Cosa hanno in comune Wolverine, Deadpool e una medusa? Tutti possiedono una caratteristica straordinaria: la rigenerazione. Certo, nei fumetti e nei film questa abilità, rara tra gli organismi viventi reali, è leggermente (e a volte molto) esagerata, ma rimane comunque vera. E ciò che è reale può essere spiegato, ed è esattamente ciò che i ricercatori dell'Università di Tohoku (Giappone) hanno deciso di fare nel loro nuovo studio. Quali processi cellulari nel corpo della medusa sono legati alla rigenerazione, come avviene questo processo e quali altre super capacità hanno queste creature gelatinose? Ce lo dirà il rapporto del gruppo di ricerca. Andiamo.
Fondamenti della ricerca
In primo luogo, gli scienziati spiegano perché hanno deciso di concentrare la loro attenzione proprio sulle meduse. Il fatto è che la maggior parte delle ricerche in biologia viene condotta utilizzando cosiddetti organismi modello: topi, moscerini, vermi, pesci, ecc. Ma sul nostro pianeta vivono milioni di specie, ognuna delle quali ha abilità uniche. Pertanto, non è possibile valutare adeguatamente il processo di rigenerazione cellulare studiando solo una specie e supporre che il meccanismo studiato sia comune a tutti gli esseri viventi sulla Terra.
Per quanto riguarda le meduse, queste creature parlano della loro unicità già solo con il loro aspetto, il che non può non attirare l'attenzione degli scienziati. Quindi, prima di iniziare la dissezione dello studio stesso, ho fatto conoscenza con il suo protagonista principale.
Con il termine «medusa», con cui siamo abituati a riferirci a questa creatura, si indica in realtà solo una fase del ciclo vitale degli organismi del sottogruppo Medusozoa. Gli organismi del gruppo stregoni hanno ricevuto un nome così singolare a causa della presenza nel loro corpo di cellule urticanti (cnidociti), che vengono utilizzate per catturare prede e autotutela. In parole semplici, quando sei stato punto da una medusa, puoi ringraziare proprio queste cellule per il dolore e la sofferenza che avverti.
I cnidociti contengono cnidocisti, un organello intracellulare responsabile dell'effetto "urticante". Si distinguono diversi tipi di cnidociti in base all'aspetto e, di conseguenza, alla metodologia di utilizzo:
- i penetranti sono fili con estremità affilate che si infilzano nel corpo della vittima o dell'aggressore, come lance, iniettando un neurotossina;
- i glutinanti sono fili appiccicosi e lunghi che avvolgono la vittima (non proprio un abbraccio piacevole);
- i volventi sono fili corti in cui la vittima può facilmente rimanere intrappolata.
Questo tipo di armamento non convenzionale è spiegato dal fatto che le meduse, sebbene siano aggraziate, non siano particolarmente rapide. Il neurotossina che entra nel corpo della preda la paralizza istantaneamente, dando così alla medusa un sacco di tempo per una pausa pranzo.
Una medusa dopo una caccia andata a buon fine.
Oltre al metodo di caccia e difesa insolito, le meduse hanno un modo di riproduzione piuttosto peculiare. I maschi producono spermatozoi e le femmine ovuli, dopo la fusione dei quali si formano le planule (larve), che si depositano sul fondo. Dopo un po' dalla larva cresce un polipo, dal quale, una volta raggiunta la maturità, si staccano letteralmente delle giovani meduse (in realtà si verifica una gemmazione). Così ci sono diverse fasi del ciclo vitale, una delle quali è proprio la medusa o generazione medusoide.
La cynea pelosa, anche conosciuta come "cresta di leone".
Se chiedessero alla cynea pelosa come aumentare l'efficacia della caccia, risponderebbe — più tentacoli. Ce ne sono circa 60 (cluster di 15 tentacoli in ogni angolo della campana). Inoltre, questo tipo di medusa è considerato il più grande, poiché il diametro della campana può raggiungere i 2 metri, e i tentacoli, durante la caccia, possono allungarsi fino a 20 metri. Fortunatamente, questo tipo non è particolarmente "venenoso", quindi non è mortale per l'uomo.
La medusa box, a sua volta, aggiungerebbe non solo quantità ma anche qualità. Questo tipo di medusa ha anch'esso 15 tentacoli (3 m di lunghezza) in ciascuno degli angoli del suo ombrello, ma il suo veleno è molte volte più potente di quello dei suoi parenti più grandi. Si stima che il neurotossina nel corpo della medusa box sia sufficiente per uccidere 60 persone in 3 minuti. Questa temibile creatura dei mari abita in aree costiere del nord Australia e della Nuova Zelanda. Secondo i dati dal 1884 al 1996, in Australia sono morte 63 persone, ma questi dati potrebbero essere imprecisi e il numero di incontri fatali tra l'uomo e la medusa box potrebbe essere molto più alto. Tuttavia, secondo i dati dal 1991 al 2004, tra 225 casi solo l'8% delle vittime erano state ospedalizzate, tra cui c'era un caso fatale (un bambino di tre anni).
Medusa box
Ora torniamo allo studio che stiamo esaminando oggi.
Dal punto di vista cellulare, il processo più importante dell'intera vita di qualsiasi organismo è la proliferazione cellulare: il processo di crescita dei tessuti dell'organismo mediante la riproduzione delle cellule attraverso la divisione. Durante la crescita dell'organismo, questo processo regola l'aumento delle dimensioni del corpo. E quando l'organismo è completamente formato, le cellule proliferanti regolano il ricambio fisiologico delle cellule e la sostituzione di quelle danneggiate con nuove.
I celenterati, essendo un gruppo affine delle filiere bilaterali e delle primissime ramificazioni dello sviluppo degli organismi multicellulari, sono stati utilizzati per studiare i processi evolutivi da molti anni. Pertanto, anche i celenterati non fanno eccezione in merito alla proliferazione. Ad esempio, durante lo sviluppo embrionale dell'anemone di mare Nematostella vectensis la proliferazione cellulare è coordinata con l'organizzazione dell'epitelio e partecipa allo sviluppo dei tentacoli.
Nematostella vectensis
Oltre a ciò, come già sappiamo, i celenterati sono famosi per le loro capacità rigenerative. I polipi della Hydra (genere di celenterati d'acqua dolce della classe degli idroidi) sono stati considerati per secoli i più popolari tra i ricercatori. La proliferazione attivata dalle cellule morte avvia il processo di rigenerazione della testa basale della Hydra. Lo stesso nome di questa creatura rimanda a un essere mitologico noto per la sua rigenerazione: l'Idra di Lerna, che fu sconfitta da Eracle.
Sebbene le capacità rigenerative siano state legate alla proliferazione, rimane poco chiaro come questo processo cellulare si svolga in condizioni normali nei diversi stadi di sviluppo dell'organismo.
Le meduse, che hanno un ciclo di vita complesso composto da due fasi riproduttive (vegetativa e sessuale), rappresentano un ottimo modello per lo studio della proliferazione.
In questo lavoro, la principale specie studiata è stata la medusa della specie Cladonema pacificum. Questa specie vive lungo le coste del Giappone. Inizialmente, questa medusa possiede 9 tentacoli principali, che iniziano a ramificarsi e crescere in dimensione (come anche tutto il corpo) durante lo sviluppo fino all'età adulta. Questa caratteristica consente di studiare in dettaglio tutti i meccanismi coinvolti in questo processo.
In aggiunta a Cladonema pacificum nello studio sono stati analizzati anche altri tipi di meduse: Cytaeis uchidae e Rathkea octopunctata.
Risultati dello studio
Per comprendere la regolarità spaziale della proliferazione cellulare nella medusa Cladonema, gli scienziati hanno utilizzato la colorazione con 5-etrinil-2'-desossidiridina (EdU), che marca le cellule in fase S* o cellule che l'hanno già superata.
fase S* — è la fase del ciclo cellulare in cui avviene la replicazione del DNA.
Considerando che Cladonema aumenta drasticamente in dimensione e dimostra una ramificazione dei tentacoli durante lo sviluppo (1A—1C), la distribuzione delle cellule proliferanti può cambiare durante tutto il processo di maturazione.
Immagine n°1: caratteristiche della proliferazione cellulare nei giovani Cladonema.
Grazie a questa caratteristica, è stato possibile studiare il meccanismo di proliferazione cellulare sia nei giovani (giorno 1) che nelle meduse mature (giorno 45).
Nei giovani, le cellule EdU-positive sono state trovate in gran numero in tutto il corpo, inclusi l'ombrello, il manubrio (organo di sostegno della cavità orale nelle meduse) e i tentacoli, indipendentemente dal tempo di esposizione all'EdU (1D–1K e 1N–1O, EdU: 20 µM (micromolare) dopo 24 ore).
Nel manubrio sono state trovate pochissime cellule EdU-positive (1F e 1G), mentre la loro distribuzione nell'ombrello era molto uniforme, specialmente nella parte esterna dell'ombrello (exumbrella, 1H—1K). Nei tentacoli, le cellule EdU-positive erano fortemente clusterizzate (1N). L'applicazione del marcatore mitotico (anticorpi PH3) ha permesso di verificare che le cellule EdU-positive sono effettivamente cellule proliferanti. Le cellule positive al PH3 sono state trovate sia nell'ombrello che nella bulbo dei tentacoli (1L e 1P).
Nei tentacoli, le cellule mitotiche sono state principalmente rilevate nell'ectoderma (1P), mentre nell'ombrello le cellule proliferanti erano situate nello strato superficiale (1M).
Immagine n. 2: caratteristiche della proliferazione cellulare nei Cladonema adulti.
Sia negli individui giovani che in quelli adulti, le cellule EdU-positive sono state trovate in gran numero in tutto il corpo. Nell'ombrello, le cellule EdU-positive si trovavano più frequentemente nello strato superficiale rispetto a quello inferiore, similmente a quanto osservato negli individui giovani (2A—2D).
Tuttavia, nei tentacoli la situazione era piuttosto diversa. Le cellule EdU-positive si accumulavano alla base del tentacolo (bulbo), dove sono stati trovati due cluster su entrambi i lati del bulbo (2E e 2F). Negli individui giovani, accumuli simili sono stati osservati (1N), cioè i bulbi dei tentacoli possono essere la principale zona di proliferazione durante l'intera fase del medusoide. È interessante notare che nel manubrio degli adulti, il numero di cellule EdU-positive era significativamente più alto rispetto ai giovani (2G e 2H).
Il risultato intermedio è che la proliferazione cellulare può avvenire in modo uniforme nell'ombrello della medusa, mentre nei tentacoli questo processo è molto localizzato. Di conseguenza, si può ipotizzare che una proliferazione uniforme delle cellule possa controllare la crescita del corpo e l'omeostasi dei tessuti, mentre gli accumuli di cellule proliferanti vicino ai bulbi dei tentacoli sono coinvolti nella morfogenesi dei tentacoli.
Nell'ambito dello sviluppo del corpo, la proliferazione gioca un ruolo importante nella crescita del corpo.
Immagine n. 3: importanza della proliferazione nel processo di crescita del corpo della medusa.
Per testare questo nella pratica, gli scienziati hanno monitorato la crescita del corpo delle meduse, partendo da individui giovani. Determinare le dimensioni del corpo della medusa è più facile in base alla sua campana, poiché cresce in modo uniforme e direttamente proporzionale all'intero corpo.
Con un'alimentazione normale in condizioni di laboratorio, la dimensione della campana aumenta drasticamente del 54,8% nelle prime 24 ore — da 0,62 ± 0,02 mm2 a 0,96 ± 0,02 mm2. Nei successivi 5 giorni di osservazione, la dimensione aumentava lentamente e gradualmente fino a 0,98 ± 0,03 mm2 (3A—3C).
Meduse di un altro gruppo, private di cibo, non crebbero, ma diminuirono (linea rossa nel grafico 3C). L'analisi cellulare delle meduse affamate ha mostrato un numero estremamente basso di cellule EdU: 1240,6 ± 214,3 nelle meduse del gruppo di controllo e 433,6 ± 133 nelle affamate (3D—3H). Questa osservazione potrebbe essere una prova diretta del fatto che la nutrizione influisce direttamente sul processo di proliferazione.
Per testare questa ipotesi, gli scienziati hanno condotto un'analisi farmacologica, durante la quale è stato bloccato il progresso del ciclo cellulare utilizzando l'idrossicarbamide (CH4N2O2) — un inibitore del ciclo cellulare che provoca l'arresto in G1. A seguito di tale intervento, le cellule in fase S, precedentemente identificate tramite EdU, sono scomparse (3I—3L). Pertanto, le meduse sottoposte a CH4N2O2 non hanno mostrato crescita del corpo, a differenza del gruppo di controllo (3М).
Il passo successivo dello studio è stata l'analisi dettagliata dei tentacoli ramificati delle meduse, al fine di confermare l'ipotesi che la proliferazione locale delle cellule nei tentacoli contribuisca al loro morfogenesi.
Immagine n. 4: effetto della proliferazione locale sulla crescita e la ramificazione dei tentacoli delle meduse.
I tentacoli di una giovane medusa presentano un solo ramo, ma nel tempo il loro numero aumenta. In condizioni di laboratorio, la ramificazione è aumentata di 3 volte al nono giorno di osservazioni (4A e 4С).
Ancora una volta, utilizzando CH4N2O2 non si è osservata ramificazione dei tentacoli, ma era presente solo un ramo (4B e 4C). È interessante notare che la rimozione del CH4N2O2 dal corpo delle meduse ristabiliva il processo di ramificazione dei tentacoli, il che indica la reversibilità dell'intervento farmacologico. Queste osservazioni indicano chiaramente l'importanza della proliferazione nello sviluppo dei tentacoli.
Le meduse non sarebbero meduse senza i nematociti (cnidociti, cioè cellule urticanti). Nella medusa di specie Clytia hemisphaerica, le cellule staminali nei bulbi dei tentacoli forniscono nematocisti alle punte dei tentacoli proprio grazie alla proliferazione cellulare. Naturalmente, gli scienziati hanno deciso di verificare anche questa affermazione.
Per rilevare qualsiasi connessione tra nematocisti e proliferazione, è stato utilizzato un colorante nucleare che può evidenziare il poli-γ-glutammato, sintetizzato nella parete dei nematocisti (DAPI, cioè 4',6-diamidino-2-fenilindolo).
La colorazione del poli-γ-glutammato ha permesso di valutare la dimensione dei nematociti, variabile da 2 a 110 µm2 (4D—4G). È stato inoltre rilevato un certo numero di nematociti vuoti, cioè nematociti che erano esauriti (4D—4G).
L'attività di proliferazione nei tentacoli delle meduse è stata verificata attraverso lo studio delle cavità nei nematociti dopo il blocco del ciclo cellulare tramite CH4N2O2. La percentuale di nematociti vuoti nelle meduse dopo l'intervento farmacologico era superiore rispetto al gruppo di controllo: 11,4% ± 2,0% nelle meduse del gruppo di controllo e 19,7% ± 2,0% nelle meduse trattate con CH4N2O2 (4D—4G e 4H). Pertanto, anche dopo l'esaurimento, i nematociti continuano ad essere attivamente riforniti di cellule progenitrici tramite proliferazione, a conferma dell'influenza di questo processo non solo sullo sviluppo dei tentacoli, ma anche sulla nematogenesi in essi.
Il momento più interessante è stato lo studio delle capacità rigenerative delle meduse. Date le elevate concentrazioni di cellule proliferative nel bulbo del tentacolo delle meduse mature Cladonema, i ricercatori hanno deciso di esaminare specificamente la rigenerazione dei tentacoli.
Immagine n. 5: l'influenza della proliferazione sulla rigenerazione dei tentacoli.
Dopo la dissezione dei tentacoli alla base, è stato osservato un processo di rigenerazione (5A–5D). Nei primi 24 ore, la cicatrizzazione avveniva nell'area dell'incisione (5B). Il secondo giorno di osservazione, la punta iniziava a allungarsi e apparivano rami (5C). Al quinto giorno, il tentacolo era completamente ramificato (5D), quindi la rigenerazione del tentacolo può seguire il normale morfogenesi del tentacolo dopo l'allungamento.
Per studiare meglio la fase iniziale della rigenerazione, i ricercatori hanno analizzato la distribuzione delle cellule proliferanti utilizzando la colorazione PH3 per visualizzare le cellule mitotiche.
Mentre le cellule in divisione venivano spesso osservate vicino all'area amputata, le cellule mitotiche erano disperse all'interno dei bulbi di controllo non sezionati con tentacoli (5E e 5F).
La valutazione quantitativa delle cellule positive al PH3, presenti nei bulbi dei tentacoli, ha rivelato un aumento significativo delle cellule positive al PH3 nei bulbi dei tentacoli degli individui con arti amputati rispetto al gruppo di controllo (5G). In conclusione, i processi rigenerativi iniziali sono accompagnati da un aumento attivo della proliferazione delle cellule nei bulbi dei tentacoli.
Controllare l'influenza della proliferazione sulla rigenerazione ha permesso il blocco delle cellule con CH4N2O2 dopo l'amputazione dei tentacoli. Nel gruppo di controllo, l'allungamento del tentacolo dopo l'amputazione è avvenuto normalmente, come previsto. Tuttavia, nel gruppo in cui è stato applicato CH4N2O2, l'allungamento non si è verificato, nonostante la normale cicatrizzazione della ferita (5H). In altre parole, la cicatrizzazione avverrà in ogni caso, ma per una corretta rigenerazione del tentacolo è necessaria la proliferazione.
Infine, i ricercatori hanno deciso di studiare la proliferazione in altre specie di meduse, in particolare in Cytaeis e Rathkea.
Immagine n. 6: confronto della proliferazione nelle meduse delle specie Cytaeis (sinistra) e Rathkea (destra).
A Cytaeis medusa Le cellule EdU-positive sono state osservate nel manubrio, nelle bulbose dei tentacoli e nella parte superiore del sombrero (6A e 6B). La posizione delle cellule positive al PH3 rilevate in Cytaeis è molto simile a Cladonema, tuttavia ci sono alcune differenze (6C e 6D). Invece, le cellule positive per EdU e PH3 sono state rilevate praticamente esclusivamente nell'area del manubrio e nelle bulbose dei tentacoli ( Rathkea 6E6H—È interessante notare che le cellule proliferanti venivano spesso rilevate nei reni della medusa).
), il che riflette il tipo asessuale di riproduzione di questa specie. Rathkea (6H—6GTenendo conto delle informazioni ottenute, si può supporre che la proliferazione cellulare avvenga nelle bulbose dei tentacoli non solo in una specie di medusa, anche se ci sono differenze dovute a variazioni nella fisiologia e morfologia.
Uno dei miei personaggi letterari preferiti è Hercule Poirot. Il perspicace detective prestava sempre particolare attenzione ai dettagli che agli altri sembravano insignificanti. Gli scienziati assomigliano molto ai detective, che raccolgono tutte le prove possibili per rispondere a tutte le domande dell'indagine e identificare il "colpevole".
Per un approfondimento sulle sfumature della ricerca, consiglio di dare un'occhiata a .
Epilogo
Per quanto ovvio possa sembrare, la rigenerazione delle cellule delle meduse è direttamente collegata alla proliferazione, un processo essenziale nello sviluppo delle cellule, dei tessuti e, di conseguenza, dell'intero organismo. Uno studio più approfondito di questo processo complesso consentirà di comprendere meglio i meccanismi molecolari alla base di esso, il che porterà a espandere non solo la nostra conoscenza, ma anche ad influenzare direttamente la nostra vita.
Per quanto ovvio possa sembrare, la rigenerazione delle cellule delle meduse è direttamente legata alla proliferazione, un processo imprescindibile nello sviluppo delle cellule, dei tessuti e, di conseguenza, dell'intero organismo. Uno studio più approfondito di questo processo onnicomprensivo permetterà di comprendere meglio i meccanismi molecolari alla base, il che, a sua volta, consentirà di ampliare non solo il nostro bagaglio di conoscenze, ma anche di influenzare direttamente la nostra vita.
Off-topic del venerdì:
La marcia delle meduse di specie aurelia, disturbata da un predatore con il curioso nome di «fried egg jellyfish», ovvero medusa-uovo fritto (Planet Earth, voce narrante — David Attenborough).
Non appartiene alle meduse, ma questa creatura di profondità (pelicaniforme con grande bocca) non è così facilmente filmabile (la reazione degli studiosi è davvero toccante).
Grazie per l'attenzione, rimanete curiosi e buon fine settimana a tutti, ragazzi! 🙂
Grazie per rimanere con noi. Ti piacciono i nostri articoli? Vuoi vedere più contenuti interessanti? Supportaci effettuando un ordine o raccomandandoci a qualcuno. Sconto del 30% per gli utenti di Habra su un'analoga unica di server entry-level, che abbiamo ideato per te: (sono disponibili opzioni con RAID1 e RAID10, fino a 24 core e fino a 40GB DDR4).
Dell R730xd a metà prezzo? Solo da noi nei Paesi Bassi! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — a partire da $99! Leggi di
Fonte: habr.com
