste supervõimetega need želeesarnased olendid veel üllatavad? Selle kohta räägib meile teadusgrupi ettekande kaudu. Hakkame pihta.

Uuringu alus

Esiteks selgitavad teadlased, miks nad otsustasid keskenduda just meduusidele. Asi on selles, et enamik bioloogia uurimistöid viiakse läbi nii nimetatud mudelorganismide abil: hiirte, viljatikude, usside, kalade jne. Kuid meie planeedil elab miljoneid liike, igal neist on mingid ainulaadsed omadused. Seetõttu ei ole võimalik täielikult hinnata rakulise regeneerimise protsessi, uurides ainult ühte liiki ja eeldades, et uuritud mehhanism kehtib ka kõigi teiste maapinna olendite kohta.

Mis puutub meduusidesse, siis nende välimus räägib kõigest nende ainulaadsusest, mis ei saa teadlaste tähelepanu äratada. Seetõttu, enne kui asusin uurimistöö dissektsiooniga, tutvusin selle peategelasega.

Sõna "meduusa", millega me harjunud oleme nimetama olendi kui sellist, tähistab tegelikult vaid elutsükli etappi, mis on äärmiselt eriline ja mis kuulub alamsugukonda Medusozoa. Strekdavad said nii ebatavalise nime tänu sellele, et nende organismis on harpuunirakud (nidade), mida kasutatakse jahtimiseks ning enesekaitseks. Lihtsalt öeldes, kui meduusa sind nõelab, võid selle valu ja kannatuste eest tänada just neid rakke.

Nidade sisaldavad nidekisti - raku sisestruktuuri organelli, mis vastutab 'nõelamise' efekti eest. Oma välimuse ja seetõttu ka rakendamise meetodi järgi eristatakse mitmeid tüüpe niididest, mille seas võib välja tuua:

• penetraanid – teravad otsad, mis tungivad ohvri või vaenlase kehasse nagu odad, süstides neurotoksi;
• gluteenid – kleepuvad ja pikad niidid, mis ümbritsevad ohvrit (mitte just kõige meeldivamad embused);
• volvendid – lühikesed niidid, milles ohver võib kergesti takerduda.

Sellise ebahariliku relvastuse põhjuseks on see, et meduusid, kuigi graatsilised, pole just kõige kiirematega. Neurotoksi, mis satub saagi kehasse, halvatab koheselt, andes meduusile rohkelt aega lõunaeest.

Meduus pärast edukaid jahireise.

Lisaks ebatavalisele jahtimise ning kaitsmise meetodile on meduusidel ka üsna eriline paljunemine. Isased toodavad spermatooide ja emased munarakke, mille sulandumisel moodustuvad planulid (vastsed), kes settivad põhja. Aja jooksul kasvab vasts polüüp, millest küpsemise korral lõikuvad noored meduusid (tegelikult toimub pungumine). Nii on olemas mitmeid eluetappe, millest üks ongi meduus või meduusoidne põlvkond.

Karvane tsüanea, tuntud ka kui 'lõvijalu'.

Kui karvast tsüanead küsida, kuidas jahitõhusust suurendada, vastaks ta – rohkem tundlaid. Kokku on neid umbes 60 (klastrid 15 tundlaga igas kupli nurgas). Lisaks on see meduuside liik kõige suurem, kuna kupli diameeter võib ulatuda 2 meetrini ja tundlad võivad jahtimise ajal ulatuda 20 meetrini. Õnneks ei ole see liik just eriti 'mürgine', mistõttu ei ole see inimesele surmav.

Merikala lisab ka kvaliteeti. Selle liigi meduusidel on samuti 15 telge (3 m pikkuses) iga nelja kaare nurgas, kuid nende mürk on kordades tugevam kui suurel sugulasel. Arvatakse, et merikala neurotoksiin on piisav 60 inimese tapmiseks kolme minutiga. See merede äike elab Põhja-Austraalia ja Uus-Meremaa rannikualadel. Aastatel 1884–1996 on Austraalias hukkus 63 inimest, kuid see teave võib olla ebatäpne ning surmaga lõppenud kokkupõrgete arv inimeste ja merikala vahel võib olla palju suurem. Kuid andmete kohaselt 1991-2004 aasta jooksul 225 juhtumist vaid 8% kannatanutest viidi haiglasse, sealhulgas üks surmajuhtum (kolme-aastane laps).

Merikala

Ja nüüd pöördume tagasi täna käsitletava uuringu juurde.

Rakupoolest on igas elusorganismis elutähtsaim protsess rakuproliferatsioon — organismi kudede kasv protsessi, kus rakud paljunevad jagunemise kaudu. Organismi kasvatamise ajal reguleerib see protsess keha suuruse suurenemist. Ja kui organism on täielikult arenenud, reguleerivad prolifereerivad rakud rakkude füsioloogilist vahetust ning kahjustunud asendamist uutega.

Kivimud, olles bilateraalsete ja varase varajase arenguharu sugulane, on juba aastaid kasutatud evolutsiooniliste protsesside uurimiseks. Seetõttu ei ole kivimud erandiks proliferatsiooni osas. Näiteks embrüonaalse arengu ajal mere anemoonis Nematostella vectensis rakuproliferatsioon on kooskõlas epiteeli organisatsiooniga ning osaleb telgede arengus.

Nematostella vectensis

Lisaks on kivimud, nagu me juba teame, tuntud oma regeneratiivsete võimete poolest. Juba sajandeid on teadlaste seas kõige populaarsemad olnud hüdra polüübid (järgnevate magevee istuvaid kehaosi hüdrooidide klassist). Suuremate rakkude surma aktiveeritud proliferatsioon käivitab hüdra baashaarde regeneratsiooni protsessi. Selle olendi nimi vihjab müütilisele olendile, kes on tuntud oma regeneratsiooni poolest — Lernaea hüdra, keda suudab alistada Herakles.

Kuigi regeneratiivsete võimetega on suudetud siduda paljunemisega, on endiselt ebaselge, kuidas täpselt see rakuline protsess normaalses keskkonnas organismi erinevatel arenguetappidel kulgeb.

Meduusid, kellel on keeruline elutsükkel, mis koosneb kahest paljunemisastmest (vegetatiivne ja suguline), on suurepärased mudelid paljunemise uurimiseks.

Käesolevas töös mängis põhiuuritava liigi rolli Cladonema pacificum. See liik elab Jaapani rannikul. Algul on sellel meduusil 9 peamist kombitsat, mis hakkavad kooruma ja suurenema (nagu kogu keha) arenedes täiskasvanuks. See omadus võimaldab üksikasjalikult uurida kõiki mehhanisme, mis osalevad selles protsessis.

Lisaks Cladonema pacificum uurimisprojekti raames käsitleti ka teisi meduusiliike: Cytaeis uchidae ja Rathkea octopunctata.

Uuringu tulemused

Kuna ruumilise paljunemise seaduspärasuse mõistmiseks Cladonema medusas, kasutasid teadlased 5-etiin-2’-deoksüuridiiniga (EdU) värvimist, mis märgistab rakke. S-faas* või rakud, mis on selle juba läbinud.

S-faas* — raku tsükli faas, kus toimub DNA replikatsioon.

Kuna Cladonema kasvab järsult ja näitab kombitsate hargnemist arenevas etapis (1A—1C), võib paljunenud rakkude jaotumine muutuda kogu küpsemise jooksul.

Kujutis nr 1: raku paljunemise omadused noortel Cladonema.

Selle omaduse tõttu õnnestus uurida rakkude paljunemise mehhanismi nii noortel (päev 1) kui ka suguküpsetel (päev 45) meduusidel.

Noorte meduuside EdU-positiivseid rakke leiti kogu keha ulatuses, sealhulgas viik, manubrium (meduusi suu toetav organ) ja kombitsad, sõltumata EdU-le kokkupuute ajast (1D–1K ja 1N–1O, EdU: 20 µM (mikromolaarsus) pärast 24 tundi).

Manubriumis leiti EdU-positiivsete rakkude arv väga väike (1F ja 1G), samas kui viiga nende jaotumine oli väga ühtlane, eriti viigi väliskihis (exumbrella, 1H—1K). Kombitsates olid EdU-positiivsed rakud tugevalt klasterdatud (1N). Mitootilise markeriga (PH3 antikehad) kinnitati, et EdU-positiivsed rakud on tõepoolest proliferatsioonirakud. PH3-positiivsed rakud leiti nii vihmavarjus kui ka tentakli bulbis (1L ja 1P).

Tentaklites leiti mitootilisi rakke peamiselt ektodermis (1P), samas kui vihmavarjus asusid proliferatsioonirakud pindmises kihis (1M).

Pilt №2: rakulise proliferatsiooni eripära täiskasvanud Cladonema puhul.

Nii noorte kui ka täiskasvanud isendite seas leiti EdU-positiivseid rakke suures koguses üle keha. Vihmavarjus olid EdU-positiivsed rakud sagedamini pindmises kihis kui alumises, mis on sarnane noorte isendite vaatlusele (2A—2D).

Kuid tentaklites oli olukord veidi erinev. EdU-positiivsed rakud kogunesid tentakli alusesse (bulb), kus avastati kaks klastrit bulbide mõlemal pool (2E ja 2F). Sarnaseid kogunemisi täheldati ka noortel isenditel (1N), st tentakli bulbid võivad olla peamine proliferatsiooni piirkond kogu meduusifaasis. Huvi pakub, et täiskasvanud isendite manubriumis oli EdU-positiivsete rakkude arv oluliselt suurem kui noortel (2G ja 2H).

Kokkuvõttes võib öelda, et rakkude proliferatsioon võib toimuda ühtlaselt meduusi vihmavarjus, kuid tentaklites on see protsess väga lokaliseeritud. Seega võib eeldada, et ühtlane rakkude proliferatsioon võib kontrollida keha kasvu ja koestruktuuri homöostaasi, samas kui tentakli bulbide lähedal esinevad proliferatsioonikogunemised osalevad tentaklite morfogeneesis.

Kehade arengu aspektis mängib proliferatsioon olulist rolli keha kasvu.

Pilt №3: proliferatsiooni tähtsus meduusi kehakasvu protsessis.

Kuna seda praktikas kontrollida, jälgisid teadlased meduuside kehade kasvu noorte isendite juures. Meduusi keha suuruse määramine on kõige lihtsam selle kupu järgi, kuna see kasvab ühtlaselt ja proportsionaalselt kogu kehaga.

Normaalse toitmise korral laboritingimustes suureneb kupu suurus esimestel 24 tunni jooksul järsult 54,8% — 0,62 ± 0,02 mm2-lt 0,96 ± 0,02 mm2-le. Järgmise 5 päeva jälgimise jooksul suurenes suurus aeglaselt ja sujuvalt 0,98 ± 0,03 mm2-ni (3A—3C).

Teised meduusid, kellel oli toidupuudus, ei kasvanud, vaid vähenesid (punane joon graafikul 3C). Rakkude analüüs nälgivate meduuside puhul näitas äärmiselt madalat EdU-rakkude arvu: 1240,6 ± 214,3 kontrollgrupi meduusidel ja 433,6 ± 133 nälgivatelt (3D—3H). See tähelepanek võib olla otsene tõend, et toitumine mõjutab otse proliferatsiooniprotsessi.

Hüpoteesi kontrollimiseks viisid teadlased läbi farmakoloogilise analüüsi, mille käigus blokeeriti rakutsükli progresseerumine hüdroksükarbamiidi (CH4N2O2) abil - rakutsükli inhibiitor, mis põhjustab G1 faasi peatuse. Selle sekkumise tulemusena kadusid EdU abil varem tuvastatud S-faasi rakud (3I—3L). Seega, meduusid, mida raviti CH4N2O2-ga, ei näidanud keha kasvu, erinevalt kontrollgrupist (3M).

Uuringu järgmine etapp oli meduuside hargnevaid tentakleid üksikasjalikult uurida, et kinnitada oletust, et kohaliku rakuproliferatsiooni mõju tentakleidede morfogeneesile.

Pilt nr 4: kohaliku proliferatsiooni mõju meduuside hargnemisele ja kasvule.

Noore meduusi tentakleidel on üks haru, kuid aja jooksul suureneb harude arv. Laboratoorsetes tingimustes kolm korda hargnemine üheksa päeva jooksul (4A ja 4C).

Taaskord, CH4N2O2 kasutamisel hargnemist ei täheldatud, vaid oli ainult üks haru (4B ja 4C). Huvi pakkuda, et CH4N2O2 eemaldamine meduuside kehast taastab tentakleidede hargnemise protsessi, mis näitab medikamentoosse sekkumise pöörduvust. Need tähelepanekud näitavad selgelt proliferatsiooni tähtsust tentakleidede arengus.

Kammkarbid ei oleks kammkarbid ilma nematotsiidideta (nämmytetsüüd, st stingiv rakud). Meduusi liik Clytia hemisphaerica varsarakud nipitseda tentaklide ampullides tarnivad nematotsüüte tentakli otstesse just rakkude proliferatsiooni kaudu. Loomulikult otsustasid teadlased seda väidet samuti uurida.

Nematotsiidide ja proliferatsiooni vahelise seose leidmiseks kasutati tuuma värvainet, mis suudab tuvastada polü-γ-glutamaati, mis sünteesitakse nematotsiidide seinas (DAPI, st 4’,6-diamidiin-2-fenüülindool).

Поли-γ-глутамат värvimine võimaldas hinnata nematotsüütide suurust, mis varieerus 2 kuni 110 μm² (4D—4G). Samuti leiti teatud arv tühje nematotsüüte, st sellised nematotsüüdid olid ammendatud (4D—4G).

Jellyfish'i tentaklite proliferatsiooni aktiivsust kontrolliti nematotsüütides esinevate tühikute uurimise teel pärast rakutsükli blokeerimist CH4N2O2 abil. Tühjade nematotsüütide osakaal meduusides pärast ravimi sekkumist oli kõrgem kui kontrollgrupis: 11,4% ± 2,0% kontrollgrupi meduuside seas ja 19,7% ± 2,0% CH4N2O2 saanud meduuside seas (4D—4G ja 4H). Seega, isegi pärast ammendumist jätkavad nematotsüüdid aktiivselt varustamist eelkäijarakudega, mis kinnitab selle protsessi mõju mitte ainult telgude arengule, vaid ka nematogeneesile neis.

Kuid kõige huvitavam oli uuringu etapp meduuside regeneratiivsete võimete uurimisel. Arvestades kõrget proliferatiivsete rakkude kontsentratsiooni telgude pirnis küpsetes meduusides Cladonema, otsustasid teadlased uurida just telgude regeneratsiooni.

Pilt nr 5: proliferatsiooni mõju telgude regeneratsioonile.

Pärast telgude disektsiooni alusel täheldati regeneratsiooni protsessi (5A–5D). Esimese 24 tunni jooksul toimus paranemine lõikealal (5B). Teisel vaatluspäeval hakkas tipp pikenema ja ilmusid harusid (5C). Viiel päeval oli telg täielikult hargnenud (5D), seega võib telje regeneratsioon järgida normaalse telje morfogeneesi pärast pikenemist.

Regeneratsiooni algstaadiumi paremaks uurimiseks analüüsisid teadlased proliferatiivsete rakkude jaotust PH3 värvimise abil, et visualiseerida mitoositvaid rakke.

Kuigi jagunevaid rakke täheldati sageli amputeeritud piirkonna lähedal, olid mitoositavad rakud hajutatud mitte lõigatud kontrollpirnides telgedega (5E ja 5F).

PH3-positiivsete rakkude kvantitatiivne hindamine telgede pirnides võimaldas tuvastada olulise kasvu PH3-positiivsete rakkude osakaalus telgede pirnides isikutel, kellel olid amputatsiooniga lõpped võrreldes kontrollgrupiga (5G). Kokkuvõtteks kaasnevad algsed regeneratiivsed protsessid aktiivse proliferatsiooni suurenemisega rakkude seas telgede pirnides.

Proliifereerimise mõju regeneratsioonile uuriti rakkude blokeerimisega CH4N2O2 abil pärast tentakli eemaldamist. Kontrollgrupil kasvatas tentakel pärast amputatsiooni normaalselt, nagu oodata oli. Kuid grupis, kus rakendati CH4N2O2, kasvu ei toimunud, vaatamata haava normaalsele paranemisele (5H). Teisisõnu, paranemine toimub igal juhul, kuid tentakli õige regeneratsiooni jaoks on vajalik proliifereerimine.

Lõpetuseks otsustasid teadlased uurida proliifereerimist ka teiste meduuside liikide puhul, nimelt Cytaeis ja Rathkea.

Kujutis nr 6: Cytaeis'i (vasakul) ja Rathkea (paremal) meduuside proliifereerimise võrdlus.

Uus Cytaeis medusa EdU-positiivseid rakke täheldati manubriumis, tentaklite pirnides ja vihmavarju ülaosas (6A ja 6B). Leitud PH3-positiivsete rakkude asukoht on Cytaeis väga sarnane Cladonema, kuid olemas on mõned erinevused (6C ja 6D). Ent EdU-positiivsed ja PH3-positiivsed rakud avastati peaaegu eranditult manubriumis ja tentaklite pirnides ( Rathkea 6E6H—Samuti on huvitav, et proliifereerivad rakud tuvastati sageli meduusi neerudes).

6G Rathkea (6H—), mis peegeldab selle liigi aseksuaalset paljunemist.Arvesse võttes saadud teavet, võib oletada, et rakud proliifereeruvad tentaklite pirnides mitte ainult ühel meduuside liigil, kuigi olemas on erinevused, mis tulenevad füsioloogia ja morfoloogia erinevusest.

Üks minu lemmikkirjanduslikest tegelastest on Hercule Poirot. Teravmeelne detektiiv pööras alati erilist tähelepanu detailidele, mis teistele tundusid ebaolulised. Teadlased sarnanevad paljuski detektiividega, kes koguvad kõik võimalikud tõendid, et vastata kõikidele uurimise küsimustele ja tuvastada "süüdlane".

Kuna soovin üksikasjalikumalt uurimise nüansse, soovitan tutvuda teadlaste raportiga.

Epilog

Kui palju see ka ei kõlaks, on meduuside rakud regeneratsioon tihedalt seotud proliifereerimisega — lahutamatu protsessiga rakkude, kudede ja seeläbi kogu organismi arengus. Süvitsi minev uuring selle ulatusliku protsessi üle võimaldab paremini mõista selle aluseks olevaid molekulaarsed mehhanisme, mis võib omakorda laiendada mitte ainult meie teadmiste spektrit, vaid ka otseselt mõjutada meie elu.

Kuigi see võib tunduda ilmselge, on meduuside rakkude regeneratsioon otseselt seotud proliferatsiooniga — vältimatu protsess rakukoe ja seeläbi kogu organismi arengus. Sügavam uurimine sellest põhjalikust protsessist aitab paremini mõista selle molekulaarseid mehhanisme, mis selle taga seisavad, mis omakorda mitte ainult ei laienda meie teadmiste ulatust, vaid mõjutab ka otseselt meie elu.

Reede off-topic:

Tänan tähelepanu eest, jääge uudishimu juurde ja soovin kõigile toredat nädalavahetust, sõbrad! 🙂

Aitäh, et olete meiega. Kas teile meeldivad meie artiklid? Kas soovite näha rohkem huvitavat sisu? Toetage meid, tellides teenuse või soovitades meid tuttavatele. 30% allahindlus Habr'i kasutajatele ainulaadsele sissetuleku tasemel serverile, mille oleme teie jaoks välja mõelnud: Kogu tõde VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 tuuma) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps alates $20 või kuidas õigesti serverit jagada? (saadaval RAID1 ja RAID10 variandid, kuni 24 tuuma ja kuni 40GB DDR4).

Dell R730xd kaks korda odavam? Ainult meie juures 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TB alates $199 Hollandis! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — alates $99! Lugege sellest Kuidas luua ettevõtte tasemel infrastruktuuri, kasutades Dell R730xd E5-2650 v4 servereid, mille hind on 9000 eurot, taskukohase hinna eest?

Allikas: habr.com