Qu'ont en commun Wolverine, Deadpool et Jellyfish ? Tous ont une fonctionnalité étonnante : la régénération. Bien sûr, dans les bandes dessinées et les films, cette capacité, commune à un nombre extrêmement limité d’organismes vivants réels, est légèrement (et parfois fortement) exagérée, mais elle reste bien réelle. Et ce qui est réel peut être expliqué, et c'est ce que des scientifiques de l'Université de Tohoku (Japon) ont décidé de faire dans leur nouvelle étude. Quels processus cellulaires dans le corps d'une méduse sont associés à la régénération, comment ce processus se déroule et quels autres super pouvoirs possèdent ces créatures ressemblant à des gelées ? Le rapport du groupe de recherche nous en parlera. Aller.
Base de recherche
Tout d’abord, les scientifiques expliquent pourquoi ils ont décidé de concentrer leur attention sur les méduses. Le fait est que la plupart des recherches dans le domaine de la biologie sont menées avec la participation d'organismes dits modèles : souris, mouches des fruits, vers, poissons, etc. Mais notre planète abrite des millions d'espèces, chacune possédant l'une ou l'autre capacité unique. Par conséquent, il est impossible d’évaluer pleinement le processus de régénération cellulaire en étudiant une seule espèce, et de supposer que le mécanisme étudié sera commun à toutes les créatures de la Terre.
Quant aux méduses, ces créatures, par leur apparence même, parlent de leur unicité, qui ne peut qu'attirer l'attention des scientifiques. C’est pourquoi, avant de commencer la dissection de la recherche elle-même, j’ai rencontré son personnage principal.
Le mot « méduse », que nous avons l'habitude d'appeler la créature en tant que telle, fait en réalité référence uniquement à l'étape du cycle de vie du sous-type cnidaire. Médusozoa. Les cnidaires ont reçu un nom si inhabituel en raison de la présence de cellules urticantes (cnidocytes) dans leur corps, qui sont utilisées pour la chasse et l'autodéfense. En termes simples, lorsque vous êtes piqué par une méduse, vous pouvez remercier ces cellules pour la douleur et la souffrance.
Les cnidocytes contiennent des cnidocystes, un organite intracellulaire responsable de l'effet « picotant ». Selon leur apparence et, par conséquent, leur mode d'application, on distingue plusieurs types de cnidocytes, parmi lesquels :
- pénétrants - fils aux extrémités pointues qui transpercent le corps de la victime ou du délinquant comme des lances, injectant une neurotoxine ;
- glutinants - fils collants et longs qui enveloppent la victime (pas le câlin le plus agréable);
- Les volvents sont des fils courts dans lesquels la victime peut facilement s'emmêler.
Ces armes non standard s'expliquent par le fait que les méduses, bien que gracieuses, ne sont pas des créatures particulièrement agiles. La neurotoxine pénétrant dans le corps de la proie la paralyse instantanément, ce qui laisse aux méduses beaucoup de temps pour une pause déjeuner.
Méduses après une chasse réussie.
En plus de leur méthode inhabituelle de chasse et de défense, les méduses ont une reproduction très inhabituelle. Les mâles produisent du sperme et les femelles produisent des œufs, après la fusion desquels des planulas (larves) se forment et se déposent au fond. Au bout d'un certain temps, un polype se développe à partir de la larve, à partir duquel, lorsqu'elles atteignent leur maturité, les jeunes méduses se détachent littéralement (en fait, le bourgeonnement se produit). Ainsi, il existe plusieurs étapes dans le cycle de vie, dont l’une est la génération des méduses ou médusoïdes.
Cyanea poilue, également connue sous le nom de crinière de lion.
Si on demandait à la cyanea velue comment augmenter l'efficacité de la chasse, elle répondrait : plus de tentacules. Il y en a environ 60 au total (groupes de 15 tentacules à chaque coin du dôme). De plus, ce type de méduse est considéré comme le plus grand, car le diamètre du dôme peut atteindre 2 mètres et les tentacules peuvent s'étendre jusqu'à 20 mètres lors de la chasse. Heureusement, cette espèce n’est pas particulièrement « toxique » et donc pas mortelle pour l’homme.
La guêpe de mer, à son tour, ajouterait de la qualité à la quantité. Ce type de méduse possède également 15 tentacules (3 m de long) sur chacun des quatre coins du dôme, mais leur venin est plusieurs fois plus puissant que celui de son grand parent. On pense que la guêpe de mer contient suffisamment de neurotoxines pour tuer 60 personnes en 3 minutes. Cet orage des mers vit dans la zone côtière du nord de l'Australie et de la Nouvelle-Zélande. Selon les données de 1884 à 1996, 63 personnes sont mortes en Australie, mais ces données pourraient être inexactes et le nombre de rencontres mortelles entre humains et guêpes marines pourrait être beaucoup plus élevé. Cependant, selon les données de 1991 à 2004, sur 225 cas, seulement 8 % des victimes ont été hospitalisées, dont un décès (un enfant de trois ans).
Guêpe de mer
Revenons maintenant à l'étude que nous examinons aujourd'hui.
Du point de vue des cellules, le processus le plus important dans toute la vie de tout organisme est la prolifération cellulaire - le processus de croissance des tissus corporels par reproduction cellulaire par division. Au cours de la croissance du corps, ce processus régule l’augmentation de la taille du corps. Et lorsque le corps est complètement formé, les cellules en prolifération régulent l’échange physiologique des cellules et le remplacement des cellules endommagées par de nouvelles.
Les Cnidaires, en tant que groupe frère des bilatériens et des premiers métazoaires, sont utilisés depuis de nombreuses années pour étudier les processus évolutifs. Les cnidaires ne font donc pas exception en termes de prolifération. Par exemple, lors du développement embryonnaire de l'anémone de mer Nematostella vectensis la prolifération cellulaire est coordonnée avec l'organisation épithéliale et participe au développement des tentacules.
Nematostella vectensis
Entre autres choses, les cnidaires, comme nous le savons déjà, sont connus pour leurs capacités de régénération. Les polypes d'hydre (un genre de coelentérés sessiles d'eau douce de la classe des hydroïdes) sont considérés comme les plus populaires parmi les chercheurs depuis des centaines d'années. La prolifération, activée par les cellules mourantes, déclenche le processus de régénération de la tête basale de l'hydre. Le nom même de cette créature fait allusion à une créature mythique connue pour sa régénération : l'Hydre de Lerne, qu'Hercule a pu vaincre.
Bien que les capacités de régénération aient été associées à la prolifération, on ne sait pas exactement comment ce processus cellulaire se produit dans des conditions normales et à différents stades du développement de l'organisme.
Les méduses, qui ont un cycle de vie complexe composé de deux étapes de reproduction (végétative et sexuée), constituent un excellent modèle pour étudier la prolifération.
Dans ce travail, le rôle du principal individu étudié a été joué par la méduse de l'espèce Cladonema pacificum. Cette espèce vit au large des côtes du Japon. Initialement, cette méduse possède 9 tentacules principaux, qui commencent à se ramifier et à augmenter en taille (comme tout le corps) au cours de leur développement jusqu'à devenir adulte. Cette fonctionnalité nous permet d'étudier en détail tous les mécanismes impliqués dans ce processus.
En plus de Cladonème du Pacifique L’étude a également porté sur d’autres types de méduses : Cytaeis uchidae и Rathkea octopunctata.
Résultats de l'étude
Pour comprendre le schéma spatial de la prolifération cellulaire chez Cladonema medusa, les scientifiques ont utilisé la coloration à la 5-éthynyl-2'-désoxyuridine (EdU), qui marque les cellules dans Phase S* ou des cellules qui l'ont déjà dépassé.
Phase S* - la phase du cycle cellulaire dans laquelle se produit la réplication de l'ADN.
Étant donné que Cladonème augmente considérablement en taille et présente des ramifications de tentacules au cours du développement (1A-1C), la répartition des cellules en prolifération peut changer tout au long de la maturation.
Image n°1 : caractéristiques de la prolifération cellulaire chez le jeune Cladonema.
Grâce à cette caractéristique, il a été possible d'étudier le mécanisme de prolifération cellulaire chez les méduses jeunes (jour 1) et sexuellement matures (jour 45).
Chez les méduses juvéniles, des cellules EdU-positives ont été trouvées en grand nombre dans tout le corps, y compris l'ombelle, le manubrium (l'organe de soutien de la cavité buccale chez les méduses) et les tentacules, quelle que soit la durée d'exposition à l'EdU (1D-1K и 1N-1O, EdU : 20 µM (micromolaire) après 24 heures).
De nombreuses cellules EdU-positives ont été trouvées dans le manubrium (1F и 1G), mais dans le parapluie leur répartition était très uniforme, notamment dans la coque extérieure du parapluie (ex-parapluie, 1H-1K). Dans les tentacules, les cellules EdU-positives étaient fortement regroupées (1N). L'utilisation d'un marqueur mitotique (anticorps PH3) a permis de vérifier que les cellules EdU-positives sont des cellules en prolifération. Des cellules PH3-positives ont été trouvées à la fois dans le parapluie et dans le bulbe tentaculaire (1L и 1P).
Dans les tentacules, les cellules mitotiques se trouvent principalement dans l'ectoderme (1P), tandis que dans le parapluie les cellules en prolifération étaient localisées dans la couche superficielle (1M).
Image n°2 : caractéristiques de la prolifération cellulaire chez le Cladonema mature.
Chez les individus jeunes et matures, des cellules EdU-positives ont été trouvées en grand nombre dans tout le corps. Dans l'ombelle, les cellules EdU-positives étaient plus souvent trouvées dans la couche superficielle que dans la couche inférieure, ce qui est similaire aux observations chez les juvéniles (2A-2D).
Mais dans les tentacules, la situation était quelque peu différente. Les cellules EdU-positives se sont accumulées à la base du tentacule (bulbe), où deux amas ont été trouvés de chaque côté du bulbe (2E и 2F). Chez les individus jeunes, des accumulations similaires ont également été observées (1N), c'est à dire. les bulbes tentacules peuvent être la principale zone de prolifération tout au long du stade médusoïde. Il est curieux que dans le manubrium des individus adultes, le nombre de cellules EdU-positives soit significativement plus élevé que chez les juvéniles (2G и 2H).
Le résultat intermédiaire est que la prolifération cellulaire peut se produire uniformément dans l'ombrelle d'une méduse, mais dans les tentacules, ce processus est très localisé. Par conséquent, on peut supposer qu'une prolifération cellulaire uniforme peut contrôler la croissance corporelle et l'homéostasie des tissus, mais des groupes de cellules en prolifération à proximité des bulbes des tentacules sont impliqués dans la morphogenèse des tentacules.
En termes de développement corporel lui-même, la prolifération joue un rôle important dans la croissance corporelle.
Image n°3 : L'importance de la prolifération dans le processus de croissance corporelle d'une méduse.
Pour tester cela dans la pratique, les scientifiques ont surveillé la croissance corporelle des méduses, en commençant par les jeunes individus. Il est plus facile de déterminer la taille du corps d'une méduse par son dôme, car sa croissance est uniforme et directement proportionnelle à l'ensemble du corps.
Avec une alimentation normale dans des conditions de laboratoire, la taille du dôme augmente fortement de 54.8 % au cours des premières 24 heures - de 0.62 ± 0.02 mm2 à 0.96 ± 0.02 mm2. Au cours des 5 jours d'observations suivants, la taille a augmenté lentement et doucement jusqu'à 0.98 ± 0.03 mm2 (3А-3S).
Les méduses d'un autre groupe, privées de nourriture, n'ont pas grandi mais ont rétréci (ligne rouge sur le graphique 3S). L'analyse cellulaire des méduses affamées a montré la présence d'un nombre extrêmement réduit de cellules EdU : 1240.6 ± 214.3 chez les méduses du groupe témoin et 433.6 ± 133 chez celles affamées (3D-3H). Cette observation peut constituer une preuve directe que la nutrition influence directement le processus de prolifération.
Pour tester cette hypothèse, les scientifiques ont mené un test pharmacologique dans lequel ils ont bloqué la progression du cycle cellulaire à l'aide d'hydroxyurée (CH4N2O2), un inhibiteur du cycle cellulaire qui provoque l'arrêt du G1. À la suite de cette intervention, les cellules de phase S précédemment détectées à l'aide d'EdU ont disparu (3I-3L). Ainsi, les méduses exposées au CH4N2O2 n’ont pas montré de croissance corporelle, contrairement au groupe témoin (3M).
L'étape suivante de l'étude a été une étude détaillée des tentacules ramifiés des méduses afin de confirmer l'hypothèse selon laquelle la prolifération locale des cellules dans les tentacules contribue à leur morphogenèse.
Image n°4 : l'effet de la prolifération locale sur la croissance et la ramification des tentacules des méduses.
Les tentacules d'une jeune méduse ont une branche, mais leur nombre augmente avec le temps. Dans des conditions de laboratoire, la ramification a augmenté 3 fois au neuvième jour d'observation (4А и 4S).
Encore une fois, lorsque CH4N2O2 a été utilisé, aucune ramification des tentacules n’a été observée, mais une seule branche (4B и 4C). Il est curieux que l'élimination du CH4N2O2 du corps des méduses ait rétabli le processus de ramification des tentacules, ce qui indique la réversibilité de l'intervention médicamenteuse. Ces observations indiquent clairement l'importance de la prolifération pour le développement des tentacules.
Les cnidaires ne seraient pas des cnidaires sans nématocytes (cnidocytes, c'est-à-dire cnidaires). Chez l'espèce de méduse Clytia hemisphaerica, les cellules souches des bulbes des tentacules fournissent des nématocystes aux extrémités des tentacules, précisément en raison de la prolifération cellulaire. Naturellement, les scientifiques ont également décidé de tester cette affirmation.
Pour détecter tout lien entre les nématocystes et la prolifération, un colorant nucléaire capable de marquer le poly-γ-glutamate synthétisé dans la paroi du nématocyste (DAPI, c'est-à-dire 4′, 6-diamidino-2-phénylindole) a été utilisé.
La coloration au poly-γ-glutamate nous a permis d'estimer la taille des nématocytes, allant de 2 à 110 μm2 (4D-4G). Un certain nombre de nématocystes vides ont également été identifiés, c'est-à-dire que ces nématocytes étaient épuisés (4D-4G).
L'activité de prolifération dans les tentacules des méduses a été testée en étudiant les vides dans les nématocytes après blocage du cycle cellulaire avec CH4N2O2. La proportion de nématocytes vides chez les méduses après intervention médicamenteuse était plus élevée que dans le groupe témoin : 11.4 % ± 2.0 % chez les méduses du groupe témoin et 19.7 % ± 2.0 % chez les méduses avec CH4N2O2 (4D-4G и 4H). Par conséquent, même après épuisement, les nématocytes continuent d'être activement alimentés en cellules progénitrices de prolifération, ce qui confirme l'influence de ce processus non seulement sur le développement des tentacules, mais également sur la nématogenèse de ceux-ci.
L'étape la plus intéressante a été l'étude des capacités régénératrices des méduses. Compte tenu de la forte concentration de cellules prolifératives dans le bulbe tentaculaire des méduses matures Cladonème, les scientifiques ont décidé d'étudier la régénération des tentacules.
Image n°5 : l'effet de la prolifération sur la régénération des tentacules.
Après dissection des tentacules à la base, un processus de régénération a été observé (5A-5D). Au cours des premières 24 heures, la guérison s'est produite dans la zone d'incision (5B). Au deuxième jour d'observation, la pointe a commencé à s'allonger et des branches sont apparues (5S). Le cinquième jour, le tentacule était complètement ramifié (5D), par conséquent, la régénération des tentacules peut suivre la morphogenèse normale des tentacules après l'élongation.
Pour mieux étudier l’étape initiale de la régénération, les scientifiques ont analysé la distribution des cellules en prolifération en utilisant la coloration PH3 pour visualiser les cellules mitotiques.
Alors que des cellules en division étaient souvent observées à proximité de la zone amputée, les cellules mitotiques étaient dispersées dans des bulbes tentacules témoins non coupés (5E и 5F).
La quantification des cellules PH3-positives présentes dans les bulbes tentacules a révélé une augmentation significative du nombre de cellules PH3-positives dans les bulbes tentacules des amputés par rapport aux témoins (5G). En conclusion, les processus de régénération initiaux s’accompagnent d’une augmentation active de la prolifération cellulaire dans les bulbes tentacules.
L'effet de la prolifération sur la régénération a été testé en bloquant les cellules avec du CH4N2O2 après avoir coupé le tentacule. Dans le groupe témoin, l’allongement des tentacules après amputation s’est produit normalement, comme prévu. Mais dans le groupe sur lequel CH4N2O2 a été appliqué, aucun allongement ne s'est produit, malgré une cicatrisation normale (5H). En d’autres termes, la guérison aura lieu dans tous les cas, mais la prolifération est nécessaire à une bonne régénération des tentacules.
Enfin, les scientifiques ont décidé d'étudier la prolifération d'autres espèces de méduses, à savoir Cytée и Rathkea.
Image n°6 : Comparaison de la prolifération des méduses Cytaeis (à gauche) et Rathkea (à droite).
У Cytée Des cellules médusa EdU-positives ont été observées dans le manubrium, les bulbes des tentacules et la partie supérieure du parapluie (6А и 6V). Localisation des cellules PH3-positives identifiées dans Cytée très semblable à Cladonème, il existe cependant quelques différences (6C и 6D). Mais à Rathkea Des cellules EdU-positives et PH3-positives ont été trouvées presque exclusivement dans la région des bulbes du manubrium et des tentacules (6E-6H).
Il est également intéressant de noter que des cellules en prolifération ont souvent été détectées dans les reins des méduses. Rathkea (6E-6G), ce qui reflète le type de reproduction asexuée de cette espèce.
Compte tenu des informations obtenues, on peut supposer que la prolifération cellulaire se produit dans les bulbes des tentacules non seulement chez une espèce de méduse, bien qu'il existe des différences dues à des différences de physiologie et de morphologie.
Pour une connaissance plus détaillée des nuances de l'étude, je recommande de regarder .
Le final
L'un de mes personnages littéraires préférés est Hercule Poirot. Ce détective astucieux accordait toujours une attention particulière aux petits détails que les autres pensaient sans importance. Les scientifiques ressemblent beaucoup à des détectives, rassemblant toutes les preuves qu’ils peuvent trouver pour répondre à toutes les questions de l’enquête et déterminer le « coupable ».
Aussi évident que cela puisse paraître, la régénération des cellules de méduses est directement liée à la prolifération - un processus intégral dans le développement des cellules, des tissus et, par conséquent, de l'organisme tout entier. Une étude plus approfondie de ce processus global nous permettra de mieux comprendre les mécanismes moléculaires qui le sous-tendent, ce qui, à son tour, élargira non seulement l'éventail de nos connaissances, mais affectera également directement nos vies.
Vendredi off-top :
Marche de méduses de l'espèce Aurelia, dérangée par un prédateur au nom inhabituel de « méduse aux œufs au plat », c'est-à-dire méduse aux œufs au plat (Planète Terre, voix off de David Attenborough).
Ce n'est pas une méduse, mais cette créature des grands fonds (le pélican à grande bouche) n'est pas souvent photographiée (la réaction des chercheurs est tout simplement touchante).
Merci d'avoir regardé, restez curieux et bon week-end à tous ! 🙂
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Source: habr.com