Što Wolverine, Deadpool i Jellyfish imaju zajedničko? Svi oni imaju nevjerojatnu osobinu - regeneraciju. Naravno, u stripovima i filmovima, ova sposobnost, uobičajena među iznimno ograničenim brojem stvarnih živih organizama, malo je (a ponekad i jako) pretjerana, ali ostaje vrlo stvarna. A ono što je stvarno može se objasniti, što su znanstvenici sa Sveučilišta Tohoku (Japan) odlučili učiniti u svojoj novoj studiji. Koji su stanični procesi u tijelu meduza povezani s regeneracijom, kako se taj proces odvija i koje još super-moći imaju ova bića nalik na meduze? O tome će nam reći izvješće istraživačke skupine. Ići.
Osnova istraživanja
Prije svega, znanstvenici objašnjavaju zašto su svoju pozornost odlučili usmjeriti na meduze. Činjenica je da se većina istraživanja u području biologije provodi uz sudjelovanje takozvanih modelnih organizama: miševa, vinskih mušica, crva, riba itd. Ali naš je planet dom milijunima vrsta, od kojih svaka ima jednu ili drugu jedinstvenu sposobnost. Posljedično, nemoguće je u potpunosti procijeniti proces stanične regeneracije proučavajući samo jednu vrstu, te pretpostaviti da će proučavani mehanizam biti zajednički svim bićima na Zemlji.
Što se tiče meduza, ova stvorenja već svojim izgledom govore o svojoj jedinstvenosti, što ne može ne privući pažnju znanstvenika. Stoga sam, prije nego što sam krenuo u seciranje samog istraživanja, upoznao njegov glavni lik.
Riječ "meduza", kojom smo navikli zvati stvorenje kao takvo, zapravo se odnosi samo na fazu životnog ciklusa podtipa žarnjaka medusozoa. Cnidarians su dobili tako neobično ime zbog prisutnosti žarnih stanica (cnidocytes) u njihovim tijelima, koje se koriste za lov i samoobranu. Jednostavno rečeno, kada vas ubode meduza, tim stanicama možete zahvaliti za bol i patnju.
Cnidocite sadrže cnidociste, unutarstaničnu organelu odgovornu za učinak "peckanja". Prema izgledu i prema tome načinu primjene razlikujemo nekoliko vrsta cnidocita, među kojima su:
- penetranti - niti sa šiljastim krajevima koje poput koplja probadaju tijelo žrtve ili počinitelja, ubrizgavajući neurotoksin;
- glutinants - ljepljive i duge niti koje obavijaju žrtvu (nije najugodniji zagrljaj);
- volventi su kratke niti u koje se žrtva lako može zaplesti.
Takvo nestandardno oružje objašnjava se činjenicom da meduze, iako graciozne, nisu osobito okretna stvorenja. Neurotoksin koji ulazi u tijelo plijena trenutno ga paralizira, što meduzi daje puno vremena za pauzu za ručak.
Meduza nakon uspješnog lova.
Osim neobičnog načina lova i obrane, meduze imaju vrlo neobičan način razmnožavanja. Mužjaci proizvode spermu, a ženke jajašca, nakon čijeg spajanja nastaju planule (larve) koje se talože na dnu. Nakon nekog vremena iz ličinke izraste polip, od kojeg se, kad sazriju, mlade meduze doslovno odlome (u stvari, dolazi do pupanja). Dakle, postoji nekoliko faza životnog ciklusa, od kojih je jedna generacija meduza ili medusoida.
Dlakava cijaneja, poznata i kao lavlja griva.
Kada bi dlakavi cyanea upitali kako povećati učinkovitost lova, odgovorila bi - više ticala. Ukupno ih ima oko 60 (nakupine od 15 ticala na svakom uglu kupole). Osim toga, ova vrsta meduze smatra se najvećom, jer promjer kupole može doseći 2 metra, a pipci se mogu rastegnuti do 20 metara tijekom lova. Srećom, ova vrsta nije posebno "toksična" i stoga nije smrtonosna za ljude.
Morska bi osa pak dodala kvalitetu kvantiteti. I ova vrsta meduze ima po 15 pipaka (dužine 3 m) na svakom od četiri ugla kupole, no njihov je otrov višestruko jači od otrova njenog velikog srodnika. Vjeruje se da morska osa ima dovoljno neurotoksina da ubije 60 ljudi u 3 minute. Ova morska oluja živi u obalnom području sjeverne Australije i Novog Zelanda. Prema podacima od 1884. do 1996. u Australiji su umrle 63 osobe, ali ti podaci mogu biti netočni, a broj smrtonosnih susreta ljudi i morskih osa može biti puno veći. Međutim, prema podacima za 1991.-2004., od 225 slučajeva, samo 8% žrtava je hospitalizirano, uključujući i jednu smrt (trogodišnje dijete).
Morska volanica
Sada se vratimo studiji koju danas gledamo.
Sa stanovišta stanica, najvažniji proces u cjelokupnom životu svakog organizma je stanična proliferacija – proces rasta tjelesnih tkiva razmnožavanjem stanica diobom. Tijekom rasta tijela, ovaj proces regulira povećanje veličine tijela. A kada je tijelo potpuno formirano, stanice koje se razmnožavaju reguliraju fiziološku izmjenu stanica i zamjenu oštećenih novima.
Žarnjaci, kao sestrinska skupina bilateralnih i ranih metazoa, korišteni su za proučavanje evolucijskih procesa dugi niz godina. Stoga žarnjaci nisu iznimka u pogledu proliferacije. Na primjer, tijekom embrionalnog razvoja morske anemone Nematostella vectensis proliferacija stanica usklađena je s organizacijom epitela i uključena je u razvoj ticala.
Nematostella vectensis
Između ostalog, žarnjaci su, kao što već znamo, poznati po svojim regenerativnim sposobnostima. Hidra polipi (rod slatkovodnih kitnjačkih koelenterata iz razreda hidroida) već se stotinama godina smatraju najpopularnijima među istraživačima. Proliferacija, aktivirana odumiranjem stanica, pokreće proces regeneracije bazalne glave hidre. Samo ime ovog stvorenja aludira na mitsko biće poznato po svojoj regeneraciji - Lernejsku hidru, koju je Herkules uspio pobijediti.
Iako su regenerativne sposobnosti povezane s proliferacijom, ostaje nejasno kako se točno taj stanični proces odvija u normalnim uvjetima u različitim fazama razvoja organizma.
Meduze, koje imaju složen životni ciklus koji se sastoji od dva stadija razmnožavanja (vegetativni i spolni), služe kao izvrstan model za proučavanje proliferacije.
U ovom radu ulogu glavne proučavane jedinke imala je meduza vrste Cladonema pacificum. Ova vrsta živi uz obalu Japana. U početku, ova meduza ima 9 glavnih ticala, koja se počinju granati i povećavati u veličini (kao i cijelo tijelo) tijekom razvoja do odrasle jedinke. Ova nam značajka omogućuje detaljno proučavanje svih mehanizama koji su uključeni u ovaj proces.
Osim toga Cladonema pacificum Studija je također proučavala druge vrste meduza: Cytaeis uchidae и Rathkea octopunctata.
Rezultati istraživanja
Kako bi razumjeli prostorni obrazac stanične proliferacije u Cladonema medusa, znanstvenici su upotrijebili bojenje 5-ethynyl-2'-deoxyuridine (EdU), koje označava stanice u S-faza* ili stanice koje su ga već prošle.
S-faza* - faza staničnog ciklusa u kojoj se događa replikacija DNA.
S obzirom na to Cladonema dramatično se povećava u veličini i pokazuje grananje ticala tijekom razvoja (1A-1C), distribucija proliferirajućih stanica može se mijenjati tijekom sazrijevanja.
Slika br. 1: značajke stanične proliferacije u mladih Cladonema.
Zbog ove značajke bilo je moguće proučavati mehanizam stanične proliferacije i kod mladih (1. dan) i kod spolno zrelih (45. dan) meduza.
Kod mladih meduza, EdU-pozitivne stanice pronađene su u velikom broju po cijelom tijelu, uključujući pupak, manubrij (potporni organ usne šupljine kod meduza) i ticala, bez obzira na vrijeme izloženosti EdU (1D-1K и 1N-1O, EdU: 20 µM (mikromolar) nakon 24 sata).
U manubriju je pronađeno dosta EdU-pozitivnih stanica (1F и 1G), ali u kišobranu njihova je raspodjela bila vrlo ujednačena, osobito u vanjskoj ljusci kišobrana (eksumbrella, 1H-1K). U ticalima su EdU-pozitivne stanice bile visoko grupirane (1N). Korištenje mitotskog markera (PH3 antitijela) omogućilo je provjeru jesu li EdU-pozitivne stanice proliferirajuće stanice. PH3-pozitivne stanice pronađene su i u kišobranu i u bulbusu ticala (1L и 1P).
U ticalima su mitotičke stanice uglavnom pronađene u ektodermu (1P), dok su u kišobranu proliferirajuće stanice bile smještene u površinskom sloju (1M).
Slika br. 2: značajke stanične proliferacije u zrelih kladonema.
I kod mladih i kod zrelih osoba EdU-pozitivne stanice nađene su u velikom broju po cijelom tijelu. U pupku su EdU-pozitivne stanice češće nađene u površinskom sloju nego u donjem sloju, što je slično opažanjima kod mladih (2A-2D).
Ali u pipcima je situacija bila nešto drugačija. EdU-pozitivne stanice akumulirane su na dnu ticala (bulbusa), gdje su pronađena dva klastera s obje strane bulbusa (2E и 2F). Kod mladih jedinki također su uočene slične nakupine (1N), tj. lukovice ticala mogu biti glavno područje proliferacije tijekom meduzoidnog stadija. Zanimljivo je da je u manubriju odraslih jedinki broj EdU-pozitivnih stanica bio značajno veći nego kod mladih (2G и 2H).
Međurezultat je da se stanična proliferacija može odvijati ravnomjerno u kišobranu meduze, ali u ticalima je taj proces vrlo lokaliziran. Stoga se može pretpostaviti da ujednačena stanična proliferacija može kontrolirati tjelesni rast i homeostazu tkiva, ali nakupine proliferirajućih stanica u blizini lukovica ticala uključene su u morfogenezu ticala.
Što se tiče samog razvoja tijela, proliferacija igra važnu ulogu u rastu tijela.
Slika #3: Važnost proliferacije u procesu rasta tijela meduze.
Kako bi to provjerili u praksi, znanstvenici su pratili rast tijela meduza, počevši od mladih jedinki. Veličinu tijela meduze najlakše je odrediti po kupoli jer ona raste ravnomjerno i proporcionalno cijelom tijelu.
Uz normalno hranjenje u laboratorijskim uvjetima, veličina kupole naglo se povećava za 54.8% tijekom prva 24 sata - s 0.62 ± 0.02 mm2 na 0.96 ± 0.02 mm2. Tijekom sljedećih 5 dana promatranja, veličina se polako i glatko povećavala na 0.98 ± 0.03 mm2 (3А-3S).
Meduze iz druge skupine, kojima je uskraćena hrana, nisu rasle, nego su se smanjivale (crvena linija na grafikonu 3S). Stanična analiza izgladnjelih meduza pokazala je prisutnost iznimno malog broja EdU stanica: 1240.6 ± 214.3 u meduza iz kontrolne skupine i 433.6 ± 133 u izgladnjelih (3D-3H). Ovo zapažanje može biti izravan dokaz da prehrana izravno utječe na proces proliferacije.
Kako bi testirali ovu hipotezu, znanstvenici su proveli farmakološki test u kojem su blokirali napredovanje staničnog ciklusa pomoću hidroksiureje (CH4N2O2), inhibitora staničnog ciklusa koji uzrokuje G1 zaustavljanje. Kao rezultat ove intervencije, stanice S-faze prethodno otkrivene pomoću EdU nestale su (3I-3L). Dakle, meduze koje su bile izložene CH4N2O2 nisu pokazale tjelesni rast, za razliku od kontrolne skupine (3M).
Sljedeća faza istraživanja bilo je detaljno proučavanje razgranatih ticala meduza kako bi se potvrdila pretpostavka da lokalna proliferacija stanica u ticalima doprinosi njihovoj morfogenezi.
Slika br. 4: utjecaj lokalne proliferacije na rast i grananje ticala meduze.
Pipci mlade meduze imaju jednu granu, no s vremenom se njihov broj povećava. U laboratorijskim uvjetima, grananje se povećalo 3 puta devetog dana promatranja (4А и 4S).
Opet, kada je korišten CH4N2O2, nije primijećeno grananje ticala, već samo jedna grana (4B и 4C). Zanimljivo je da je uklanjanje CH4N2O2 iz tijela meduza obnovilo proces grananja ticala, što ukazuje na reverzibilnost intervencije lijeka. Ova zapažanja jasno ukazuju na važnost proliferacije za razvoj ticala.
Žarnjari ne bi bili žarnjaci bez nematocita (cnidocytes, tj. žarnjaci). Kod vrste meduza Clytia hemisphaerica, matične stanice u bulbusima ticala opskrbljuju nematociste do vrhova ticala upravo zahvaljujući staničnoj proliferaciji. Naravno, znanstvenici su odlučili provjeriti i ovu tvrdnju.
Kako bi se otkrila bilo kakva veza između nematocista i proliferacije, korištena je boja za nuklearno bojenje koja može obilježiti poli-γ-glutamat sintetiziran u stijenci nematociste (DAPI, tj. 4',6-diamidino-2-fenilindol).
Bojanje poli-γ-glutamatom omogućilo nam je procjenu veličine nematocita, u rasponu od 2 do 110 μm2 (4D-4G). Identificiran je i određeni broj praznih nematocita, odnosno takvih nematocita je bilo iscrpljeno (4D-4G).
Aktivnost proliferacije u ticalima meduza testirana je proučavanjem šupljina u nematocitima nakon blokiranja staničnog ciklusa s CH4N2O2. Udio praznih nematocita u meduza nakon intervencije lijekom bio je veći nego u kontrolnoj skupini: 11.4% ± 2.0% u meduza iz kontrolne skupine i 19.7% ± 2.0% u meduza s CH4N2O2 (4D-4G и 4H). Posljedično, čak i nakon iscrpljenosti, nematociti se nastavljaju aktivno opskrbljivati proliferacijskim progenitorskim stanicama, što potvrđuje utjecaj ovog procesa ne samo na razvoj ticala, već i na nematogenezu u njima.
Najzanimljivija faza bila je proučavanje regenerativnih sposobnosti meduza. S obzirom na visoku koncentraciju proliferativnih stanica u lukovici ticala zrelih meduza Cladonema, znanstvenici su odlučili proučiti regeneraciju ticala.
Slika br. 5: učinak proliferacije na regeneraciju ticala.
Nakon disekcije ticala u bazi, uočen je proces regeneracije (5A-5D). Tijekom prva 24 sata došlo je do zacjeljivanja u području reza (5B). Drugog dana promatranja vrh se počeo izduživati i pojavile su se grane (5S). Petog dana pipak je bio potpuno razgranat (5D), stoga, regeneracija ticala može slijediti normalnu morfogenezu ticala nakon produljenja.
Kako bi bolje proučili početnu fazu regeneracije, znanstvenici su analizirali distribuciju proliferirajućih stanica koristeći PH3 bojenje za vizualizaciju mitotičkih stanica.
Dok su se stanice koje se dijele često opažale u blizini amputiranog područja, mitotičke stanice bile su raspršene u neobrezanim kontrolnim lukovicama s ticalima (5E и 5F).
Kvantifikacija PH3-pozitivnih stanica prisutnih u bulbusima ticala otkrila je značajno povećanje PH3-pozitivnih stanica u bulbusima ticala amputiranih osoba u usporedbi s kontrolama (5G). Kao zaključak, početni regenerativni procesi popraćeni su aktivnim povećanjem proliferacije stanica u lukovicama ticala.
Učinak proliferacije na regeneraciju ispitan je blokiranjem stanica s CH4N2O2 nakon odsijecanja ticala. U kontrolnoj skupini produljenje ticala nakon amputacije dogodilo se normalno, kao što se i očekivalo. Ali u skupini na kojoj je primijenjen CH4N2O2 nije došlo do produljenja, unatoč normalnom cijeljenju rane (5H). Drugim riječima, do zacjeljivanja će doći u svakom slučaju, ali je proliferacija neophodna za pravilnu regeneraciju ticala.
Konačno, znanstvenici su odlučili proučavati proliferaciju kod drugih vrsta meduza, naime Cytaeis и Rathkea.
Slika #6: Usporedba proliferacije meduza Cytaeis (lijevo) i Rathkea (desno).
У Cytaeis Medusa EdU-pozitivne stanice uočene su u manubrijumu, lukovicama ticala i gornjem dijelu kišobrana (6А и 6V). Lokacija identificiranih PH3-pozitivnih stanica u Cytaeis vrlo sličan Cladonema, no postoje neke razlike (6C и 6D). Ali kod Rathkea EdU-pozitivne i PH3-pozitivne stanice pronađene su gotovo isključivo u području manubrija i bulbusa ticala (6E-6H).
Također je zanimljivo da su proliferirajuće stanice često otkrivene u bubrezima meduza Rathkea (6E-6G), što odražava aseksualni tip reprodukcije ove vrste.
Uzimajući u obzir dobivene informacije, može se pretpostaviti da se proliferacija stanica događa u lukovicama ticala ne samo kod jedne vrste meduza, iako postoje razlike zbog razlika u fiziologiji i morfologiji.
Za detaljnije upoznavanje s nijansama studije, preporučujem da pogledate .
Epilog
Jedan od mojih omiljenih književnih likova je Hercule Poirot. Pronicljivi detektiv uvijek je posebnu pozornost posvećivao sitnim detaljima za koje su drugi mislili da su nevažni. Znanstvenici su poput detektiva, prikupljaju sve dokaze koje mogu pronaći kako bi odgovorili na sva pitanja istrage i otkrili "krivca".
Koliko god zvučalo očito, regeneracija stanica meduza izravno je povezana s proliferacijom - integralnim procesom u razvoju stanica, tkiva i, posljedično, cijelog organizma. Temeljitije proučavanje ovog sveobuhvatnog procesa omogućit će nam bolje razumijevanje molekularnih mehanizama na kojima se temelji, što će zauzvrat proširiti ne samo raspon našeg znanja, već i izravno utjecati na naše živote.
Petak off-top:
Marš meduza vrste Aurelia, uznemiren predatorom neobičnog naziva “meduza pečena jajeta”, tj. pečena meduza (Planet Zemlja, glas u kadru David Attenborough).
Nije riječ o meduzi, ali to dubinsko stvorenje (velikousti pelikanolik) rijetko se fotografira (reakcija istraživača je jednostavno dirljiva).
Hvala na gledanju, ostanite znatiželjni i ugodan vikend svima! 🙂
Hvala što ste ostali s nama. Sviđaju li vam se naši članci? Želite li vidjeti više zanimljivog sadržaja? Podržite nas narudžbom ili preporukom prijateljima, 30% popusta za korisnike Habra na jedinstveni analog početnih poslužitelja, koji smo izmislili za vas: (dostupno s RAID1 i RAID10, do 24 jezgre i do 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2 puta jeftiniji? Samo ovdje u Nizozemskoj! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2 Ghz 6C 128 GB DDR3 2x960 GB SSD 1 Gbps 100 TB - od 99 USD! Pročitaj o
Izvor: www.habr.com