Cosa hanno in comune Wolverine, Deadpool e le meduse? Tutti possiedono una straordinaria caratteristica: la rigenerazione. Ovviamente, nei fumetti e nei film, questa abilità, comune solo a un numero estremamente limitato di organismi viventi, è leggermente (e a volte fortemente) esagerata, ma rimane comunque del tutto reale. E ciò che è reale può essere spiegato, e ciò 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-abilità possiedono queste creature gelatinose? A raccontarcelo sarà la relazione del gruppo di ricerca. Iniziamo.
La base della ricerca
In primo luogo, gli scienziati spiegano perché hanno deciso di concentrarsi proprio sulle meduse. Infatti, la maggior parte delle ricerche in biologia viene condotta utilizzando organismi modello come topi, moscerini della frutta, vermi, pesci, ecc. Ma sul nostro pianeta vivono milioni di specie, ognuna delle quali possiede abilità uniche. Quindi, non è possibile valutare appieno il processo di rigenerazione cellulare studiando solo una specie e presupponendo che il meccanismo studiato sia valido per tutti gli esseri sulla Terra.
Per quanto riguarda le meduse, queste creature parlano della loro unicità già solo con il loro aspetto esteriore, che non può fare altro che attirare l'attenzione degli scienziati. Pertanto, prima di iniziare la dissezione della ricerca, ho familiarizzato con il suo protagonista principale.
Con la parola "medusa", che utilizziamo per riferirci a questa creatura, in realtà si designa solo una fase del ciclo vitale del cnidario. Medusozoa. Le meduse hanno ricevuto un nome così insolito a causa della presenza nel loro organismo di cellule urticanti (cnidociti), che vengono utilizzate per la caccia e l'autodifesa. In parole povere, quando sei stato punto da una medusa, puoi ringraziare queste cellule per il dolore e la sofferenza.
I cnidociti contengono cnidocisti, un organello intracellulare responsabile dell'effetto 'pungente'. A seconda del loro aspetto e del metodo di applicazione, si possono distinguere diversi tipi di cnidociti, tra cui:
- penetranti — filamenti con punte appuntite che si infilano nel corpo della vittima o dell'aggressore, come delle lance, iniettando un neurotossico;
- glutinanti — filamenti appiccicosi e lunghi che avvolgono la vittima (non sono degli abbracci molto piacevoli);
- volventi — filamenti corti in cui la vittima può facilmente impigliarsi.
Questa strana armatura è spiegata dal fatto che le meduse, sebbene siano aggraziate, non sono particolarmente veloci. Il neurotossico che entra nel corpo della preda la paralizza istantaneamente, dando alla medusa tutto il tempo per una pausa pranzo.
Medusa dopo una caccia riuscita.
Oltre al metodo di caccia e difesa piuttosto insolito, le meduse presentano un riproduzione altrettanto eccentriche. I maschi producono spermatozoi, mentre le femmine producono ovuli; dalla loro fusione si formano le planule (larve), che poi si posano sul fondo. Dopo un po', dalla larva cresce un polipo, che alla sua maturità si separa letteralmente in meduse giovani (si tratta, di fatto, di un processo di gemmazione). In questo modo, ci sono diverse fasi nel ciclo di vita, una delle quali è rappresentata dalla medusa o dalla generazione di medusoidi.
La Cyanea capillata, nota anche come 'cresta di leone'.
Se si chiedesse alla Cyanea capillata come aumentare l'efficacia della caccia, risponderebbe 'più tentacoli'. Ce ne sono circa 60 (gruppi di 15 tentacoli per 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 possono allungarsi fino a 20 metri durante la caccia. Fortunatamente, questo tipo non è particolarmente 'velenoso', quindi non è mortale per l'uomo.
La medusa di mare, d'altra parte, aggiungerebbe non solo quantità ma anche qualità. Questo tipo di meduse ha anch'esso 15 tentacoli (3 metri di lunghezza) su ciascuno dei quattro angoli del suo ombrello, ma il suo veleno è molte volte più potente rispetto a quello della sua imponente parente. Si stima che il neurotossina presente nell'organismo della medusa di mare sia sufficiente per uccidere 60 persone in 3 minuti. Questa temibile creatura dei mari si trova nella zona costiera del nord Australia e della Nuova Zelanda. Secondo i dati dal 1884 al 1996, in Australia sono morte 63 persone, ma queste informazioni potrebbero non essere precise e il numero incontri fatali tra l'uomo e la medusa di mare potrebbe essere molto maggiore. Tuttavia, secondo i dati dal 1991 al 2004, tra 225 casi solo l'8% dei feriti è stato ricoverato, di cui uno ha avuto esito letale (un bambino di tre anni).
Medusa di mare
E ora torniamo alla ricerca che stiamo considerando oggi.
Dal punto di vista cellulare, il processo più importante nella vita di qualsiasi organismo è la proliferazione cellulare — il processo di crescita dei tessuti attraverso la divisione cellulare. Durante la crescita dell'organismo, questo processo regola l'aumento delle dimensioni del corpo. Quando l'organismo è completamente formato, le cellule proliferanti regolano il metabolismo fisiologico delle cellule e la sostituzione delle cellule danneggiate con nuove.
Gli cnidari, essendo un gruppo affine ai bilaterali e a rami primari nell'evoluzione degli organismi multicellulari, sono stati utilizzati per anni per studiare i processi evolutivi. Pertanto, anche 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 dell'epitelio e partecipa allo sviluppo dei tentacoli.
Nematostella vectensis
Oltre a tutto ciò, i briozoi sono noti, come sappiamo, per le loro capacità rigenerative. Tra i ricercatori, i polipi dell'idra (un genere di cnidari d'acqua dolce appartenenti alla classe degli idroidi) sono considerati i più popolari da secoli. La proliferazione attivata dalle cellule morenti avvia il processo di rigenerazione della testa basale dell'idra. Il nome stesso di queste creature suggerisce un mito noto per la sua rigenerazione: l'idra di Lerna, che fu sconfitta da Eracle.
Sebbene le capacità rigenerative siano state collegate alla proliferazione, rimane poco chiaro come questo processo cellulare si svolga in condizioni normali durante le diverse fasi di sviluppo dell'organismo.
Le meduse, con un ciclo di vita complesso che include due fasi di riproduzione (vegetativa e sessuata), rappresentano un eccellente modello per lo studio della proliferazione.
In this study, the primary subject of research was the jellyfish species Cladonema pacificum. This species inhabits the waters off the coast of Japan. Initially, this jellyfish has 9 main tentacles, which begin to branch out and increase in size (along with the rest of the body) as it develops into an adult. This characteristic allows for a detailed study of all the mechanisms involved in this process.
In addition to Cladonema pacificum the study also considered other jellyfish species: Cytaeis uchidae e Rathkea octopunctata.
Risultati della ricerca
To understand the spatial pattern of cell proliferation in Cladonema medusa, scientists employed staining with 5-ethynyl-2'-deoxyuridine (EdU), which labels cells in S-phase* or cells that have already gone through it.
S-phase* — the phase of the cell cycle in which DNA replication occurs.
Considering that Cladonema exhibits significant growth and shows tentacle branching during development (1A—1C), the distribution of proliferating cells may vary throughout maturation.
Image No. 1: features of cell proliferation in young Cladonema.
Grazie a questa caratteristica, è stato possibile studiare il meccanismo di proliferazione cellulare sia nelle meduse giovani (giorno 1) che in quelle mature (giorno 45).
Nelle giovani meduse, le cellule positive all'EdU sono state trovate in gran numero in tutto il corpo, incluso l'ombrello, il manubrio (l'organo di supporto 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 relativamente poche cellule positive all'EdU (1F e 1G), mentre nella parte superiore la loro distribuzione era molto uniforme, soprattutto nella membrana esterna dell'ombrello (exumbrella, 1H—1K). Nei tentacoli, le cellule positive all'EdU erano fortemente clusterizzate (1N). L'uso del marcatore mitotico (anticorpo PH3) ha confermato che le cellule positive all'EdU sono effettivamente cellule proliferanti. Le cellule positive all'PH3 sono state trovate sia nell'ombrello che nel bulbo del tentacolo (1L e 1P).
Nei tentacoli, le cellule mitotiche sono state principalmente trovate nell'ectoderma (1P), mentre nell'ombrello le cellule proliferanti erano situate nello strato superficiale (1М).
Immagine n. 2: caratteristiche della proliferazione cellulare nelle Cladonema mature.
Come per i giovani, anche nelle cellule positive all'EdU mature sono state trovate in gran numero in tutto il corpo. Nella campana, le cellule positive all'EdU si trovavano più spesso nello strato superficiale che in quello inferiore, un'osservazione simile a quella fatta nei giovani.2A—2D).
Tuttavia, la situazione era un po' diversa nei tentacoli. Le cellule positive all'EdU si accumulavano alla base del tentacolo (bulbo), dove sono stati trovati due conglomerati da entrambi i lati del bulbo.2E e 2F). Anche nei giovani si osservavano accumuli simili,1N), cioè i bulbi dei tentacoli possono essere la principale zona di proliferazione durante l'intera fase medusoide. È interessante notare che nel manubrio degli adulti il numero di cellule positive all'EdU era significativamente maggiore rispetto a quello dei giovani.2G e 2H).
In sintesi, la proliferazione cellulare sembra avvenire uniformemente nella campana della medusa, mentre nei tentacoli questo processo è molto localizzato. Si può quindi ipotizzare che la 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 partecipano alla morfogenesi dei tentacoli.
Nello sviluppo del corpo in sé, la proliferazione gioca un ruolo fondamentale nella crescita dell'organismo.
Immagine n. 3: l'importanza della proliferazione nel processo di crescita del corpo della medusa.
Per verificare ciò nella pratica, gli scienziati hanno monitorato la crescita del corpo delle meduse a partire da giovani esemplari. Determinare le dimensioni del corpo della medusa è più semplice attraverso il suo ombrello, poiché cresce in modo uniforme e direttamente proporzionale all'intero corpo.
Con un'alimentazione normale in condizioni di laboratorio, la dimensione dell'ombrello aumenta drasticamente del 54,8% nelle prime 24 ore – da 0,62 ± 0,02 mm² a 0,96 ± 0,02 mm². Nei cinque giorni successivi di osservazione, la dimensione aumentava lentamente e gradualmente fino a 0,98 ± 0,03 mm² (3A—3C).
Le meduse di un altro gruppo, private di cibo, non crescevano, ma diminuivano (linea rossa nel grafico 3C). L'analisi cellulare delle meduse affamate ha mostrato un numero estremamente ridotto di cellule EdU: 1240,6 ± 214,3 nelle meduse del gruppo di controllo e 433,6 ± 133 nelle affamate (3D—3H). Questa osservazione può costituire una prova diretta del fatto che l'alimentazione influisce direttamente sul processo di proliferazione.
Per testare questa ipotesi, i ricercatori hanno effettuato un'analisi farmacologica durante la quale hanno bloccato il progresso del ciclo cellulare utilizzando idrossicarbamide (CH4N2O2), un inibitore del ciclo cellulare che induce l'arresto della fase G1. Di conseguenza, le cellule in fase S, precedentemente rilevate con EdU, sono scomparse (3I—3L). Pertanto, le meduse sottoposte a CH4N2O2 non hanno mostrato crescita corporea, a differenza del gruppo di controllo (3М).
Il passo successivo della ricerca è stato uno studio dettagliato dei tentacoli ramificati delle meduse, per confermare l'ipotesi che la proliferazione cellulare locale nei tentacoli contribuisca al loro morfogenesi.
Immagine №4: l'influenza della proliferazione locale sulla crescita e ramificazione dei tentacoli delle meduse.
I tentacoli di una giovane medusa hanno un ramo, ma col passare del tempo il loro numero aumenta. In condizioni di laboratorio, la ramificazione è aumentata di 3 volte al nono giorno di osservazione (4A e 4С).
Ancora una volta, utilizzando CH4N2O2, non è stata osservata ramificazione dei tentacoli, ma solo un ramo (4B e 4C). È interessante notare che l'eliminazione di CH4N2O2 dall'organismo delle meduse ripristinava il processo di ramificazione dei tentacoli, il che suggerisce la reversibilità dell'intervento farmacologico. Queste osservazioni indicano chiaramente l'importanza della proliferazione per lo sviluppo dei tentacoli.
Le meduse non sarebbero meduse senza i nematociti (cnidocita, 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 qualche collegamento tra nematocisti e proliferazione è stato utilizzato un colorante per colorare il nucleo che può marcare il poli-γ-glutammato, sintetizzato nella parete del nematocita (DAPI, cioè 4',6-diamidino-2-fenilindolo).
La colorazione del poli-γ-glutammato ha permesso di valutare la dimensione dei nematociti, che varia da 2 a 110 µm² (4D—4G). È stata inoltre identificata una certa quantità di nematocisti vuoti, ossia tali nematociti erano esauriti (4D—4G).
L'attività di proliferazione nei tentacoli delle meduse è stata verificata attraverso lo studio delle vacuoli nei nematociti dopo il blocco del ciclo cellulare tramite CH4N2O2. La percentuale di nematociti vuoti nelle meduse sottoposte a intervento farmacologico era superiore a quella del 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). Di conseguenza, anche dopo l'esaurimento, i nematociti continuano a rifornirsi attivamente di cellule progenitrici attraverso la 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 dello studio è stata quella delle capacità rigenerative delle meduse. Considerando l'alta concentrazione di cellule proliferative nel bulbo del tentacolo nelle meduse mature Cladonema, gli scienziati hanno deciso di studiare la rigenerazione proprio dei tentacoli.
Immagine n. 5: l'influenza della proliferazione sulla rigenerazione dei tentacoli.
Dopo aver effettuato la dissezione dei tentacoli, è stato osservato un processo di rigenerazione alla base (5A–5D). Nei primi 24 ore la guarigione avveniva nell'area dell'incisione (5B). Nel secondo giorno di osservazione, la punta ha iniziato ad allungarsi e sono apparse delle ramificazioni (5C). Al quinto giorno, il tentacolo era completamente ramificato (5D), pertanto, la rigenerazione del tentacolo può seguire la normale morfogenesi del tentacolo dopo l'allungamento.
Per approfondire lo studio della 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 nelle vicinanze della zona amputata, le cellule mitotiche erano disperse nelle bulbi di controllo non amputati con tentacoli (5E e 5F).
La valutazione quantitativa delle cellule positive per PH3 presenti nei bulbi di tentacolo ha rivelato un aumento significativo delle cellule positive per PH3 nei bulbi di tentacolo negli individui con arti amputati rispetto al gruppo di controllo (5G). In conclusione, i processi rigenerativi iniziali sono accompagnati da un attivo aumento della proliferazione cellulare nei bulbi di tentacolo.
La verifica dell'impatto della proliferazione sulla rigenerazione è stata possibile grazie al blocco delle cellule con CH4N2O2 dopo l'amputazione di un tentacolo. Nel gruppo di controllo, l'allungamento del tentacolo dopo l'amputazione è avvenuto normalmente, come previsto. Tuttavia, nel gruppo trattato con CH4N2O2, l'allungamento non si è verificato, nonostante la normale chiusura della ferita (5H). In altre parole, la cicatrizzazione avverrà comunque, 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 tra le meduse delle specie Cytaeis (a sinistra) e Rathkea (a destra).
A Cytaeis le cellule EdU-positive sono state osservate nel manubrio, nei bulbilli dei tentacoli e nella parte superiore dell'ombrello (6A e 6B). La posizione delle cellule PH3-positive rilevate in Cytaeis è molto simile a Cladonema, tuttavia ci sono alcune differenze (6C e 6D). Mentre in Rathkea le cellule EdU-positive e PH3-positive sono state scoperte praticamente esclusivamente nell'area del manubrio e nei bulbilli dei tentacoli (6E—6H).
È interessante notare che le cellule proliferanti venivano frequentemente individuate nei reni della medusa. Rathkea (6E—6G), che riflette la modalità asessuata di riproduzione di questa specie.
Considerando le informazioni ottenute, si può ipotizzare che la proliferazione cellulare avvenga nei bulbi dei tentacoli di più di una specie di medusa, sebbene ci siano differenze dovute a variazioni nella fisiologia e morfologia.
Per una comprensione più dettagliata delle sfumature della ricerca, consiglio di dare un'occhiata a .
Epilogo
Uno dei miei personaggi letterari preferiti è Hercule Poirot. Questo detective perspicace prestava sempre particolare attenzione ai dettagli che agli altri sembravano irrilevanti. Gli scienziati assomigliano molto ai detective che raccolgono tutte le prove disponibili per rispondere a tutte le domande dell'indagine e scoprire il "colpevole".
Per quanto possa sembrare ovvio, la rigenerazione cellulare delle meduse è direttamente collegata alla proliferazione — un processo intrinseco allo sviluppo delle cellule, dei tessuti e, di conseguenza, dell'intero organismo. Uno studio più accurato di questo processo onnicomprensivo permetterà di comprendere meglio i meccanismi molecolari alla sua base, il che a sua volta potrà ampliare non solo il nostro sapere, ma anche influenzare direttamente le nostre vite.
Off-topic del venerdì:
Il viaggio delle meduse di Aurelia, disturbate da un predatore con un nome insolito "medusa uovo fritto" (Planet Earth, voce narrante — David Attenborough).
Non sono meduse, ma questo essere profondo (un grande boccaglio) raramente riesce a essere ripreso (la reazione dei ricercatori è semplicemente adorabile).
Grazie per l'attenzione, continuate a essere curiosi e buon fine settimana a tutti, ragazzi! 🙂
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Fonte: habr.com
