Cosa hanno in comune Wolverine, Deadpool e Jellyfish? Tutti hanno una caratteristica straordinaria: la rigenerazione. Naturalmente, nei fumetti e nei film, questa capacità, comune a un numero estremamente limitato di organismi viventi reali, è leggermente (e talvolta notevolmente) esagerata, ma rimane molto reale. E ciò che è reale può essere spiegato, ed è ciò che hanno deciso di fare gli scienziati dell'Università di Tohoku (Giappone) nel loro nuovo studio. Quali processi cellulari nel corpo di una medusa sono associati alla rigenerazione, come procede questo processo e quali altri superpoteri hanno queste creature gelatinose? Il rapporto del gruppo di ricerca ce lo dirà. Andare.
Base di ricerca
Innanzitutto gli scienziati spiegano perché hanno deciso di concentrare la loro attenzione sulle meduse. Il fatto è che la maggior parte delle ricerche nel campo della biologia vengono svolte con la partecipazione dei cosiddetti organismi modello: topi, moscerini della frutta, vermi, pesci, ecc. Ma il nostro pianeta ospita milioni di specie, ognuna delle quali ha l'una o l'altra abilità unica. Di conseguenza, è impossibile valutare appieno il processo di rigenerazione cellulare studiando una sola specie e presumere che il meccanismo studiato sarà comune a tutte le creature sulla Terra.
Per quanto riguarda le meduse, queste creature, dal loro stesso aspetto, parlano della loro unicità, che non può che attirare l'attenzione degli scienziati. Pertanto, prima di iniziare la dissezione della ricerca vera e propria, ne ho incontrato il protagonista.
La parola “medusa”, che siamo abituati a chiamare la creatura come tale, in realtà si riferisce solo alla fase del ciclo vitale del sottotipo cnidarico Medusozoi. Gli Cnidari hanno ricevuto un nome così insolito a causa della presenza di cellule pungenti (cnidociti) nei loro corpi, che vengono utilizzate per la caccia e l'autodifesa. In poche parole, quando vieni punto da una medusa, puoi ringraziare queste cellule per il dolore e la sofferenza.
Gli cnidociti contengono cnidocisti, un organello intracellulare responsabile dell'effetto “pungente”. In base al loro aspetto e, di conseguenza, al metodo di applicazione, si distinguono diversi tipi di cnidociti, tra cui:
- penetranti: fili con estremità appuntite che perforano il corpo della vittima o dell'autore del reato come lance, iniettando una neurotossina;
- glutinanti: fili appiccicosi e lunghi che avvolgono la vittima (non l'abbraccio più piacevole);
- I volventi sono fili corti nei quali la vittima può facilmente rimanere impigliata.
Tali armi non standard sono spiegate dal fatto che le meduse, sebbene aggraziate, non sono creature particolarmente agili. La neurotossina che entra nel corpo della preda la paralizza istantaneamente, dando alla medusa molto tempo per una pausa pranzo.
Meduse dopo una caccia riuscita.
Oltre al loro insolito metodo di caccia e difesa, le meduse hanno una riproduzione molto insolita. I maschi producono sperma e le femmine producono uova, dopo la fusione delle quali si formano planule (larve), che si depositano sul fondo. Dopo un po ', dalla larva cresce un polipo, dal quale, una volta raggiunta la maturità, le giovani meduse si staccano letteralmente (infatti si verifica il germogliamento). Pertanto, esistono diverse fasi del ciclo di vita, una delle quali è la generazione di meduse o medusoidi.
Cyanea pelosa, detta anche criniera di leone.
Se alla cyanea pelosa venisse chiesto come aumentare l'efficienza della caccia, risponderebbe: più tentacoli. Ce ne sono circa 60 in totale (grappoli di 15 tentacoli ad ogni angolo della cupola). Inoltre, questo tipo di medusa è considerata la più grande, perché il diametro della cupola può raggiungere i 2 metri e i tentacoli durante la caccia possono allungarsi fino a 20 metri. Fortunatamente questa specie non è particolarmente “tossica” e quindi non mortale per l’uomo.
La vespa marina, a sua volta, aggiungerebbe qualità alla quantità. Questo tipo di medusa ha anche 15 tentacoli (3 m di lunghezza) su ciascuno dei quattro angoli della cupola, ma il loro veleno è molte volte più forte di quello della sua grande parente. Si ritiene che la vespa marina contenga abbastanza neurotossina per uccidere 60 persone in 3 minuti. Questo temporale dei mari vive nella zona costiera dell'Australia settentrionale 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 mortali tra esseri umani e vespe marine potrebbe essere molto più elevato. Tuttavia, secondo i dati del periodo 1991-2004, su 225 casi, solo l'8% delle vittime è stato ricoverato in ospedale, compreso un decesso (un bambino di tre anni).
Vespa marina
Ora torniamo allo studio che esamineremo oggi.
Dal punto di vista delle cellule, il processo più importante nell'intera vita di qualsiasi organismo è la proliferazione cellulare, il processo di crescita dei tessuti corporei attraverso la riproduzione cellulare per divisione. Durante la crescita del corpo, questo processo regola l'aumento delle dimensioni corporee. E quando l'organismo è completamente formato, le cellule proliferanti regolano lo scambio fisiologico delle cellule e la sostituzione di quelle danneggiate con quelle nuove.
Gli Cnidari, come gruppo gemello dei bilateri e dei primi metazoi, sono stati utilizzati per studiare i processi evolutivi per molti anni. Pertanto, gli cnidari non fanno eccezione in termini di proliferazione. Ad esempio durante lo sviluppo embrionale dell'anemone di mare Nematostella vectensis la proliferazione cellulare è coordinata con l'organizzazione epiteliale ed è coinvolta nello sviluppo dei tentacoli.
Nematostella vectensis
Tra l'altro, gli cnidari, come già sappiamo, sono noti per le loro capacità rigenerative. I polipi dell'idra (un genere di celenterati sessili d'acqua dolce della classe degli idroidi) sono considerati i più popolari tra i ricercatori da centinaia di anni. La proliferazione, attivata dalle cellule morenti, innesca il processo di rigenerazione della testa basale dell'idra. Il nome stesso di questa creatura allude a una creatura mitica nota per la sua rigenerazione: l'Idra di Lerna, che Ercole riuscì a sconfiggere.
Sebbene le capacità rigenerative siano state collegate alla proliferazione, non è ancora chiaro come avvenga esattamente questo processo cellulare in condizioni normali nei diversi stadi di sviluppo dell’organismo.
Le meduse, che hanno un ciclo vitale complesso costituito da due fasi di riproduzione (vegetativa e sessuale), fungono da ottimo modello per studiare la proliferazione.
In questo lavoro, il ruolo dell'individuo principale studiato è stato svolto dalle meduse della specie Cladonema pacificum. Questa specie vive al largo delle coste del Giappone. Inizialmente, questa medusa ha 9 tentacoli principali, che iniziano a ramificarsi e ad aumentare di dimensioni (come tutto il corpo) durante lo sviluppo fino all'adulto. Questa caratteristica ci permette di studiare in dettaglio tutti i meccanismi che intervengono in questo processo.
In aggiunta a Cladonema pacifico Lo studio ha esaminato anche altri tipi di meduse: Cytaeis uchidae и Rathkea octopunctata.
Risultati dello studio
Per comprendere il modello spaziale della proliferazione cellulare nel Cladonema medusa, gli scienziati hanno utilizzato la colorazione con 5-etinil-2'-deossiuridina (EdU), che etichetta le cellule in Fase S* o cellule che lo hanno già superato.
Fase S* - la fase del ciclo cellulare in cui avviene la replicazione del DNA.
Dato che Cladonema aumenta notevolmente di dimensioni e mostra ramificazioni tentacolari durante lo sviluppo (1A-1C), la distribuzione delle cellule proliferanti può cambiare durante la maturazione.
Immagine n. 1: caratteristiche della proliferazione cellulare nel giovane Cladonema.
Grazie a questa caratteristica, è stato possibile studiare il meccanismo della proliferazione cellulare sia nelle meduse giovani (giorno 1) che sessualmente mature (giorno 45).
Nelle meduse giovani, le cellule EdU-positive sono state trovate in numero elevato in tutto il corpo, inclusa l'ombrella, il manubrio (l'organo di supporto della cavità orale nelle meduse) e i tentacoli, indipendentemente dal tempo di esposizione all'EdU.1D-1K и 1N-1O, EdU: 20 µM (micromolare) dopo 24 ore).
Nel manubrio sono state trovate numerose cellule EdU-positive (1F и 1G), ma nell'ombrello la loro distribuzione era molto uniforme, soprattutto nel guscio esterno dell'ombrello (exombrello, 1H-1K). Nei tentacoli, le cellule EdU-positive erano altamente raggruppate (1N). L'uso di un marcatore mitotico (anticorpo PH3) ha permesso di verificare che le cellule EdU-positive siano cellule proliferanti. Cellule PH3-positive sono state trovate sia nell'ombrello che nel bulbo del tentacolo (1L и 1P).
Nei tentacoli, le cellule mitotiche si trovano principalmente nell'ectoderma (1P), mentre nell'ombrello le cellule proliferanti erano localizzate nello strato superficiale (1M).
Immagine n. 2: caratteristiche della proliferazione cellulare nel Cladonema maturo.
Sia negli individui giovani che in quelli maturi, le cellule EdU-positive sono state trovate in gran numero in tutto il corpo. Nell'ombrella, le cellule EdU-positive sono state trovate più spesso nello strato superficiale che in quello inferiore, il che è simile alle osservazioni nei giovani (2A-2D).
Ma nei tentacoli la situazione era leggermente diversa. Cellule EdU-positive si accumulavano alla base del tentacolo (bulbo), dove sono stati trovati due grappoli su entrambi i lati del bulbo (2E и 2F). Anche negli individui giovani sono stati osservati accumuli simili (1N), cioè. i bulbi dei tentacoli possono rappresentare la principale area di proliferazione durante tutto lo stadio medusoide. È curioso che nel manubrio degli individui adulti il numero di cellule EdU-positive fosse significativamente maggiore che nei giovani (2G и 2H).
Il risultato intermedio è che la proliferazione cellulare può avvenire in modo uniforme nell'ombrello di una medusa, ma nei tentacoli questo processo è molto localizzato. Pertanto, si può presumere che la proliferazione cellulare uniforme possa controllare la crescita corporea e l'omeostasi dei tessuti, ma gruppi di cellule proliferanti vicino ai bulbi dei tentacoli sono coinvolti nella morfogenesi dei tentacoli.
In termini di sviluppo corporeo stesso, la proliferazione gioca un ruolo importante nella crescita corporea.
Immagine n.3: L'importanza della proliferazione nel processo di crescita corporea di una medusa.
Per testarlo nella pratica, gli scienziati hanno monitorato la crescita corporea delle meduse, iniziando dagli individui giovani. È più semplice determinare la dimensione del corpo di una medusa dalla sua cupola, poiché cresce in modo uniforme e direttamente proporzionale all'intero corpo.
Con l'alimentazione normale in condizioni di laboratorio, la dimensione della cupola aumenta notevolmente del 54.8% durante le prime 24 ore - da 0.62 ± 0.02 mm2 a 0.96 ± 0.02 mm2. Nel corso dei successivi 5 giorni di osservazioni, la dimensione è aumentata lentamente e gradualmente fino a 0.98 ± 0.03 mm2 (3А-3S).
Le meduse di un altro gruppo, private del cibo, non sono cresciute, ma si sono rimpicciolite (linea rossa nel grafico 3S). L'analisi cellulare delle meduse affamate ha mostrato la presenza di un numero estremamente piccolo di cellule EdU: 1240.6 ± 214.3 nelle meduse del gruppo di controllo e 433.6 ± 133 in quelle affamate (3D-3H). Questa osservazione può essere una prova diretta che la nutrizione influenza direttamente il processo di proliferazione.
Per verificare questa ipotesi, gli scienziati hanno condotto un test farmacologico in cui hanno bloccato la progressione del ciclo cellulare utilizzando l'idrossiurea (CH4N2O2), un inibitore del ciclo cellulare che causa l'arresto G1. Come risultato di questo intervento, le cellule in fase S precedentemente rilevate utilizzando EdU sono scomparse (3I-3L). Pertanto, le meduse esposte a CH4N2O2 non hanno mostrato crescita corporea, a differenza del gruppo di controllo (3M).
La fase successiva dello studio è stata uno studio dettagliato dei tentacoli ramificati delle meduse al fine di confermare l'ipotesi che la proliferazione locale delle cellule nei tentacoli contribuisca alla loro morfogenesi.
Immagine n. 4: effetto della proliferazione locale sulla crescita e sulla ramificazione dei tentacoli delle meduse.
I tentacoli di una giovane medusa hanno un ramo, ma col tempo il loro numero aumenta. In condizioni di laboratorio, la ramificazione è aumentata di 3 volte nel nono giorno di osservazione (4А и 4S).
Ancora una volta, quando è stato utilizzato CH4N2O2, non è stata osservata alcuna ramificazione dei tentacoli, ma solo un ramo (4B и 4C). È curioso che la rimozione di CH4N2O2 dal corpo della medusa abbia ripristinato il processo di ramificazione dei tentacoli, il che indica la reversibilità dell'intervento farmacologico. Queste osservazioni indicano chiaramente l'importanza della proliferazione per lo sviluppo dei tentacoli.
Gli Cnidari non sarebbero cnidari senza nematociti (cnidociti, cioè cnidari). Nella specie di medusa Clytia hemisphaerica, le cellule staminali nei bulbi dei tentacoli forniscono nematocisti alle punte dei tentacoli proprio a causa della proliferazione cellulare. Naturalmente, gli scienziati hanno deciso di testare anche questa affermazione.
Per rilevare qualsiasi connessione tra nematocisti e proliferazione, è stato utilizzato un colorante nucleare in grado di marcare il poli-γ-glutammato sintetizzato nella parete delle nematocisti (DAPI, ovvero 4′,6-diamidino-2-fenilindolo).
La colorazione con poli-γ-glutammato ci ha permesso di stimare la dimensione dei nematociti, che varia da 2 a 110 μm2 (4D-4G). Sono stati identificati anche un certo numero di nematocisti vuoti, cioè tali nematociti erano impoveriti (4D-4G).
L'attività di proliferazione nei tentacoli delle meduse è stata testata studiando i vuoti nei nematociti dopo il blocco del ciclo cellulare con 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 con CH4N2O2 (4D-4G и 4H). Di conseguenza, anche dopo l'esaurimento, i nematociti continuano ad essere attivamente riforniti di cellule progenitrici della proliferazione, il che conferma l'influenza di questo processo non solo sullo sviluppo dei tentacoli, ma anche sulla nematogenesi in essi.
La fase più interessante è stata lo studio delle capacità rigenerative delle meduse. Considerando l'elevata concentrazione di cellule proliferative nel bulbo tentacolare delle meduse mature Cladonema, gli scienziati hanno deciso di studiare la rigenerazione dei tentacoli.
Immagine n. 5: l'effetto della proliferazione sulla rigenerazione dei tentacoli.
Dopo la dissezione dei tentacoli alla base, è stato osservato un processo di rigenerazione (5A-5D). Durante le prime 24 ore si è verificata la guarigione nell’area dell’incisione (5B). Nel secondo giorno di osservazione, la punta cominciò ad allungarsi e apparvero i rami (5S). Il quinto giorno il tentacolo era completamente ramificato (5D), pertanto, la rigenerazione dei tentacoli può seguire la normale morfogenesi dei tentacoli dopo l'allungamento.
Per studiare meglio la fase iniziale della rigenerazione, gli scienziati 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 in bulbi tentacolari di controllo non tagliati (5E и 5F).
La quantificazione delle cellule PH3-positive presenti nei bulbi dei tentacoli ha rivelato un aumento significativo delle cellule PH3-positive nei bulbi dei tentacoli degli amputati rispetto ai controlli (5G). In conclusione, i processi rigenerativi iniziali sono accompagnati da un aumento attivo della proliferazione cellulare nei bulbi dei tentacoli.
L'effetto della proliferazione sulla rigenerazione è stato testato bloccando le cellule con CH4N2O2 dopo aver tagliato il tentacolo. Nel gruppo di controllo, l'allungamento dei tentacoli dopo l'amputazione si è verificato normalmente, come previsto. Ma nel gruppo su cui è stato applicato CH4N2O2, l’allungamento non si è verificato, nonostante la normale guarigione della ferita (5H). In altre parole, la guarigione avverrà comunque, ma la proliferazione è necessaria per una corretta rigenerazione dei tentacoli.
Alla fine, gli scienziati hanno deciso di studiare la proliferazione di altre specie di meduse, vale a dire Cytaeis и Rathkea.
Immagine n. 6: Confronto della proliferazione nelle meduse Cytaeis (a sinistra) e Rathkea (a destra).
У Cytaeis cellule medusa EdU-positive sono state osservate nel manubrio, nei bulbi dei tentacoli e nella parte superiore dell'ombrello (6А и 6V). Posizione delle cellule PH3 positive identificate in Cytaeis molto simile a Cladonema, tuttavia ci sono alcune differenze (6C и 6D). Ma a Rathkea Cellule EdU-positive e PH3-positive sono state trovate quasi esclusivamente nella regione del manubrio e dei bulbi dei tentacoli (6E-6H).
È anche interessante notare che le cellule proliferanti venivano spesso rilevate nei reni delle meduse Rathkea (6E-6G), che riflette il tipo di riproduzione asessuata di questa specie.
Tenendo conto delle informazioni ottenute, si può presumere che la proliferazione cellulare avvenga nei bulbi dei tentacoli non solo in una specie di medusa, sebbene vi siano differenze dovute a differenze nella fisiologia e nella morfologia.
Per una conoscenza più dettagliata delle sfumature dello studio, consiglio di guardare .
Finale
Uno dei miei personaggi letterari preferiti è Hercule Poirot. L'astuto detective prestava sempre particolare attenzione ai piccoli dettagli che gli altri ritenevano non importanti. Gli scienziati sono molto simili ai detective, raccolgono tutte le prove che riescono a trovare per rispondere a tutte le domande dell’indagine e scoprire il “colpevole”.
Non importa quanto possa sembrare ovvio, la rigenerazione delle cellule delle meduse è direttamente correlata alla proliferazione, un processo integrale nello sviluppo di cellule, tessuti e, di conseguenza, dell'intero organismo. Uno studio più approfondito di questo processo globale ci consentirà di comprendere meglio i meccanismi molecolari alla base di esso, che, a loro volta, amplieranno non solo la gamma delle nostre conoscenze, ma influenzeranno anche direttamente le nostre vite.
Venerdì in anteprima:
Marcia di meduse della specie Aurelia, disturbate da un predatore dall'insolito nome di “medusa uovo fritto”, cioè medusa dalle uova fritte (Pianeta Terra, voce fuori campo di David Attenborough).
Non è una medusa, ma questa creatura degli abissi profondi (la bocca grande simile a un pellicano) non viene fotografata spesso (la reazione dei ricercatori è semplicemente commovente).
Grazie per la visione, rimanete curiosi e buon fine settimana a tutti! 🙂
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Fonte: habr.com