Enne pulmi kasvab: rakkude paljunemine ja meduuside regenereerimisvõime

Mis on ühist Wolferine'i, Deadpooli ja meduuside vahel? Kõigil neil on hämmastav omadus - regeneratsioon. Loomulikult on see võime koomiksites ja filmides, mis on levinud äärmiselt piiratud arvu reaalsete elusorganismide seas, veidi (mõnikord isegi tugevalt) liialdatud, kuid see jääb täiesti reaalseks. Ja see, mis on tegelik, on seletatav, millega tegelevad teadlased Tohoku ülikoolist (Jaapan) oma uudses uurimuses. Millised rakulised protsessid meduuside kehas on seotud regeneratsiooniga, kuidas see protsess käib ja milliste muude supervõimetega need geelitaolised olendid veel looduses on? Sellest räägib meile uurimiste grupeerimise ettekannet. Alustame.

Uuringu alus

Esiteks selgitavad teadlased, miks nad otsustasid oma tähelepanu keskpunktis hoida meduusid. Asi on selles, et enamus bioloogiat käsitlevaid uuringuid toimub nii-öelda mudelorganismide kaudu: hiirte, puuviljaliblikate, usside, kalade jne abil. Kuid meie planeedil elab miljoneid liike, millest igaühel on teatud unikaalsed võimed. Seega ei saa rakulise regeneratsiooni protsessi täielikult hinnata, uurides ainult ühte liiki ja eeldades, et uuritud mehhanism kehtib kõigi maapealsete olendite kohta.

Mis puutub meduusidesse, siis need olendid ütlevad juba oma välimusega oma unikaalsusest, mis ei saa teadlasi mitte köita. Seetõttu, enne kui asuda uurimuse lahkamisse, tutvustati peategelasega.

Sõna «meduusa», millega me harilikult nimetame seda olendit, tegelikult tähistab vaid kahealuse elutsükli staadiumi. Medusozoa. Veenid on saanud sellise ebatavalise nime oma kehas olevate veenmasterrakud (cnidotsüüdid) tõttu, mida kasutatakse jahtimiseks ja enese kaitsmiseks. Lihtsamalt öeldes, kui teile teeb liiga meduus, võite nende rakkude eest tänada valu ja kannatuste eest.

Knidotsüüdid sisaldavad knidotsüste — rakusisese organelli, mis on vastutav „nõela” efekti eest. Väliselt ja vastavalt rakendamise meetodile eristatakse mitmeid tüüpe knidotsüüde, mille seas võib välja tuua:

• penetraatorid — teravaotsaga kiud, mis tungivad ohvri või ründaja kehasse nagu nooled, süstites neurotoksiini;
• glutiinandid — kleepuvad ja pikad kiud, mis ümbritsevad ohvrit (mitte kõige meeldivamad embused);
• volventid — lühikesed kiud, milles ohver võib kergesti takerduda.

Selline mittestandardses relvastuses on seletatav sellega, et meduusid, kuigi graatsilised, pole just väga kiired olendid. Neurotoksiin, mis satub saagi kehasse, halvatab selle kohe, mis annab meduusile rohkelt aega lõunapausi pidamiseks.

Meduus pärast eduka jahipidamise.

Lisaks ebatavalistele jahtimise ja kaitse meetoditele on meduusidel ka erakordne paljunemine. Isased toodavad seemnerakke ja emased munarakke, mille sulandumisel moodustuvad planulid (vastsed), kes settivad põhja. Aja jooksul kasvab vastsest välja polüüp, millest saavutades täisküpsuse eralduvad noored meduusid (tegelikult toimub pungumine). Seega on elutsüklis mitmeid etappe, millest üks on meduus või meduzoidne põlvkond.

Karvane siianeia, tuntud ka kui 'lõvijuukseline meduus'.

Kui karvast siianeiat küsida, kuidas jahtimise efektiivsust tõsta, vastaks ta — rohkem pungi. Neid on kokku umbes 60 (klastrid koosnevad 15 tentaklist iga kupli nurgas). Lisaks peetakse seda meduuside liiki kõige suuremaks, kuna kupli läbimõõt võib ulatuda kuni 2 meetrini ja tentaklid võivad jahtimise ajal venida kuni 20 meetrini. On hea, et see liik ei eristu eriliste 'mürgisuse' poolt, mistõttu ei ole see inimesele surmav.

Merisi kuning nõel, omakorda, lisaks arvule toob ka kvaliteedi. Sel meduusiliigil on samuti 15 tundrat (3 m pikkuses) iga nelja kupola nurga peal, kuid nende myrk on mitmeid kordi tugevam kui nende suuremate sugulaste puhul. Arvatakse, et merisi kuninga kehas on piisavalt neurotoksiini, et tappa 60 inimest 3 minuti jooksul. See merehäda elab Põhja-Austraalia ja Uus-Meremaa rannikualadel. Aastatel 1884-1996 on Austraalias hukkunud 63 inimest, kuid need andmed võivad olla ebatäpsed ja surmaga lõppenud kohtumiste arv merisi kuningaga võib olla palju suurem. Kuid aastatel 1991-2004 oli 225 juhust, kus vaid 8% kannatanutest viidi haiglasse, sealhulgas üks surmajuhtum (kolmeaastane laps).

Merisi kuning

Ja nüüd naaseme täna käsitletava uuringu juurde.

Rakkude seisukohast on iga organismi elu kõige olulisem protsess rakuline prolifereerimine — keha kudede kasvamise protsess rakkude jagunemise kaudu. Organismi kasvu ajal reguleerib see protsess keha suuruse suurenemist. Kui organism on täielikult vormitud, reguleerivad prolifereerivad rakud füsioloogilist rakkude vahetust ja kahjustatud rakkude asendamist uutega.

Seente sarnased organismid, olles bilateraalsed ja varajased mitmerakuliste organismide arenguharu, on juba aastaid kasvanud evolutsiooniliste protsesside uurimiseks. Seetõttu ei ole seente sarnased organismid erandiks prolifereerimise osas. Näiteks, merikotka embrüonaalses arengus Nematostella vectensis koordineeritakse rakkude prolifereerimist epiteeli organiseerimisega ja see osaleb tuntud tuntide arengus.

Nematostella vectensis

Lisaks sellele, nagu me juba teame, on kahjustusvaba mitte ainult imetlusväärne, vaid ka tuntud oma regeneratiivsete võimete poolest. Sajad aastad on polüpid, mida tuntakse kui hüdraid (magaste istuvate kehaomanike hüdroidide klassist), teadlaste seas olnud kõige populaarsemad. Hüdra basaalse pea regeneratsiooni protsessi käivitab surevate rakkude aktiveeritud proliferatsioon. Selle olendi nimi viitab müütilisele loomale, mis on tuntud oma regeneratsiooni poolest — Lernean hüdra, kelle üle suutis võitu saada Herakles.

Kuigi regeneratiivsed võimed on seotud proliferatsiooniga, jääb ebaselgeks, kuidas see rakuline protsess normaalses seisundis organismi arenguetappidel kulgeb.

Meduusid, kellel on keeruline elu tsükkel, mis koosneb kahest paljunemise etapist (vegetaatiivne ja suguline), on suurepärased mudelid proliferatsiooni uurimiseks.

Antud töös mängis peamist uuritavat isendit meduus liik Cladonema pacificum. See liik elab Jaapani rannikul. Alguses on sellel meduusil 9 peamist tundlat, mis hakkavad arenguga kuni täiskasvanud isendiks saamiseni hargnema ja suurenevad (nagu ka kogu keha) suuruses. See omadus võimaldab põhjalikult uurida kõiki mehhanisme, mis osalevad selles protsessis.

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

Uuringu tulemused

Kuna mõista Cladonema medusa rakkude proliferatsiooni ruumilisi seaduspära, kasutasid teadlased 5-ethinyl-2’-deoksüuriidiiniga (EdU) värvimist, mis märgistab rakud S-faasis* või rakud, mis on selle juba läbinud.

S-faasis* - rakutsükli faas, mille käigus toimub DNA replikatsioon.

Kuna Cladonema kasvab suuruselt järsult ja demonstreerib okaste hargnemist arengu ajal (1A—1C), võib proliferatsiooni rakude jaotumine muutuda kogu küpsemise vältel.

Joonis №1: noorte Cladonema rakkude proliferatsiooni omadused.

Selle omaduse tõttu oli võimalik uurida rakkude paljunemise mehhanismi noorte (1. päev) ja täiskasvanud (45. päev) meduuside puhul.

Noorte meduuside puhul leiti EdU-positiivseid rakke suures koguses kogu kehas, sealhulgas kellukes, manubrium (meduuside suumisse kuuluv tosupport) ja kombitsad, sõltumata EdU kokkupuute ajast (1D–1K ja 1N–1O, EdU: 20 µM (mikromolaarselt) 24 tunni pärast).

Manubriumis leiti üsna vähe EdU-positiivseid rakke (1F ja 1G), kuid kelluke oli nende jaotumine väga ühtlane, eriti kellukese väliskestas (exumbrella, 1H—1K). Kombitsates olid EdU-positiivsed rakud tugevalt klasterdatud (1N). Mitootilise markeri (PH3 antikehade) rakendamine kinnitas, et EdU-positiivsed rakud on tõesti paljunemisjärgsed rakud. PH3-positiivseid rakke leiti nii kellukes kui ka kombitsa pirnis (1L ja 1P).

Kombitsates leiti mitoosirakke peamiselt ektodermis (1P), samas kui kellukes asusid paljunemisrakud pinna kihis (1М).

Pilt №2: paljunemise rakulised eripärad täiskasvanud Cladonema puhul.

Nii noortel isenditel kui ka suguküpsetel isenditel leiti EdU-positiivseid rakke rohkesti üle kogu keha. Cabotage EdU-positiivsed rakud paiknesid enamasti pindmises kihis kui allosas, mis on sarnane noorte isendite tähelepanekutega (2A—2D).

Aga antennide puhul oli olukord mõnevõrra erinev. EdU-positiivsed rakud kogunesid antenni alusesse (sibul), kus leiti kaks klastrit sibulast mõlemal pool (2E ja 2F). Noortel isenditel täheldati sarnaseid kogunemisi (1N), st antennite sibulad võivad olla peamine proliferatsiooni koht kogu meduusifaasi vältel. Huvi pärast oli täiskasvanute manubriumis EdU-positiivsete rakkude arv oluliselt suurem kui noortel (2G ja 2H).

Kokkuvõtteks võib öelda, et rakuproliferatsioon võib toimuda ühtlaselt meduusi vankris, samas kui antennides on see protsess väga lokaliseeritud. Seega võib eeldada, et ühtlane rakuproliferatsioon võib kontrollida keha kasvu ja kudede homeostaasi, samas kui proliferatiivsete rakkude kogunemised antibulbide lähedal osalevad antennide morfogeneesis.

Keharengu arendamisel mängib proliferatsioon olulist rolli keha kasvus.

Pilt nr 3: proliferatsiooni tähtsus meduuside keha kasvuprotsessis.

Katseliselt selle tõestamiseks jälgisid teadlased meduuside keha kasvu alates noortest isenditest. Meduusi keha suurust on kõige lihtsam määrata selle katte järgi, kuna see kasvab ühtlaselt ja on otse proportsionaalne kogu kehaga.

Normaalse toitumise korral labori tingimustes suureneb katte suurus 54,8% võrra esimese 24 tunni jooksul — 0,62 ± 0,02 mm2-lt 0,96 ± 0,02 mm2-le. Järgneva 5 päeva jooksul suurenes suurus aeglaselt ja sujuvalt 0,98 ± 0,03 mm2-le (3A—3C).

Teisest grupist meduusid, kes jäid toidust ilma, ei kasvanud, vaid vähenevad (punane joon graafikul 3C). Nälginud meduuside rakuanalüüs näitas äärmiselt väikest arvu EdU-rakke: 1240,6 ± 214,3 kontrollgrupi meduusidel ja 433,6 ± 133 nälgijatel (3D—3H). See observation võib olla otsene tõestus sellest, et toitumine mõjutab otseselt proliferatsiooniprotsessi.

Selle hüpoteesi kontrollimiseks viisid teadlased läbi farmakoloogilise analüüsi, mille käigus blokeeriti rakutsükli edenemine hüdrokarbamiidi (CH4N2O2) — rakutsükli inhibiitori abil, mis põhjustab G1-faasi peatamise. Sellise sekkumise tulemusena kadusid varasemalt EdU abil tuvastatud S-faasi rakud.3I—3L). Seega ei näidanud CH4N2O2-ga ravitud meduusid, erinevalt kontrollgrupist, keha kasvu.3M).

Uuringu järgmine etapp oli meduuside hargneva jala põhjalik uurimine, et kinnitada eeldust, et jalgade rakuline kohalike paljunemine aitab kaasa nende morfogeneesile.

Pilt №4: kohaliku paljunemise mõju meduuside jalgade kasvule ja hargnemisele.

Noorte meduuside jalad omavad ühte haru, kuid aja jooksul nende arv suureneb. Laboritingimustes suurenes hargnemine seitsmendal päev jälgimise ajal 3 korda.4A ja 4C).

Taaskord, CH4N2O2 kasutamisel ei täheldatud jalgade hargnemist, vaid oli vaid üks haru (4B ja 4C). On tähelepanuväärne, et CH4N2O2 eemaldamine meduuside organismist taastatas tentaklite hargnemisprotsessi, mis viitab meditsiinisekkumise pöörduvusele. Need tähelepanekud näitavad selgelt, kui oluline on rakkude paljunemine tentaklite arenguks.

Süvastruktuurid ei oleks süvastruktuurid ilma nematotsiitideta (kniidotsüüd, st süvastruktuuri rakud). Meduusi liik Clytia hemisphaerica varustavad tüvirakud tentaklite sibulates nematotsüüte tentaklite otstesse just rakkude paljunemise kaudu. Loomulikult otsustasid teadlased ka selle väite üle kontrollida.

Nematotsiitide ja rakkude paljunemise vahelise seose avastamiseks kasutati tuumavärvi, mis suudab märgistada polü-γ-glutamaati, mis sünteesitakse nematotsüüdi seintes (DAPI, st 4’,6-diamidino-2-fenüülindool).

Polü-γ-glutamaadi värvimine võimaldas hinnata nematotsiitide suurust, mis varieerus 2 kuni 110 μm² (4D—4G). Samuti tuvastati teatav hulk tühje nematotsiite, st selliseid nematotsiite oli kurnatud (4D—4G).

Meduuside lastede proliferatsiooni aktiivsus kontrolliti nematotsüütide tühjadesse kohtadesse uurimise abil pärast rakutsükli blokeerimist CH4N2O2 abil. Tühjade nematotsiitide osakaal meduuside seas pärast medikamentoosset sekkumist oli kõrgem kui kontrollgrupis: 11,4% ± 2,0% kontrollgrupi meduusidest ja 19,7% ± 2,0% CH4N2O2-ga ravitud meduusidest (4D—4G ja 4H). Seega jätkavad nematotsiidid aktiivselt varustamist eelrakudega proliferatsiooni kaudu isegi pärast kurnamist, mis kinnitab selle protsessi mõju mitte ainult lastede arengule, vaid ka nematogeneesile neis.

Kõige huvitavam etapp oli meduuside regeneratiivsete võimete uurimine. Arvestades kõrget proliferatiivsete rakkude kontsentratsiooni lastede pungi juures küpsetes meduusides Cladonema, otsustasid teadlased uurida just lastede regeneratsiooni.

Pilt nr 5: proliferatsiooni mõju lastede regeneratsioonile.

Pärast lastede dissektsiooni aluses täheldati regeneratsiooni protsessi (5A–5D). Esimese 24 tunni jooksul toimus paranemine lõikealas (5B). Teisel vaatluspäeval hakkas tipp pikenema ja tekkisid harusid (5C). Viiendal oli varsakäsi täielikult harunenud (5D), seega võib varsakäe regeneratsioon järgida tavalist varsakäe morfogeneesi pärast pikendamist.

Regeneratsiooni algfaasi parema uurimise eesmärgil analüüsisid teadlased proliferatiivsete rakkude jaotust, kasutades PH3 värvimist, et visualiseerida mitoosi all olevate rakkude olemasolu.

Samas kui jagunevaid rakke täheldati sageli amputatsioonipiirkonna läheduses, olid mitoosi all olevad rakud hajutatud katsetamata kontrolliloogeliste varsakäes (5E ja 5F).

PH3-positiivsete rakkude kvantitatiivne hindamine varsakeede sibulates võimaldas tuvastada märkimisväärse suurenemise PH3-positiivsetes rakkudes varsakeede sibulates isikutel, kellel oli amputatsioon, võrreldes kontrollrühmaga (5G). Järeldusena kaasnevad algsed regeneratiivsed protsessid aktiivse rakkude proliferatsiooni suurenemisega varsakeede sibulates.

CH4N2O2 abil rakukesede blokaadimine võimaldas uurida proliferatsiooni mõju regeneratsioonile pärast tuntavate haarde kaotamist. Kontrollgrupis toimus haarde pikendamine pärast selle amputeerimist normaalselt, nagu oodata võis. Ent grupis, kus rakendati CH4N2O2, ei toimunud pikendamist, vaatamata haava normaalsele paranemisele (5H). Teisisõnu, paranemine toimub igal juhul, kuid õige haarde regeneratsiooni jaoks on vajalik proliferatsioon.

Lõpetuseks otsustasid teadlased uurida proliferatsiooni teiste meduusiliikide seas, nimelt Cytaeis ja Rathkea.

Pilt nr 6: proliferatsiooni võrdlus meduuside liigist Cytaeis (vasakul) ja Rathkea (paremal).

U Cytaeis Medusa EdU-positiivseid rakke täheldati manubriumis, haarte sipelgates ja katuse ülaservas (6A ja 6B). Avastatud PH3-positiivsete rakkude asukoht meduusil Cytaeis on väga sarnane Cladonema, kuid seal on mõned erinevused (6C ja 6D). Siiski, meduusa Rathkea EdU-positiivsed ja PH3-positiivsed rakud leiti peaaegu eranditult manubriumis ja haarte sipelgates (6E—6H).

Huvitav on ka see, et proliferatsiooniga rakke täheldati sageli meduusa Rathkea (6E—6G), mis väljendab selle liigi aseksuaalset paljunemist.

Saadud teabe põhjal võib eeldada, et rakud prolifereerivad mitte ainult ühes meduuside liikides, vaid nende antennide sibulates, kuigi esinevad ka erinevused, mis on tingitud füsioloogia ja morfoloogia varieerumisest.

Kuna soovid teema nüanssidega lähemat tutvust teha, soovitame vaadata teadlaste aruannet.

Epilog

Üks mu lemmik kirjanduslikest tegelastest on Hercule Poirot. Tähelepanelik detektiiv on alati pööranud erilist tähelepanu väikestele detailidele, mis teistele näivad ebaolulised. Teadlased meenutavad paljuski detektiive, kes koguvad kõik võimalikud tõendid, et vastata uurimise küsimustele ja tuvastada "süüdlane".

Kuigi see võib tunduda ilmselge, on meduuside rakkude regeneratsioon otseselt seotud prolifereerimisega — see on hädavajalik protsess rakkude, kudede ja seega kogu organismi arengus. Selle kõikehõlmava protsessi põhjalikum uurimine võimaldab paremini mõista molekulaarsed mehhanisme, mis seisavad selle taga, mis omakorda võimaldab laiendada mitte ainult meie teadmiste spektrit, vaid ka otseselt mõjutada meie elu.

Reede off-topic:

Aitäh tähelepanu eest, jääge uudishimulisteks ja nautige kõiki nädalavahetusi, sõbrad! 🙂

Aitäh, et olete meiega. Kas teile meeldivad meie artiklid? Kas soovite näha rohkem huvitavaid materjale? Toetage meid, tehes tellimuse või soovitades meid tuttavatele. 30% soodustus Habra kasutajatele meie ainulaadsetelt entry-level serveritelt, mis on loodud just teile: Kõik VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 südamikku) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps alates $20 või kuidas serverit õigesti jagada? (saadaval on RAID1 ja RAID10 variandid, kuni 24 südamikku 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 Hollandi turul! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — alates $99! Lugege, kuidas Luua ettevõtte tasemel infrastruktuur Dell R730xd E5-2650 v4 serveritega, mille hind on 9000 eurot, madala hinnaga?

Allikas: habr.com