Mitä yhteistä on Wolverinella, Deadpoolilla ja Meduusalla? Niissä kaikissa on hämmästyttävä ominaisuus - regeneraatio. Sarjakuvissa ja elokuvissa tämä kyky, joka on yleinen äärimmäisen rajallisella määrällä todellisia eläviä organismeja, on tietysti hieman (ja joskus suuresti) liioiteltu, mutta se on edelleen hyvin todellinen. Ja mikä on todellista, voidaan selittää, mitä Tohokun yliopiston (Japani) tutkijat päättivät tehdä uudessa tutkimuksessaan. Mitkä soluprosessit meduusan kehossa liittyvät uusiutumiseen, miten tämä prosessi etenee ja mitä muita supervoimia näillä hyytelömomaisilla olennoilla on? Tutkimusryhmän raportti kertoo meille tästä. Mennä.
Tutkimuspohja
Ensinnäkin tutkijat selittävät, miksi he päättivät keskittää huomionsa meduusoihin. Tosiasia on, että suurin osa biologian alan tutkimuksesta tehdään niin sanottujen mallieliöiden osallistumisen kautta: hiiret, hedelmäkärpäset, madot, kalat jne. Mutta planeetallamme asuu miljoonia lajeja, joista jokaisella on yksi tai toinen ainutlaatuinen kyky. Näin ollen on mahdotonta arvioida täysin solujen uusiutumisprosessia tutkimalla vain yhtä lajia ja olettaa, että tutkittu mekanismi on yhteinen kaikille maan olennoille.
Mitä tulee meduusoihin, nämä olennot puhuvat ulkonäöstään ainutlaatuisuudestaan, joka ei voi muuta kuin kiinnittää tutkijoiden huomion. Siksi, ennen kuin aloitin itse tutkimuksen dissektion, tapasin sen päähenkilön.
Sana "meduusa", jota olemme tottuneet kutsumaan olentoa sellaisenaan, viittaa itse asiassa vain cnidarian alatyypin elinkaaren vaiheeseen. medusozoa. Cnidarians sai tällaisen epätavallisen nimen, koska heidän kehossaan oli pistäviä soluja (cnidosyyttejä), joita käytetään metsästykseen ja itsepuolustukseen. Yksinkertaisesti sanottuna, kun meduusan pistelee sinua, voit kiittää näitä soluja kivusta ja kärsimyksestä.
Cnidosyytit sisältävät cnidosytoja, solunsisäisiä organelleja, jotka vastaavat "pistelystä" vaikutuksesta. Ulkonäön ja vastaavasti käyttötavan mukaan erotetaan useita cnidosyyttityyppejä, joista ovat:
- penetrantit - teräväpäiset langat, jotka lävistävät uhrin tai rikoksentekijän kehon keihään tavoin ruiskuttaen hermomyrkkyä;
- glutantit - tahmeat ja pitkät langat, jotka ympäröivät uhrin (ei miellyttävin halaus);
- volventit ovat lyhyitä lankoja, joihin uhri voi helposti sotkeutua.
Tällaiset epätyypilliset aseet selittyvät sillä, että meduusat, vaikka ne ovatkin siroja, eivät ole erityisen ketteriä olentoja. Saaliin kehoon päässyt hermomyrkky halvaannuttaa sen välittömästi, mikä antaa meduusalle runsaasti aikaa lounastauolle.
Meduusa onnistuneen metsästyksen jälkeen.
Epätavallisen metsästys- ja puolustusmenetelmänsä lisäksi meduusoilla on hyvin epätavallinen lisääntyminen. Urokset tuottavat siittiöitä ja naaraat munasoluja, joiden fuusioitumisen jälkeen muodostuu pohjalle asettuvia tasoja (toukkia). Jonkin ajan kuluttua toukkasta kasvaa polyyppi, josta nuoret meduusat kirjaimellisesti katkeavat kypsyessään (itse asiassa orastumista tapahtuu). Siten elinkaaressa on useita vaiheita, joista yksi on meduusan tai medusoidin sukupolvi.
Karvainen syaani, joka tunnetaan myös nimellä leijonanharja.
Jos karvaiselta syaanilta kysyttäisiin, kuinka metsästyksen tehokkuutta voidaan lisätä, se vastaisi - lisää lonkeroita. Niitä on yhteensä noin 60 (15 lonkeron rykelmät kupolin jokaisessa kulmassa). Lisäksi tämän tyyppistä meduusaa pidetään suurimpana, koska kupolin halkaisija voi olla 2 metriä ja lonkerot voivat venyä jopa 20 metriin metsästyksen aikana. Onneksi tämä laji ei ole erityisen "myrkyllinen" eikä siksi ole tappava ihmisille.
Meriampiainen puolestaan lisäisi laatua määrään. Tämän tyyppisillä meduusoilla on myös 15 lonkeroa (pituus 3 m) kupolin jokaisessa neljässä kulmassa, mutta niiden myrkky on monta kertaa vahvempaa kuin sen suuren sukulaisen. Meriampiaisella uskotaan olevan tarpeeksi hermomyrkkyä tappamaan 60 ihmistä 3 minuutissa. Tämä merien ukkosmyrsky asuu Pohjois-Australian ja Uuden-Seelannin rannikkoalueella. Vuosien 1884–1996 tietojen mukaan Australiassa kuoli 63 ihmistä, mutta nämä tiedot voivat olla epätarkkoja, ja ihmisten ja meriampiaisten kohtaamisen määrä voi olla paljon suurempi. Kuitenkin vuosien 1991–2004 tietojen mukaan 225 tapauksesta vain 8 % uhreista joutui sairaalaan, mukaan lukien yksi kuolemantapaus (kolmivuotias lapsi).
Meripihka
Palataan nyt tarkastelemaanamme tutkimukseen.
Solujen kannalta tärkein prosessi minkä tahansa organismin koko elämässä on solujen lisääntyminen - kehon kudosten kasvuprosessi solujen lisääntymisen kautta jakautumalla. Kehon kasvun aikana tämä prosessi säätelee kehon koon kasvua. Ja kun keho on täysin muodostunut, lisääntyvät solut säätelevät solujen fysiologista vaihtoa ja vaurioituneiden korvaamista uusilla.
Cnidarians, bilaterian ja varhaisten metazoan sisarryhmänä, on käytetty evoluution prosessien tutkimiseen useiden vuosien ajan. Siksi cnidarians eivät ole poikkeus leviämisen kannalta. Esimerkiksi merivuokon alkionkehityksen aikana Nematostella vectensis solujen lisääntyminen koordinoidaan epiteeliorganisaation kanssa ja se on mukana lonkeroiden kehityksessä.
Nematostella vectensis
Muun muassa cnidarians, kuten jo tiedämme, tunnetaan regeneratiivisista kyvyistään. Hydrapolyyppeja (suku makean veden sessile coelenteraatit hydroidiluokkaan) on pidetty suosituimpana tutkijoiden keskuudessa satojen vuosien ajan. Kuolevien solujen aktivoima lisääntyminen käynnistää hydran tyvipään regeneraatioprosessin. Tämän olennon nimikin viittaa myyttiseen olentoon, joka tunnetaan uudestisyntymisestä - Lernaean Hydrasta, jonka Hercules pystyi voittamaan.
Vaikka regeneratiiviset kyvyt on yhdistetty lisääntymiseen, on edelleen epäselvää, kuinka tämä soluprosessi tapahtuu normaaleissa olosuhteissa organismin eri kehitysvaiheissa.
Meduusat, joilla on monimutkainen elinkaari, joka koostuu kahdesta lisääntymisvaiheesta (kasvillinen ja seksuaalinen), ovat erinomainen malli lisääntymisen tutkimiseen.
Tässä työssä päätutkimuksen kohteena oli Cladonema pacificum -lajin meduusat. Tämä laji elää Japanin rannikolla. Aluksi tällä meduusalla on 9 päälonkeroa, jotka alkavat haarautua ja kasvaa (kuten koko keho) kehittyessään aikuiseksi. Tämän ominaisuuden avulla voimme tutkia yksityiskohtaisesti kaikkia tähän prosessiin liittyviä mekanismeja.
lisäksi Cladonema pacificum Tutkimuksessa tarkasteltiin myös muuntyyppisiä meduusoja: Cytaeis uchidae и Rathkea octopunctata.
Tutkimuksen tulokset
Ymmärtääkseen solujen lisääntymisen spatiaalista mallia Cladonema medusassa tutkijat käyttivät 5-etynyyli-2'-deoksiuridiinivärjäystä (EdU), joka leimaa solut S-vaihe* tai soluja, jotka ovat jo läpäisseet sen.
S-vaihe* - solusyklin vaihe, jossa DNA:n replikaatio tapahtuu.
Ottaen huomioon, että Cladonema kasvaa dramaattisesti ja osoittaa lonkeroiden haarautumista kehityksen aikana (1A-1C), lisääntyvien solujen jakautuminen voi muuttua kypsymisen aikana.
Kuva nro 1: solujen lisääntymisen piirteet nuoressa kladonemassa.
Tämän ominaisuuden ansiosta oli mahdollista tutkia solujen lisääntymisen mekanismia sekä nuorilla (päivä 1) että sukukypsillä (päivä 45) meduusoilla.
Nuorilla meduusoilla EdU-positiivisia soluja löydettiin runsaasti kaikkialta kehosta, mukaan lukien sateenvarjo, manubrium (meduusoiden suuontelon tukielin) ja lonkerot, riippumatta EdU-altistuksen ajasta (1D-1K и 1N-1O, EdU: 20 uM (mikromolaarinen) 24 tunnin kuluttua).
Manubriumista löydettiin melko vähän EdU-positiivisia soluja (1F и 1G), mutta sateenvarjossa niiden jakautuminen oli hyvin tasaista, varsinkin sateenvarjon ulkokuoressa (exumbrella, 1H-1K). Lonkeroissa EdU-positiiviset solut olivat erittäin klusteroituneita (1N). Mitoottisen markkerin (PH3-vasta-aineen) käyttö mahdollisti sen varmistamisen, että EdU-positiiviset solut ovat lisääntyviä soluja. PH3-positiivisia soluja löydettiin sekä sateenvarjosta että lonkeron sipulista (1L и 1P).
Lonkeroissa mitoottisia soluja löydettiin pääasiassa ektodermista (1P), kun taas sateenvarjossa lisääntyvät solut sijaitsivat pintakerroksessa (1M).
Kuva nro 2: solujen lisääntymisen piirteet kypsässä kladonemassa.
Sekä nuorilla että kypsillä yksilöillä EdU-positiivisia soluja löydettiin suuria määriä kaikkialla kehossa. Sateenvarjossa EdU-positiivisia soluja löydettiin useammin pintakerroksessa kuin alemmasta kerroksesta, mikä on samanlaista kuin nuorten havaintojen kanssa (2A-2D).
Mutta lonkeroissa tilanne oli hieman erilainen. EdU-positiiviset solut kerääntyivät lonkeron (sipulin) tyveen, jossa sipulin kummaltakin puolelta löytyi kaksi klusteria (2E и 2F). Myös nuorilla yksilöillä havaittiin samanlaisia kertymiä (1N), eli lonkeroiden sipulit voivat olla tärkein leviämisalue koko medusoidivaiheen ajan. On uteliasta, että aikuisten yksilöiden manubriumissa EdU-positiivisten solujen määrä oli merkittävästi suurempi kuin nuorilla (2G и 2H).
Välitulos on, että solujen lisääntyminen voi tapahtua tasaisesti meduusan sateenvarjossa, mutta lonkeroissa tämä prosessi on hyvin paikallista. Siksi voidaan olettaa, että tasainen soluproliferaatio voi hallita kehon kasvua ja kudosten homeostaasia, mutta lonkeroiden sipulien lähellä olevat lisääntyvät soluryhmät ovat mukana lonkeroiden morfogeneesissä.
Kehon kehityksen kannalta proliferaatiolla on tärkeä rooli kehon kasvussa.
Kuva 3: Lisääntymisen merkitys meduusan kehon kasvuprosessissa.
Tämän testaamiseksi käytännössä tutkijat seurasivat meduusojen kehon kasvua nuorista yksilöistä lähtien. Meduusan vartalon koko on helpoin määrittää sen kupulla, koska se kasvaa tasaisesti ja suoraan suhteessa koko kehoon.
Normaalissa ruokinnassa laboratorio-olosuhteissa kupolin koko kasvaa jyrkästi 54.8 % ensimmäisten 24 tunnin aikana - 0.62 ± 0.02 mm2:stä 0.96 ± 0.02 mm2:iin. Seuraavien viiden havaintopäivän aikana koko kasvoi hitaasti ja tasaisesti 5 ± 0.98 mm0.03:iin (3А-3S).
Toisen ryhmän meduusat, jotka jäivät ilman ruokaa, eivät kasvaneet, vaan pienenivät (punainen viiva kaaviossa 3S). Nälkäisten meduusojen soluanalyysi osoitti erittäin pienen määrän EdU-soluja: 1240.6 ± 214.3 kontrolliryhmän meduusoissa ja 433.6 ± 133 nälkään jääneissä (3D-3H). Tämä havainto voi olla suora todiste siitä, että ravitsemus vaikuttaa suoraan lisääntymisprosessiin.
Tämän hypoteesin testaamiseksi tutkijat suorittivat farmakologisen määrityksen, jossa he estivät solusyklin etenemisen käyttämällä hydroksiureaa (CH4N2O2), solusyklin estäjää, joka aiheuttaa G1-pysähdyksen. Tämän toimenpiteen seurauksena aiemmin EdU:lla havaitut S-vaiheen solut katosivat (3I-3L). Näin ollen meduusat, jotka altistettiin CH4N2O2:lle, eivät osoittaneet kehon kasvua, toisin kuin kontrolliryhmä (3M).
Tutkimuksen seuraava vaihe oli meduusoiden haarautuvien lonkeroiden yksityiskohtainen tutkimus sen oletuksen vahvistamiseksi, että solujen paikallinen lisääntyminen lonkeroissa edistää niiden morfogeneesiä.
Kuva nro 4: paikallisen leviämisen vaikutus meduusan lonkeroiden kasvuun ja haarautumiseen.
Nuoren meduusan lonkeroissa on yksi haara, mutta ajan myötä niiden määrä kasvaa. Laboratorio-olosuhteissa haarautuminen lisääntyi 3 kertaa yhdeksäntenä havaintopäivänä (4А и 4S).
Jälleen, kun käytettiin CH4N2O2:ta, lonkeroiden haaroittumista ei havaittu, vaan vain yksi haara (4B и 4C). On uteliasta, että CH4N2O2:n poistaminen meduusan kehosta palautti lonkeroiden haarautumisprosessin, mikä osoittaa lääkkeen interventioiden palautuvuuden. Nämä havainnot osoittavat selvästi proliferaation merkityksen lonkeroiden kehitykselle.
Cnidarians ei olisi cnidarians ilman nematosyyttejä (cnidosyyttejä, eli cnidarians). Meduusalajeissa Clytia hemisphaerica lonkeroiden sipulien kantasolut syöttävät sukkulamatkoja lonkeroiden kärkiin juuri solujen lisääntymisen vuoksi. Luonnollisesti tutkijat päättivät testata myös tämän väitteen.
Nematokystien ja proliferaation välisen yhteyden havaitsemiseksi käytettiin ydinvärjäysväriä, joka voi merkitä nematokystien seinämään syntetisoitua poly-y-glutamaattia (DAPI, eli 4',6-diamidino-2-fenyyli-indoli).
Poly-γ-glutamaattivärjäys antoi meille mahdollisuuden arvioida nematosyyttien kokoa 2 - 110 μm2 (4D-4G). Myös joukko tyhjiä sukkulasoluja tunnistettiin, toisin sanoen tällaiset nematosyytit olivat loppuneet (4D-4G).
Meduusan lonkeroiden lisääntymisaktiivisuus testattiin tutkimalla onteloita sukkulasoluissa solusyklin salpauksen jälkeen CH4N2O2:lla. Tyhjien sukkulasolujen osuus meduusoissa lääkehoidon jälkeen oli suurempi kuin kontrolliryhmässä: 11.4 % ± 2.0 % kontrolliryhmän meduusoissa ja 19.7 % ± 2.0 % meduusoissa, joissa oli CH4N2O2 (4D-4G и 4H). Näin ollen, jopa uupumuksen jälkeen, sukkulasoluihin syötetään edelleen aktiivisesti proliferaatioprogenitorisoluja, mikä vahvistaa tämän prosessin vaikutuksen paitsi lonkeroiden kehitykseen myös niiden nematogeneesiin.
Mielenkiintoisin vaihe oli meduusoiden regeneratiivisten kykyjen tutkiminen. Ottaen huomioon proliferatiivisten solujen korkea pitoisuus kypsän meduusan lonkerokipulissa Cladonema, tutkijat päättivät tutkia lonkeroiden uusiutumista.
Kuva nro 5: proliferaation vaikutus lonkeroiden uusiutumiseen.
Sen jälkeen kun lonkerot oli leikattu tyvestä, havaittiin regeneraatioprosessi (5A-5D). Ensimmäisen 24 tunnin aikana viiltoalue parani (5B). Toisena havaintopäivänä kärki alkoi pidentyä ja oksia ilmestyi (5S). Viidentenä päivänä lonkero haarautui kokonaan (5D), siksi lonkeroiden uusiutuminen voi seurata normaalia lonkeroiden morfogeneesiä pidennyksen jälkeen.
Regeneraation alkuvaiheen tutkimiseksi paremmin tutkijat analysoivat lisääntyvien solujen jakautumista käyttämällä PH3-värjäystä mitoottisten solujen visualisoimiseksi.
Jakautuvia soluja havaittiin usein amputoidun alueen lähellä, mutta mitoottiset solut hajosivat leikkaamattomiin kontrollilonkeroituihin sipuleihin (5E и 5F).
Lonkeroiden sipulissa olevien PH3-positiivisten solujen kvantifiointi paljasti PH3-positiivisten solujen merkittävän lisääntymisen amputoitujen lonkeropulloissa verrokkeihin verrattuna (5G). Johtopäätöksenä voidaan todeta, että alkuperäisiin regeneratiivisiin prosesseihin liittyy aktiivinen soluproliferaation lisääntyminen lonkeroiden sipuleissa.
Proliferaation vaikutusta regeneraatioon testattiin estämällä solut CH4N2O2:lla lonkeron leikkaamisen jälkeen. Kontrolliryhmässä lonkeroiden venyminen amputoinnin jälkeen tapahtui normaalisti, kuten odotettiin. Mutta ryhmässä, jolle CH4N2O2:ta levitettiin, venymistä ei tapahtunut normaalista haavan paranemisesta huolimatta (5H). Toisin sanoen, paraneminen tapahtuu joka tapauksessa, mutta lisääntyminen on välttämätöntä lonkeroiden kunnollisen uusiutumisen kannalta.
Lopulta tutkijat päättivät tutkia lisääntymistä muissa meduusalajeissa, nimittäin Cytaeis и Rathkea.
Kuva #6: Cytaeis- (vasemmalla) ja Rathkea-meduusoiden (oikealla) lisääntymisen vertailu.
У Cytaeis medusa EdU-positiivisia soluja havaittiin manubriumissa, lonkeroiden sipulissa ja sateenvarjon yläosassa (6А и 6V). Tunnistettujen PH3-positiivisten solujen sijainti Cytaeis hyvin samanlainen kuin Cladonemakuitenkin on joitain eroja (6C и 6D). Mutta klo Rathkea EdU-positiivisia ja PH3-positiivisia soluja löydettiin lähes yksinomaan manubrium- ja lonkerosipulien alueelta (6E-6H).
On myös mielenkiintoista, että meduusoiden munuaisista havaittiin usein lisääntyviä soluja Rathkea (6E-6G), mikä kuvastaa tämän lajin suvutonta lisääntymistyyppiä.
Saadut tiedot huomioon ottaen voidaan olettaa, että solujen lisääntymistä ei tapahdu lonkeroiden sipulissa vain yhdessä meduusalajessa, vaikka fysiologiassa ja morfologiassa on eroja.
Jos haluat tutustua tarkemmin tutkimuksen vivahteisiin, suosittelen katsomaan .
Epilogi
Yksi suosikkikirjallisista hahmoistani on Hercule Poirot. Taitava etsivä kiinnitti aina erityistä huomiota pieniin yksityiskohtiin, joita muut pitivät merkityksettöminä. Tiedemiehet ovat paljon kuin etsiviä, jotka keräävät kaikki löytämänsä todisteet vastatakseen kaikkiin tutkimuksen kysymyksiin ja selvittääkseen "syyllisen".
Huolimatta siitä, kuinka ilmeiseltä se kuulostaakin, meduusasolujen uusiutuminen liittyy suoraan proliferaatioon - olennainen prosessi solujen, kudosten ja sen seurauksena koko organismin kehityksessä. Tämän kattavan prosessin perusteellisempi tutkimus antaa meille mahdollisuuden ymmärtää paremmin sen taustalla olevia molekyylimekanismeja, mikä puolestaan laajenna tietämyksemme lisäksi myös suoraan elämäämme.
Perjantain off-top:
Aurelia-lajin meduusojen marssi, jota häiritsee saalistaja, jolla on epätavallinen nimi ”paistettu munameduusa”, ts. paistettu munameduusa (Planet Earth, selostus - David Attenborough).
Se ei ole meduusa, mutta tätä syvänmeren olentoa (pelikaanin kaltaista isosuua) ei usein kuvata (tutkijoiden reaktio on yksinkertaisesti koskettava).
Kiitos katsomisesta, pysykää utelias ja hyvää viikonloppua kaikille! 🙂
Kiitos, että pysyt kanssamme. Pidätkö artikkeleistamme? Haluatko nähdä mielenkiintoisempaa sisältöä? Tue meitä tekemällä tilauksen tai suosittelemalla ystäville, 30 %:n alennus Habr-käyttäjille ainutlaatuisesta lähtötason palvelimien analogista, jonka me keksimme sinulle: (saatavana RAID1:n ja RAID10:n kanssa, jopa 24 ydintä ja jopa 40 Gt DDR4-muistia).
Dell R730xd 2 kertaa halvempi? Vain täällä Alankomaissa! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2 Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - alkaen 99 dollaria! Lukea
Lähde: will.com