Mis on ühist Wolverine'il, Deadpoolil ja Meduusil? Kõigil neil on hämmastav omadus - regenereerimine. Muidugi on koomiksites ja filmides see äärmiselt piiratud arvu päris elusorganismide seas levinud võime veidi (ja mõnikord ka tugevasti) liialdatud, kuid see jääb väga reaalseks. Ja seda, mis on tõeline, saab seletada, mida Tohoku ülikooli (Jaapan) teadlased otsustasid oma uues uuringus teha. Millised rakulised protsessid meduuside kehas on seotud regeneratsiooniga, kuidas see protsess kulgeb ja millised muud supervõimed on neil tarretiselaadsetel olenditel? Sellest räägib meile uurimisrühma aruanne. Mine.
Uurimistöö alus
Esiteks selgitavad teadlased, miks nad otsustasid oma tähelepanu meduusidele keskenduda. Tõsiasi on see, et enamik bioloogiaalaseid uuringuid tehakse nn mudelorganismide osalusel: hiired, äädikakärbsed, ussid, kalad jne. Kuid meie planeedil elab miljoneid liike, millest igaühel on üks või teine kordumatu võime. Järelikult on võimatu rakkude uuenemise protsessi täielikult hinnata, uurides ainult ühte liiki, ja eeldada, et uuritud mehhanism on ühine kõigile Maa olenditele.
Meduuside osas räägivad need olendid juba oma välimuse poolest nende ainulaadsusest, mis ei saa muud kui teadlaste tähelepanu äratada. Seetõttu tutvusin enne uurimistöö enda lahkamisega alustamist selle peategelasega.
Sõna "meduus", mida oleme harjunud olendit sellisena nimetama, viitab tegelikult ainult cnidaarse alatüübi elutsükli etapile. medusozoa. Cnidarid said sellise ebatavalise nime, kuna nende kehas leidus nõelavaid rakke (knidotsüüte), mida kasutatakse jahipidamiseks ja enesekaitseks. Lihtsamalt öeldes võite meduusilt nõelamise korral tänada neid rakke valu ja kannatuste eest.
Knidotsüüdid sisaldavad cnidotsüste, rakusisest organelli, mis vastutab "torkava" efekti eest. Nende välimuse ja vastavalt kasutusviisi järgi eristatakse mitut tüüpi cnidotsüüte, mille hulgas on:
- penetrandid - teravate otstega niidid, mis läbistavad ohvri või kurjategija keha nagu odad, süstides neurotoksiini;
- glutandid - kleepuvad ja pikad niidid, mis ümbritsevad ohvrit (mitte kõige meeldivam kallistus);
- volvents on lühikesed niidid, millesse ohver võib kergesti takerduda.
Selliseid ebastandardseid relvi seletatakse asjaoluga, et meduusid, kuigi graatsilised, pole eriti väledad olendid. Saagi kehasse sattuv neurotoksiin halvab selle hetkega, mis annab meduusile palju aega lõunapausiks.
Meduusid pärast edukat jahti.
Lisaks ebatavalisele jahi- ja kaitsemeetodile on meduusidel väga ebatavaline paljunemine. Isased toodavad spermat ja emased munad, mille sulandumise järel moodustuvad põhja settivad planulaed (vastsed). Mõne aja pärast kasvab vastsest polüüp, millest täiskasvanuks saades murduvad noored meduusid sõna otseses mõttes maha (tegelikult tekib pungumine). Seega on elutsüklil mitu etappi, millest üks on meduuside ehk medusoidide põlvkond.
Karvane tsüaane, tuntud ka kui lõvilakas.
Kui karvane tsüaane käest küsida, kuidas jahipidamise efektiivsust tõsta, vastaks ta - rohkem kombitsaid. Kokku on neid umbes 60 (kupli igas nurgas 15 kombitsast koosnevad kobarad). Lisaks peetakse seda tüüpi meduusid suurimaks, kuna kupli läbimõõt võib ulatuda 2 meetrini ja kombitsad võivad jahipidamise ajal ulatuda kuni 20 meetrini. Õnneks pole see liik eriti "mürgine" ega ole seetõttu inimestele surmav.
Meriherilane annaks kvantiteedile omakorda kvaliteeti juurde. Seda tüüpi meduusidel on ka kupli neljas nurgas 15 kombitsat (pikkusega 3 m), kuid nende mürk on mitu korda tugevam kui tema suurel sugulasel. Arvatakse, et meriherilasel on piisavalt neurotoksiini, et tappa 60 minutiga 3 inimest. See merede äikesetorm elab Põhja-Austraalia ja Uus-Meremaa rannikuvööndis. Aastate 1884–1996 andmetel suri Austraalias 63 inimest, kuid need andmed võivad olla ebatäpsed ning inimeste ja meriherilaste surmaga lõppenud kohtumiste arv võib olla palju suurem. Aastate 1991–2004 andmetel sattus aga 225 juhtumi hulgas haiglasse vaid 8% ohvritest, sealhulgas üks surm (kolmeaastane laps).
Merekasv
Nüüd pöördume tagasi täna vaadeldava uuringu juurde.
Rakkude seisukohalt on iga organismi eluea kõige olulisem protsess rakkude proliferatsioon – kehakudede kasvuprotsess rakkude paljunemise teel jagunemise teel. Keha kasvu ajal reguleerib see protsess keha suuruse suurenemist. Ja kui keha on täielikult moodustunud, reguleerivad vohavad rakud rakkude füsioloogilist vahetust ja kahjustatud rakkude asendamist uutega.
Cnidaariaid kui kahepoolsete ja varajaste metazoaanide sõsarrühma on kasutatud evolutsiooniprotsesside uurimiseks aastaid. Seetõttu pole cnidarid vohamise osas erand. Näiteks merianemooni embrüonaalse arengu ajal Nematostella vectensis rakkude proliferatsioon on kooskõlastatud epiteeli organisatsiooniga ja on seotud kombitsate arenguga.
Nematostella vectensis
Muuhulgas, nagu me juba teame, on cnidarid tuntud oma taastumisvõime poolest. Hüdrapolüüpe (hüdroidide klassi kuuluv magevee sessiilsete koelenteraatide perekond) on teadlaste seas peetud kõige populaarsemaks juba sadu aastaid. Surevate rakkude poolt aktiveeritud proliferatsioon käivitab hüdra basaalpea regenereerimise protsessi. Juba selle olendi nimi vihjab müütilisele olendile, kes on tuntud oma uuenemise poolest – Lernae hüdrale, mille Herakles suutis võita.
Kuigi regeneratiivseid võimeid on seostatud proliferatsiooniga, jääb ebaselgeks, kuidas see rakuprotsess normaalsetes tingimustes organismi arengu erinevatel etappidel toimub.
Meduusid, millel on keeruline elutsükkel, mis koosneb kahest paljunemisetapist (vegetatiivne ja seksuaalne), on suurepärane mudel vohamise uurimiseks.
Selles töös mängis peamise uuritava isendi rolli meduusid liigist Cladonema pacificum. See liik elab Jaapani ranniku lähedal. Esialgu on sellel meduusil 9 peamist kombitsat, mis hakkavad täiskasvanuks arenedes hargnema ja suurenema (nagu kogu keha). See funktsioon võimaldab meil üksikasjalikult uurida kõiki selle protsessiga seotud mehhanisme.
Lisaks Cladonema pacificum Uuringus vaadeldi ka teist tüüpi meduusid: Cytaeis uchidae и Rathkea octopunctata.
Uuringute tulemused
Cladonema medusa rakkude proliferatsiooni ruumilise mustri mõistmiseks kasutasid teadlased 5-etünüül-2'-desoksüuridiini (EdU) värvimist, mis märgistab rakke S-faas* või rakud, mis on selle juba läbinud.
S-faas* - rakutsükli faas, milles toimub DNA replikatsioon.
Eeldusel, et Cladonema suureneb dramaatiliselt ja arenemise ajal ilmneb kombitsate hargnemine (1A-1C), võib prolifereeruvate rakkude jaotus küpsemise ajal muutuda.
Pilt nr 1: rakkude proliferatsiooni tunnused noorel kladoneemal.
Tänu sellele omadusele oli võimalik uurida rakkude proliferatsiooni mehhanismi nii noortel (1. päev) kui ka suguküpsetel (45. päev) meduusidel.
Noorte meduuside puhul leiti EdU-positiivseid rakke suurel hulgal kogu kehast, sealhulgas umbluust, manubriumist (meduuside suuõõne tugiorgan) ja kombitsatest, olenemata EdU-ga kokkupuute ajast.1D-1K и 1N-1O, EdU: 20 uM (mikromolaarne) 24 tunni pärast).
Manubriumist leiti üsna palju EdU-positiivseid rakke (1F и 1G), kuid vihmavarjus oli nende jaotus väga ühtlane, eriti vihmavarju väliskestas (eksumbrella, 1H-1K). Kombitsates olid EdU-positiivsed rakud väga rühmitatud (1N). Mitootilise markeri (PH3 antikeha) kasutamine võimaldas kontrollida, kas EdU-positiivsed rakud on prolifereeruvad rakud. PH3-positiivsed rakud leiti nii vihmavarjust kui kombitsasibulast (1L и 1P).
Kombitsas leidus mitootilised rakud peamiselt ektodermis (1P), samal ajal kui vihmavarjus paiknesid prolifereeruvad rakud pinnakihis (1M).
Pilt nr 2: rakkude proliferatsiooni tunnused küpses kladoneemas.
Nii noortel kui ka küpsetel inimestel leiti EdU-positiivseid rakke suurel hulgal kogu kehast. Umblas leiti EdU-positiivseid rakke sagedamini pindmises kihis kui alumises kihis, mis on sarnane noorloomade vaatlustega (2A-2D).
Kuid kombitsades oli olukord mõnevõrra erinev. EdU-positiivsed rakud kogunesid kombitsa (pirni) põhja, kus mõlemal pool pirni leiti kaks kobarat (2E и 2F). Sarnast kuhjumist täheldati ka noortel inimestel (1N), st. kombitsasibulad võivad olla peamine levikuala kogu medusoidi staadiumis. On uudishimulik, et täiskasvanud isendite manubriumis oli EdU-positiivsete rakkude arv oluliselt suurem kui noortel (2G и 2H).
Vahetulemus on see, et meduuside vihmavarjus võib rakkude vohamine toimuda ühtlaselt, kuid kombitsas on see protsess väga lokaalne. Seetõttu võib eeldada, et rakkude ühtlane proliferatsioon suudab kontrollida keha kasvu ja kudede homöostaasi, kuid kombitsasibulate lähedal asuvad prolifereeruvate rakkude klastrid osalevad kombitsa morfogeneesis.
Keha enda arengu seisukohalt mängib proliferatsioon keha kasvus olulist rolli.
Pilt nr 3: leviku tähtsus meduuside kehakasvu protsessis.
Selle praktikas testimiseks jälgisid teadlased meduuside kehakasvu, alustades noortest isenditest. Meduuside keha suurust on kõige lihtsam määrata selle kupli järgi, kuna see kasvab ühtlaselt ja proportsionaalselt kogu kehaga.
Normaalsel söötmisel laboritingimustes suureneb kupli suurus esimese 54.8 tunni jooksul järsult 24% - 0.62 ± 0.02 mm2-lt 0.96 ± 0.02 mm2-ni. Järgmise 5 vaatluspäeva jooksul suurenes suurus aeglaselt ja sujuvalt 0.98 ± 0.03 mm2-ni (3А-3S).
Teise rühma meduusid, kes jäid toidust ilma, ei kasvanud, vaid kahanesid (graafikul punane joon 3S). Nälgivate meduuside rakuanalüüs näitas äärmiselt väikese arvu EdU rakkude olemasolu: kontrollrühma meduusidel 1240.6 ± 214.3 ja nälgivatel 433.6 ± 133 (3D-3H). See tähelepanek võib olla otsene tõend selle kohta, et toitumine mõjutab otseselt vohamise protsessi.
Selle hüpoteesi kontrollimiseks viisid teadlased läbi farmakoloogilise testi, milles nad blokeerisid rakutsükli kulgu, kasutades hüdroksüuureat (CH4N2O2), rakutsükli inhibiitorit, mis põhjustab G1 seiskumist. Selle sekkumise tulemusena kadusid varem EdU abil tuvastatud S-faasi rakud (3I-3L). Seega ei näidanud CH4N2O2-ga kokku puutunud meduusid erinevalt kontrollrühmast kehakasvu (3M).
Uuringu järgmine etapp oli meduuside hargnevate kombitsate üksikasjalik uurimine, et kinnitada oletust, et rakkude lokaalne proliferatsioon kombitsates aitab kaasa nende morfogeneesile.
Pilt nr 4: lokaalse vohamise mõju meduuside kombitsate kasvule ja hargnemisele.
Noore meduusi kombitsatel on üks haru, kuid aja jooksul nende arv suureneb. Laboritingimustes suurenes hargnemine üheksandal vaatluspäeval 3 korda (4А и 4S).
Jällegi, kui kasutati CH4N2O2, ei täheldatud kombitsate hargnemist, vaid ainult üks haru (4B и 4C). On uudishimulik, et CH4N2O2 eemaldamine meduuside kehast taastas kombitsate hargnemisprotsessi, mis näitab ravimi sekkumise pöörduvust. Need tähelepanekud näitavad selgelt proliferatsiooni tähtsust kombitsate arengus.
Cnidarians ei oleks cnidarians ilma nematotsüütideta (cnidocytes, st cnidarians). Meduusaliigil Clytia hemisphaerica varustavad kombitsasibulate tüvirakud nematsüstidega kombitsate tippu just tänu rakkude vohamisele. Loomulikult otsustasid teadlased ka seda väidet testida.
Nematsüstide ja proliferatsiooni vahelise seose tuvastamiseks kasutati tuumavärvimisvärvi, mis võib märgistada nematsüsti seinas sünteesitud polü-γ-glutamaati (DAPI, st 4',6-diamidino-2-fenüülindool).
Polü-γ-glutamaadi värvimine võimaldas meil hinnata nematotsüütide suurust vahemikus 2 kuni 110 μm2 (4D-4G). Samuti tuvastati hulk tühje nematsüste, see tähendab, et sellised nematotsüüdid olid ammendunud (4D-4G).
Proliferatsiooni aktiivsust meduuside kombitsas testiti, uurides tühjeid nematotsüütides pärast rakutsükli blokeerimist CH4N2O2-ga. Tühjade nematotsüütide osatähtsus meduusides pärast ravimite sekkumist oli suurem kui kontrollrühmas: kontrollrühma meduusidel 11.4% ± 2.0% ja CH19.7N2.0O4-ga meduusidel 2% ± 2% (4D-4G и 4H). Järelikult varustatakse nematsüüte ka pärast kurnatust aktiivselt proliferatsiooni eellasrakkudega, mis kinnitab selle protsessi mõju mitte ainult kombitsate arengule, vaid ka nematogeneesile neis.
Kõige huvitavam etapp oli meduuside taastumisvõime uurimine. Arvestades proliferatiivsete rakkude suurt kontsentratsiooni küpsete meduuside kombitsasibulas Cladonema, otsustasid teadlased uurida kombitsate taastumist.
Pilt nr 5: proliferatsiooni mõju kombitsate taastumisele.
Pärast kombitsate lahtilõikamist põhjas täheldati regeneratsiooniprotsessi (5A-5D). Esimese 24 tunni jooksul toimus sisselõike piirkonnas paranemine (5B). Teisel vaatluspäeval hakkas ots pikenema ja ilmusid oksad (5S). Viiendal päeval oli kombits täielikult hargnenud (5D), seetõttu võib kombitsate taastumine pärast pikenemist järgida kombitsa normaalset morfogeneesi.
Regeneratsiooni algfaasi paremaks uurimiseks analüüsisid teadlased prolifereeruvate rakkude jaotumist, kasutades mitootiliste rakkude visualiseerimiseks PH3 värvimist.
Kui amputeeritud piirkonna lähedal täheldati sageli jagunevaid rakke, siis mitootilised rakud hajusid lõikamata kontrollkombitsibulatesse (5E и 5F).
Kombitsisibulates esinevate PH3-positiivsete rakkude kvantifitseerimine näitas PH3-positiivsete rakkude arvu olulist suurenemist amputeeritute kombitsasibulates võrreldes kontrollidega (5G). Kokkuvõtteks võib öelda, et esialgsete regeneratiivsete protsessidega kaasneb rakkude proliferatsiooni aktiivne suurenemine kombitsasibulates.
Proliferatsiooni mõju regeneratsioonile testiti rakkude blokeerimisega CH4N2O2-ga pärast kombitsa äralõikamist. Kontrollrühmas toimus kombitsate pikenemine pärast amputatsiooni normaalselt, nagu oodatud. Kuid rühmas, kellele manustati CH4N2O2, pikenemist ei toimunud, hoolimata normaalsest haava paranemisest (5H). Teisisõnu, paranemine toimub igal juhul, kuid vohamine on vajalik kombitsate õigeks taastumiseks.
Lõpuks otsustasid teadlased uurida vohamist teistes meduusiliikides, nimelt Cytaeis и Rathkea.
Pilt nr 6: Cytaeis (vasakul) ja Rathkea (paremal) meduuside leviku võrdlus.
У Cytaeis medusa EdU-positiivseid rakke täheldati manubriumis, kombitsasibulates ja vihmavarju ülemises osas (6А и 6V). Tuvastatud PH3-positiivsete rakkude asukoht Cytaeis väga sarnane CladonemaSiiski on mõned erinevused (6C и 6D). Aga kl Rathkea EdU-positiivseid ja PH3-positiivseid rakke leiti peaaegu eranditult manubriumi ja kombitsasibulate piirkonnast (6E-6H).
Huvitav on ka see, et meduuside neerudes tuvastati sageli vohavaid rakke Rathkea (6E-6G), mis peegeldab selle liigi aseksuaalset paljunemistüüpi.
Saadud teavet arvesse võttes võib oletada, et rakkude vohamine ei toimu kombitsasibulates mitte ainult ühel meduusiliigil, kuigi erinevusi on füsioloogia ja morfoloogia erinevuste tõttu.
Uuringu nüanssidega täpsemaks tutvumiseks soovitan vaadata .
Epiloog
Üks mu lemmiktegelasi on Hercule Poirot. Nutikas detektiiv pööras alati erilist tähelepanu väikestele detailidele, mida teised pidasid ebaoluliseks. Teadlased on palju nagu detektiivid, kes koguvad kõik võimalikud tõendid, et vastata kõikidele uurimise küsimustele ja selgitada välja "süüdlane".
Ükskõik kui ilmselgelt see ka ei kõlaks, on meduuside rakkude taastumine otseselt seotud proliferatsiooniga – lahutamatu protsessiga rakkude, kudede ja sellest tulenevalt kogu organismi arengus. Selle tervikliku protsessi põhjalikum uurimine võimaldab meil paremini mõista selle aluseks olevaid molekulaarseid mehhanisme, mis omakorda ei laienda mitte ainult meie teadmiste ulatust, vaid mõjutab otseselt ka meie elu.
Reede off-top:
Aurelia liigi meduuside märts, keda häirib ebahariliku nimega “praemuna meduus”, s.o. praemuna meduus (Planet Earth, hääljuht David Attenborough).
Tegemist pole meduusiga, kuid seda süvamereolendit (pelikanitaolist suursuud) ei pildistata sageli (uurijate reaktsioon on lihtsalt liigutav).
Aitäh vaatamast, olge uudishimulikud ja ilusat nädalavahetust kõigile! 🙂
Täname, et jäite meiega. Kas teile meeldivad meie artiklid? Kas soovite näha huvitavamat sisu? Toeta meid, esitades tellimuse või soovitades sõpradele, Habri kasutajatele 30% allahindlus ainulaadsele algtaseme serverite analoogile, mille me teie jaoks välja mõtlesime: (saadaval RAID1 ja RAID10, kuni 24 tuuma ja kuni 40 GB DDR4-ga).
Dell R730xd 2 korda odavam? Ainult siin Hollandis! Dell R420 – 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB – alates 99 dollarist! Millegi kohta lugema
Allikas: www.habr.com