Mi a közös a Wolverinene, Deadpoolban és a medúzában? Mindannyian rendelkeznek egy csodálatos tulajdonsággal - regenerációval. Természetesen a képregényekben és filmekben ez a képesség, amely rendkívül korlátozott számú valódi élőlény között elterjedt, enyhén (néha pedig erősen) túl van dimenzionálva, de mégis teljesen valós. Ami valós, azt lehet magyarázni, éppen ezt tűzték ki célul a Tohoku Egyetem tudósai az új kutatásukban. Milyen sejtes folyamatok kapcsolódnak a medúzák regenerációjához, hogyan zajlik ez a folyamat, és milyen más szuperképességekkel rendelkeznek ezek a zselés lények? Erről számol be a kutatócsoport előadása. Lássuk.
A kutatás alapja
Elsősorban a tudósok elmagyarázzák, miért döntöttek úgy, hogy a medúzákra összpontosítanak. Az a helyzet, hogy a biológiai kutatások többsége úgynevezett modell organizmusok, mint például egerek, gyümölcslegyek, férgek, halak stb. részvételével zajlik. De a földünkön milliók élnek, mindegyikük valamilyen egyedi képességgel bír. Ezért nem lehet teljes mértékben értékelni a sejtes regeneráció folyamatát, ha csak egy fajt tanulmányozunk, és azt feltételezzük, hogy a vizsgált mechanizmus általános lesz minden élőlényre a Földön.
A medúzák esetében ezek a lények már puszta megjelenésükkel is arra utalnak, hogy egyediek, ami nem kerülheti el a tudósok figyelmét. Ezért, mielőtt hozzákezdenénk a kutatás boncolgatásához, ismerkedjünk meg a főszereplőjükkel.
A «medúza» szóval, amellyel ezt a lényt nevezzük, valójában csak a csíkos al életciklusának egy szakaszát nevezzük. Medusozoa. A csíkosok különleges nevüket a szervezetükben található csípő sejtek (cnidocit) jelenlétének köszönhetik, amelyeket vadászatra és önvédelemre használnak. Egyszerűen fogalmazva, amikor megcsípett egy medúza, köszönd meg a fájdalmat és szenvedést ezeknek a sejteknek.
A cnidociták cnidociszt tartalmaznak - egy belső sejtorganellumot, amely felelős a «csípő» hatásért. Megjelenésük és alkalmazási módszerük alapján több típust különböztetünk meg, amelyek között kiemelhetők:
- A penetrátorok hegyes végekkel rendelkező szálak, amelyek a célpont vagy elkövető testébe hatolnak, mint a lándzsák, neurotoxint fecskendezve be;
- A glutinátorok ragadós és hosszú szálak, amelyek körülölelik a célpontot (nem a legkellemesebb ölelés);
- A völvenetek rövid szálak, amelyekben a célpont könnyen megbotlani tud.
Ez a szokatlan fegyverzet azt magyarázza, hogy a medúzák, bár kecsesek, nem éppen gyors lények. A neurotoxinnal a zsákmány testébe jutva az azonnal megbénul, ez pedig rengeteg időt ad a medúzának az ebédidőre.
A medúza sikeres vadászat után.
A medúzáknak a különleges vadászmódszerük és védekezésük mellett meglehetősen szokatlan szaporodásuk is van. A hímek spermiumokat termelnek, míg a nőstények petesejteket, amelyek egyesülése után planulák (lárvák) keletkeznek, és leülepednek a tengerfenékre. Egy idő után a lárvából polip fejlődik, amelyből, amikor eléri a felnőttkort, szó szerint leválik a fiatal medúza (valójában bimbózás történik). Így több szakasz van az életciklusban, az egyik ezek közül a medúza vagy medúza-formájú generáció.
A bolyhos cyaneya, más néven 'oroszlánfő'.
Ha a bolyhos cyaneyát megkérdeznénk, hogyan lehetne növelni a vadászat hatékonyságát, azt válaszolná — több csáp. Összesen körülbelül 60 (15 csápból álló klaszterek minden kupola sarkán). Ezenkívül ez a medúzafaj a legnagyobb, mivel a kupola átmérője elérheti a 2 métert, míg a csápok vadászat közben akár 20 méterre is kinyúlnak. Szerencsére ez a faj nem különösebben 'mérgező', így nem halálos az ember számára.
A tengeri óriás méregfoka a mennyiség mellett a minőséget is hozzáadja. Ennél a medúzafajnál is 15 csáp van (3 m hosszú) mind a négy kupola sarkában, de méreganyaga sokszor erősebb, mint nagy testvéréé. Úgy tartják, hogy a tengeri óriás neurotoxinjából elegendő van a szervezetében ahhoz, hogy 60 embert öldössen meg 3 perc alatt. Ennek a tengeri viharzónának a lakóhelye Észak-Ausztrália part menti területe és Új-Zéland. Az 1884 és 1996 közötti adatok szerint Ausztráliában 63 ember vesztette életét, de ezek az adatok lehetnek pontatlanok, és az ember és tengeri óriás közötti halálos esetek száma sokkal magasabb lehet. Az 1991-2004 közötti adatok szerint 225 esetből mindössze 8%-ot kellett kórházba szállítani, köztük egy haláleset (három éves gyermek).
Tengeri óriás
Most visszatérünk a ma tárgyalt kutatáshoz.
A sejtek szempontjából a legfontosabb folyamat bármely organizmus életében a sejtosztódás — a szövetek növekedésének folyamata a sejtek osztódásával. A fejlődés során ez a folyamat szabályozza a test méretének növekedését. Amikor a szervezet teljesen kifejlődött, akkor a proliferáló sejtek szabályozzák a sejtek fiziológiai cseréjét és a sérültek helyettesítését újakkal.
A csalánozók, mint a többsejtű organizmusok bilaterális és korai fejlődési ágainak rokonai, már évek óta foglalkoztatják az evolúciós folyamatok tanulmányozását. Ezért a csalánozók nem jelentenek kivételt a proliferáció szempontjából. Például a tengeri anemónák embrió fejlődése során Nematostella vectensis a sejtek proliferációja összhangban áll az epitélium szerveződésével és részt vesz a csápok fejlődésében.
Nematostella vectensis
Ezen kívül a csalánozók, ahogyan azt már tudjuk, híresek regeneráló képességükről. A legnépszerűbbek a kutatók körében már évtizedek óta a hidra polipjai (édesvízi ülő csalánozók a hidroid osztályból). A halott sejtek által aktivált proliferáció elindítja a hidra bazális fejének regenerációs folyamatát. Ennek a lénynek a neve egy mítoszi lényre utal, amely a regenerálódásáról híres — a Lernaei hidra, amelyet Herkules győzött le.
Bár a regeneratív képességeket sikerült a proliferációhoz kapcsolni, továbbra is kérdéses, hogy ez a sejtfolyamat hogyan zajlik normális körülmények között a szervezet különböző fejlődési szakaszaiban.
A medúzák, amelyek bonyolult életciklussal rendelkeznek, amely két szaporodási szakaszból (vegetatív és szexuális) áll, kiváló modellként szolgálnak a proliferáció tanulmányozására.
Ebben a munkában a fő vizsgált alany a Cladonema pacificum medúza volt. Ez a faj Japán partjainál él. Eredetileg ennek a medúzának 9 fő csápja van, amelyek a fejlődés során a felnőtt alakig elkezdenek elágazni és növekedni (ahogy a test is). Ez a jellegzetesség lehetővé teszi az összes mechanizmus részletes tanulmányozását, amelyek részt vesznek ebben a folyamatban.
Továbbá Cladonema pacificum a kutatásban más medúzafajok is szerepeltek: Cytaeis uchidae és Rathkea octopunctata.
A kutatás eredményei
A Cladonema medúzában a sejtek térbeli proliferációs mintázatának megértése érdekében a tudósok 5-étinil-2’-dezoxikortídinnel (EdU) festették ki a sejteket, amely a sejtek megjelölésére szolgál. S-fázis* vagy a már ezen átesett sejtek.
S-fázis* — a sejtciklus fázisa, amely során a DNS replikálódik.
Figyelembe véve, hogy Cladonema jelentősen megnövekszik méretében, és csápjainak elágazását mutatja a fejlődés során (1A—1C), a proliferáló sejtek eloszlása a teljes érés során változhat.
1. ábra: a sejtek proliferációjának jellemzői fiatal Cladonema esetében.
Ez a tulajdonság lehetővé tette a sejtek proliferációs mechanizmusának tanulmányozását mind fiatal (1. nap), mind ivarérett (45. nap) medúzák esetében.
A fiatal medúzák esetében az EdU-pozitív sejtek nagy számban voltak jelen az egész testben, beleértve a kupolát, a manubriumot (a szájüreg támasztószerve a medúzákban) és a csápokat, függetlenül az EdU expozíció időtartamától (1D–1K és 1N–1O, EdU: 20 µM (mikromoláris) 24 óra elteltével).
A manubriumban viszonylag kevés EdU-pozitív sejtet találtak (1F és 1G), míg a kupolában az eloszlás nagyon egyenletes volt, különösen a kupola külső rétegében (exumbrella, 1H—1K). A csápokban az EdU-pozitív sejtek erősen klasztereződtek (1N). A mitotikus marker (PH3 antitest) alkalmazásával megerősítették, hogy az EdU-pozitív sejtek valóban proliferáló sejtek. A PH3-pozitív sejtek a kupolában és a csáp izzójában is megtalálhatóak (1L és 1P).
A csápokban a mitotikus sejtek főként az ektodermában találhatók (1P), míg a harangban a proliferáló sejtek a felszíni rétegben helyezkednek el (1M).
2. kép: a sejtproliferáció sajátosságai a kifejlett Cladonema esetében.
Akárcsak a fiatal egyedeknél, a kifejlett állatoknál is nagy számban észleltek EdU-pozitív sejteket a test különböző részein. A harangban az EdU-pozitív sejtek gyakrabban voltak jelen a felszíni rétegben, mint az alsóban, ami a fiatal egyedeknél tapasztaltakkal egyezik (2A—2D).
Azonban a csápok esetében a helyzet valamivel más volt. Az EdU-pozitív sejtek a csápok tövében (izzó) koncentrálódtak, ahol mindkét oldalán két klasztert találtak (2E és 2F). Fiatal egyedeknél hasonló halmozódások szintén megfigyelhetők voltak (1N), vagyis a csápok izzója lehet a proliferáció fő zónája a medúzafázis során. Érdekes, hogy a felnőtt állatok manubriumában az EdU-pozitív sejtek száma jelentősen magasabb volt, mint a fiataloknál (2G és 2H).
A köztes következtetés az, hogy a sejtek proliferációja egységesen zajlik a medúza harangjában, míg a csápoknál ez a folyamat nagyon lokalizált. Következésképpen feltételezhető, hogy az egységes sejtosztódás az test növekedését és a szövetek homeosztázisát irányíthatja, míg a csápok tövénél lévő proliferáló sejtek részt vesznek a csápok morfogenezisében.
A test fejlődése szempontjából a proliferáció fontos szerepet játszik a test növekedésében.
3. kép: a proliferáció jelentősége a medúza testének növekedésében.
A gyakorlatban ennek ellenőrzése érdekében a kutatók a fiatal medúzák testnövekedését követték nyomon. A medúza testének mérete legkönnyebben a kupolájánál mérhető, mivel az egyenletesen és arányosan nő az egész testtel.
Normál, laboratóriumi táplálás mellett a kupola mérete az első 24 óra alatt drámai mértékben, 54,8%-kal nő — 0,62 ± 0,02 mm2-ről 0,96 ± 0,02 mm2-re. Az ezt követő 5 napos megfigyelés során a méret lassan és fokozatosan 0,98 ± 0,03 mm2-re növekedett (3A—3C).
A másik csoportba tartozó medúzák, amelyek élelem nélkül maradtak, nem nőttek, sőt csökkentek (a grafikonon a piros vonal 3C). Az éhező medúzák sejtes elemzése rendkívül kevés EdU-sejtet mutatott: 1240,6 ± 214,3 a kontrollcsoportban és 433,6 ± 133 az éhezőknél (3D—3H). Ez a megfigyelés közvetlen bizonyíték lehet arra, hogy a táplálkozás közvetlen hatással van a proliferációs folyamatra.
A hipotézis tesztelése érdekében a tudósok farmakológiai elemzést végeztek, amely során blokkolták a sejtciklus progresszióját hidroxi-karbamiddal (CH4N2O2) — a sejtciklus gátlóval, amely megállítja a G1 fázist. Ennek a beavatkozásnak az eredményeként a korábban EdU segítségével azonosított S fázisú sejtek eltűntek (3I—3L). Így a CH4N2O2-nek kitett medúzák nem mutattak növekedést, ellentétben a kontrollcsoporttal (3M).
A kutatás következő szakasza a medúzák elágazó csápjainak részletes vizsgálata volt, hogy megerősítsék azt a feltételezést, miszerint a sejtek lokális proliferációja hozzájárul a morfogenezishez.
4. ábra: A lokális proliferáció hatása a medúzák csápjainak növekedésére és elágazására.
A fiatal medúzák csápjai egy ággal rendelkeznek, de idővel ez a szám nő. Laboratóriumi körülmények között az elágazás a megfigyelések kilencedik napjára háromszorosára nőtt (4A és 4С).
Ismét, a CH4N2O2 használatakor az elágazás nem volt megfigyelhető, csak egy ágat lehetett látni (4B és 4C). Érdekes, hogy a CH4N2O2 eltávolítása a medúzákból helyreállította a csápok elágazásának folyamatát, ami utal a gyógyszeres beavatkozás visszafordíthatóságára. Ezek a megfigyelések egyértelműen jelzik a proliferáció fontosságát a csápok fejlődésében.
A csalánozók nem lennének csalánozók néhány sejttípus (nemezis, vagyis a csalánozó sejtek) nélkül. A Clytia hemisphaerica fajhoz tartozó medúzák cső alakú sejtjei a csápok izzóiban fournál készenlétbe helyezik a nemeziseket a sejtek proliferációja révén. Természetesen a tudósok úgy döntöttek, hogy ezt az állítást is ellenőrzik.
A nemezisek és a proliferáció közötti kapcsolat felfedezésére olyan festékanyagot alkalmaztak, amely képes megjelölni a csapdázott poli-γ-glutamát, amely a nemezisfalában keletkezik (DAPI, azaz 4’,6-diamidino-2-fenilindol).
A poli-γ-glutamát festése lehetővé tette a nemezisek méretének értékelését, amely 2 és 110 μm2 között változott (4D—4G). Ezenkívül némi üres nemezis is felfedezésre került, ami azt jelenti, hogy ezek a nemezisek kimerültek (4D—4G).
A medúzák csápjaiban a proliferáció aktivitását a nematociták üregeinek tanulmányozásával ellenőrizték, miután a sejtciklust a CH4N2O2 blokkolásával megakadályozták. Az üres nematociták aránya a gyógyszeres beavatkozás után magasabb volt, mint a kontrollcsoportban: 11,4% ± 2,0% a kontrollcsoport medúzáiban és 19,7% ± 2,0% a CH4N2O2-val kezelt medúzák esetében (4D—4G és 4H). Következésképpen, még a nematociták kimerülése után is aktívan ellátják elősejtjeiket proliferációval, ami megerősíti, hogy ez a folyamat nemcsak a csápok fejlődésére, hanem a nematogenezisre is hatással van bennük.
A legérdekesebb szakasz a medúzák regenerációs képességeinek tanulmányozása volt. Figyelembe véve a magas proliferáló sejtkoncentrációt a csáp hagymájában érett medúzák esetén Cladonema, a kutatók a csápok regenerációját szerették volna tanulmányozni.
5. kép: a proliferáció hatása a csápok regenerációjára.
A csápok alapjának dissekálása után regenerációs folyamat figyelhető meg (5A–5D). Az első 24 órában a gyógyulás a vágás területén zajlott (5B). A megfigyelések második napján a csúcs kezdetett meghosszabbodni, és elágazások jelentek meg (5C). Az ötödik napra a csáp teljesen elágazott lett (5D), következésképpen a csáp regenerációja a normál csáp morfogenezisét követheti megnyúlás után.
A regeneráció kezdeti szakaszának alaposabb tanulmányozása érdekében a kutatók a proliferáló sejtek eloszlásának elemzését végezték PH3 festés segítségével a mitotikus sejtek vizualizálására.
Míg a osztódó sejtek gyakran megfigyelhetők az amputált terület közelében, a mitotikus sejtek a nem vágott kontroll hagymákban a csápokkal diszpergálódtak (5E és 5F).
A PH3-pozitív sejtek mennyiségi értékelése a csáp hagymákban lehetővé tette a PH3-pozitív sejtek jelentős növekedésének megfigyelését az amputált végtaggal rendelkező egyedek csáp hagymáiban a kontrollcsoporthoz képest (5G). Összegzésképpen, a kezdeti regenerációs folyamatokat aktív sejtszaporodás kíséri a csáp hagymákban.
A sejtszaporodás regenerációra gyakorolt hatását a CH4N2O2 segítségével blokkolt sejtek vizsgálata tette lehetővé, miután levágták a csápot. A kontrollcsoportnál a csáp amputációja után a nyújtás normálisan zajlott, ahogyan azt várták. Ezzel szemben a CH4N2O2-t alkalmazó csoportnál a nyújtás nem történt meg, annak ellenére, hogy a seb normálisan gyógyult.5H). Más szavakkal, a gyógyulás minden esetben bekövetkezik, de a csáp megfelelő regenerációjához sejtszaporodás szükséges.
Végül a tudósok más medúzafajoknál is meg akarták vizsgálni a sejtszaporodást, nevezetesen a Cytaeis és Rathkea.
6. kép: a Cytaeis (bal) és Rathkea (jobb) fajú medúzák sejtszaporodása közötti összehasonlítás.
A Cytaeis medúzák EdU-pozitív sejtjeit megfigyelték a manubriumban, a csápizzókban és a sátor felső részén (6A és 6B). A PH3-pozitív sejtek elhelyezkedése a Cytaeis nagyon hasonló a Cladonema, azonban vannak bizonyos eltérések (6C és 6D). Viszont az Rathkea EdU-pozitív és PH3-pozitív sejtek szinte kizárólag a manubrium és a csápizzók területén kerültek elő (6E—6H).
Érdekes módon a proliferáló sejtek gyakran előfordultak a medúza Rathkea (6E—6G), ami ennek a fajnak a szerv nélküli szaporodását tükrözi.
A kapott információk alapján feltételezhető, hogy a sejtszaporodás a csápizzókban távolról sem csupán egy medúzafajra jellemző, bár vannak eltérések, amelyek a fiziológiával és morfológiával összefüggnek.
A kutatás részleteivel való alaposabb megismerkedéshez javaslom, hogy nézze meg a .
Epilógus
Az egyik kedvenc irodalmi karakterem Hercule Poirot. Ez a ravasz detektív mindig különös figyelmet fordított a finom részletekre, amelyek mások számára jelentéktelennek tűntek. A tudósok sokban hasonlítanak a detektívekhez, akik összegyűjtik az összes bizonyítékot, hogy válaszokat találjanak a vizsgálat minden kérdésére, és felfedezzék a „bűnöst”.
Bár ez nyilvánvalónak tűnik, a medúzák sejtregenerációja közvetlenül kapcsolódik a sejtszaporodáshoz — ez az egyik alapvető folyamat a sejtek, szövetek és, mint következmény, az egész szervezet fejlődésében. Ennek az átfogó folyamatnak a részletesebb tanulmányozása lehetővé teszi számunkra a szerveződési mechanizmusok jobb megértését, amely viszont bővíti a tudásunk spektrumát, és közvetlen hatással van az életünkre.
Pénteki off-topic:
Az auréliai medúza vonulása, amelyet egy szokatlan nevű ragadozó, a „sült tojás medúza” zavar meg (Planet Earth, narrátor: David Attenborough).
Nem tartozik a medúzák közé, de ez a mélytengeri lény (pelikánfajta nagy száj) nem olyan gyakran kerül rögzítésre (a kutatók reakciója egyszerűen lenyűgöző).
Köszönöm a figyelmet, maradjatok kíváncsiak, és kiváló hétvégét mindenkinek, srácok! 🙂
Köszönjük, hogy velünk maradtál. Tetszenek a cikkeink? Szeretnél több érdekes anyagot látni? Támogass minket, és rendelés leadásával vagy ismerősöknek ajánlással segíts nekünk. 30% kedvezmény a Habr felhasználóinak az egyedülálló entry-level szervereinkre, amelyet Önöknek találtunk ki: (elérhetők RAID1 és RAID10 opciók, akár 24 magig és 40GB DDR4-ig).
Dell R730xd két alkalommal olcsóbban? Csak nálunk Hollandiában! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2GHz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — 99 dollártól! Olvasd el ezt
Forrás: habr.com
