זה ירפא לפני החתונה: ריבוי תאים ויכולות התחדשות של מדוזה

מה משותף לוולברין, דדפול ומדוזות? לכולם יש תכונה מדהימה - התחדשות. כמובן, בקומיקס ובסרטים, היכולת הזו, הנפוצה בקרב מספר מצומצם ביותר של אורגניזמים חיים אמיתיים, מוגזמת מעט (ולפעמים מאוד), אבל היא נשארת אמיתית מאוד. ומה אמיתי ניתן להסביר, וזה מה שמדענים מאוניברסיטת טוהוקו (יפן) החליטו לעשות במחקר החדש שלהם. אילו תהליכים תאיים בגוף של מדוזה קשורים להתחדשות, כיצד תהליך זה מתרחש, ואילו כוחות-על נוספים יש ליצורים דמויי-מדוזה אלו? הדו"ח של קבוצת המחקר יספר לנו על כך. ללכת.

בסיס מחקר

קודם כל, מדענים מסבירים מדוע החליטו למקד את תשומת לבם במדוזות. העובדה היא שרוב המחקר בתחום הביולוגיה מתבצע בהשתתפות מה שנקרא מודל אורגניזמים: עכברים, זבובי פירות, תולעים, דגים וכו '. אבל הפלנטה שלנו היא ביתם של מיליוני מינים, שלכל אחד מהם יש יכולת ייחודית כזו או אחרת. כתוצאה מכך, אי אפשר להעריך באופן מלא את תהליך ההתחדשות התאית על ידי חקר מין אחד בלבד, ולהניח שהמנגנון הנחקר יהיה משותף לכל היצורים על פני כדור הארץ.

באשר למדוזות, היצורים הללו, מעצם המראה שלהם, מדברים על הייחודיות שלהם, שאינה יכולה אלא למשוך את תשומת לבם של מדענים. לכן, לפני תחילת הנתיחה של המחקר עצמו, פגשתי את הדמות הראשית שלו.

המילה "מדוזה", אותה אנו רגילים לכנות את היצור ככזה, מתייחסת למעשה רק לשלב של מחזור החיים של תת-הטיפוס הקנידיארי. מדוזוזו. Cnidarians קיבלו שם יוצא דופן כל כך בשל נוכחותם של תאים צורבים (Cnidocytes) בגופם, המשמשים לציד ולהגנה עצמית. במילים פשוטות, כאשר אתה נעקץ על ידי מדוזה, אתה יכול להודות לתאים האלה על הכאב והסבל.

Cnidocytes מכילים Cnidocysts, אברון תוך תאי האחראי על אפקט ה"צורב". על פי המראה שלהם ובהתאם לשיטת היישום, נבדלים מספר סוגים של קנידוציטים, ביניהם:

• חודרים - חוטים עם קצוות מחודדים המחוררים את גופו של הקורבן או העבריין כמו חניתות, מזריקים רעלן עצבי;
• גלוטיננטים - חוטים דביקים וארוכים העוטפים את הנפגע (לא החיבוק הכי נעים);
• וולונטים הם חוטים קצרים שבהם הקורבן יכול להסתבך בקלות.

כלי נשק לא סטנדרטיים כאלה מוסברים על ידי העובדה שמדוזות, למרות החינניות, אינן יצורים זריזים במיוחד. הנוירוטוקסין החודר לגופו של הטרף משתק אותו באופן מיידי, מה שנותן למדוזה זמן רב להפסקת צהריים.

מדוזה לאחר ציד מוצלח.

בנוסף לשיטת הציד וההגנה יוצאת הדופן שלהן, למדוזות יש רבייה יוצאת דופן מאוד. זכרים מייצרים זרע, והנקבות מייצרות ביציות, שלאחר איחון נוצרות פלנולות (זחלים) השוקעות בתחתית. לאחר זמן מה צומח פוליפ מהזחל, שממנו, בהגיעם לבגרות, מדוזות צעירות ממש מתנתקות (למעשה מתרחשת ניצנים). לפיכך, ישנם מספר שלבים במחזור החיים, אחד מהם הוא דור המדוזות או המדוזואידים.

ציאניה שעירה, המכונה גם רעמת אריה.

אם הציאניה השעירה הייתה שואלת כיצד להגביר את יעילות הציד, היא הייתה עונה - יותר מחושים. יש בערך 60 מהם בסך הכל (אשכולות של 15 מחושים בכל פינה של הכיפה). בנוסף, סוג זה של מדוזה נחשב לגדול ביותר, מכיוון שקוטר הכיפה יכול להגיע ל-2 מטרים, והמחושים יכולים להימתח עד 20 מטרים במהלך הציד. למרבה המזל, מין זה אינו "רעיל" במיוחד ולכן אינו קטלני לבני אדם.

צרעת הים, בתורה, תוסיף איכות לכמות. לסוג זה של מדוזה יש גם 15 מחושים (3 מ' באורך) בכל אחת מארבע פינות הכיפה, אך הארס שלהן חזק פי כמה מזה של קרוב משפחתה הגדול. מאמינים שלצרעת הים יש מספיק רעלן עצבי כדי להרוג 60 אנשים תוך 3 דקות. סופת רעמים זו של הים חיה באזור החוף של צפון אוסטרליה וניו זילנד. על פי נתונים מ-1884 עד 1996, באוסטרליה מתו 63 בני אדם, אך ייתכן שהנתונים הללו אינם מדויקים, ומספר המפגשים הקטלניים בין בני אדם וצרעות ים עשוי להיות גבוה בהרבה. עם זאת, לפי נתונים לשנים 1991-2004, מבין 225 מקרים אושפזו רק 8% מהנפגעים, כולל מוות אחד (ילד בן שלוש).

צרעה בים

כעת נחזור למחקר שאנו בוחנים היום.

מנקודת מבטם של תאים, התהליך החשוב ביותר בכל חייו של כל אורגניזם הוא ריבוי תאים - תהליך הצמיחה של רקמות הגוף באמצעות רבייה של תאים על ידי חלוקה. במהלך צמיחת הגוף, תהליך זה מווסת את הגידול בגודל הגוף. וכאשר הגוף נוצר במלואו, התאים המתרבים מווסתים את חילופי התאים הפיזיולוגיים ואת החלפתם של פגומים בתאים חדשים.

קנידיארים, כקבוצה אחות של בילטריאנים ומטאזואנים מוקדמים, שימשו לחקר תהליכים אבולוציוניים במשך שנים רבות. לכן, קנידיארים אינם יוצאי דופן מבחינת התפשטות. למשל, במהלך ההתפתחות העוברית של שושנת הים Nematostella vectensis ריבוי התאים מתואם עם ארגון האפיתל ומעורב בפיתוח המחושים.

Nematostella vectensis

בין היתר, הקנידיאנים, כפי שאנו כבר יודעים, ידועים ביכולות ההתחדשות שלהם. פוליפים הידרה (סוג של coelenterates יושבי מים מתוקים ממחלקת ההידרואידים) נחשבים לפופולריים ביותר בקרב חוקרים במשך מאות שנים. ריבוי, המופעל על ידי תאים גוססים, מפעיל את תהליך ההתחדשות של הראש הבסיסי של ההידרה. עצם שמו של יצור זה רומז ליצור מיתי הידוע בהתחדשותו - ההידרה הלרינית, אותה הצליח הרקולס להביס.

למרות שיכולות התחדשות נקשרו לשגשוג, עדיין לא ברור כיצד תהליך תאי זה מתרחש בתנאים רגילים בשלבים שונים של התפתחות האורגניזם.

מדוזות, בעלות מחזור חיים מורכב המורכב משני שלבי רבייה (וגטטיבי ומינית), משמשות מודל מצוין לחקר הריבוי.

בעבודה זו, תפקידו של הפרט הנחקר העיקרי שיחק על ידי המדוזה מהמין Cladonema pacificum. מין זה חי מול חופי יפן. בתחילה, למדוזה זו יש 9 מחושים עיקריים, אשר מתחילים להסתעף ולהגדיל את גודלם (כמו כל הגוף) במהלך ההתפתחות למבוגר. תכונה זו מאפשרת לנו ללמוד בפירוט את כל המנגנונים המעורבים בתהליך זה.

בנוסף ל קלדונמה פסיפיקום המחקר בחן גם סוגים אחרים של מדוזות: Cytaeis uchidae и Rathkea octopunctata.

תוצאות המחקר

כדי להבין את הדפוס המרחבי של התפשטות התאים בקלדונמה מדוזה, המדענים השתמשו בצביעה 5-ethynyl-2'-deoxyuridine (EdU), המסמנת תאים ב S-phase* או תאים שכבר עברו אותו.

S-phase* - השלב של מחזור התא בו מתרחשת שכפול ה-DNA.

בהתחשב בכך קלדונמה גדל באופן דרמטי בגודלו ומציג הסתעפות זרועות במהלך הפיתוח (1A-1C), התפלגות התאים המתרבים עשויה להשתנות במהלך ההבשלה.

תמונה מס' 1: תכונות של ריבוי תאים בקלדונמה צעירה.

בשל תכונה זו, ניתן היה לחקור את מנגנון התפשטות התאים במדוזות צעירות (יום 1) ובוגרות מינית (יום 45).

במדוזות צעירות, תאים חיוביים ל-EDU נמצאו במספרים גבוהים בכל הגוף, כולל המטוף, המנובריום (האיבר התומך של חלל הפה במדוזות), ומחושים, ללא קשר לזמן החשיפה ל-EDU (1D-1K и 1N-1O, EdU: 20 מיקרומטר (מיקרומולר) לאחר 24 שעות).

לא מעט תאים חיוביים ל-EDU נמצאו במנובריום (1F и 1G), אך במטריה החלוקה שלהם הייתה אחידה מאוד, במיוחד במעטפת החיצונית של המטריה (אקסטרליה, 1H-1K). במחושים, תאים חיוביים ל-EDU היו מקובצים מאוד (1N). השימוש בסמן מיטוטי (נוגדן PH3) איפשר לוודא שתאים חיוביים ל-EDU הם תאים מתרבים. תאים חיוביים ל-PH3 נמצאו הן במטרייה והן בנורה המחושה (1L и 1P).

במחושים, תאים מיטוטיים נמצאו בעיקר באקטודרם (1P), בעוד שבמטריה התאים המתרבים היו ממוקמים בשכבת פני השטח (1M).

תמונה מס' 2: תכונות של התפשטות תאים בקלדונמה בוגרת.

אצל אנשים צעירים ובוגרים כאחד, תאים חיוביים ל-EDU נמצאו במספרים גדולים בכל הגוף. בגגון, תאים חיוביים ל-EDU נמצאו לעתים קרובות יותר בשכבה השטחית מאשר בשכבה התחתונה, דבר הדומה לתצפיות בצעירים (2A-2D).

אבל במחושים המצב היה שונה במקצת. תאים חיוביים ל-EDU הצטברו בבסיס המחוש (נורה), שם נמצאו שני אשכולות משני צידי הנורה (2E и 2F). אצל אנשים צעירים נצפו גם הצטברויות דומות (1N), כלומר. נורות המחושים עשויות להיות האזור העיקרי של התפשטות לאורך השלב המדווסואידי. זה מוזר שבמנובריום של פרטים בוגרים מספר התאים החיוביים ל-EDU היה גדול משמעותית מאשר אצל צעירים (2G и 2H).

תוצאת הביניים היא שהתפשטות תאים יכולה להתרחש באופן אחיד במטריה של מדוזה, אך במחושים תהליך זה מאוד מקומי. לכן, ניתן להניח ששגשוג תאים אחיד יכול לשלוט בצמיחת הגוף ובהומאוסטזיס של רקמות, אך צבירי תאים מתרבים ליד נורות המחושים מעורבים במורפוגנזה של המחושים.

מבחינת התפתחות הגוף עצמו, הריבוי משחק תפקיד חשוב בצמיחת הגוף.

תמונה מס' 3: חשיבות הריבוי בתהליך צמיחת הגוף של מדוזה.

כדי לבדוק זאת בפועל, מדענים עקבו אחר צמיחת הגוף של מדוזה, החל מאנשים צעירים. הכי קל לקבוע את גודל גופה של מדוזה לפי הכיפה שלה, שכן היא גדלה באופן שווה וביחס ישיר לכל הגוף.

בהאכלה רגילה בתנאי מעבדה, גודל הכיפה גדל בחדות ב-54.8% במהלך 24 השעות הראשונות - מ-0.62 ± 0.02 מ"מ ל-2 ± 0.96 מ"מ. במהלך 0.02 ימי התצפיות הבאים, הגודל גדל לאט וחלק ל-2 ± 5 מ"מ (3А-3S).

מדוזות מקבוצה אחרת, שנמנעו ממזון, לא גדלו, אלא התכווצו (קו אדום בגרף 3S). ניתוח תאי של מדוזות מורעבות הראה נוכחות של מספר קטן ביותר של תאי EdU: 1240.6 ± 214.3 במדוזות מקבוצת הביקורת ו-433.6 ± 133 באלה המורעבים (3D-3H). תצפית זו עשויה להיות עדות ישירה לכך שתזונה משפיעה ישירות על תהליך ההתפשטות.

כדי לבחון השערה זו, המדענים ערכו בדיקה תרופתית שבה חסמו את התקדמות מחזור התא באמצעות הידרוקסיאוריאה (CH4N2O2), מעכב מחזור התא הגורם לעצירת G1. כתוצאה מהתערבות זו, תאי S-phase שזוהו בעבר באמצעות EdU נעלמו (3I-3L). לפיכך, מדוזות שנחשפו ל-CH4N2O2 לא הראו צמיחת גוף, בניגוד לקבוצת הביקורת (3M).

השלב הבא של המחקר היה מחקר מפורט של המחושים המסועפים של מדוזות במטרה לאשר את ההנחה ששגשוג מקומי של תאים במחושים תורם למורפוגנזה שלהם.

תמונה מס' 4: השפעת התפשטות מקומית על גדילה והסתעפות של מחושים של מדוזה.

למחושים של מדוזה צעירה יש ענף אחד, אך עם הזמן מספרם גדל. בתנאי מעבדה, הסתעפות גדלה פי 3 ביום התשיעי להסתכלות (4А и 4S).

שוב, כאשר נעשה שימוש ב-CH4N2O2, לא נצפתה הסתעפות של המחושים, אלא רק ענף אחד (4B и 4C). זה מוזר שהסרה של CH4N2O2 מגוף המדוזה החזירה את תהליך הסתעפות המחושים, מה שמעיד על הפיכות ההתערבות התרופתית. תצפיות אלו מצביעות בבירור על חשיבות התפשטות לפיתוח המחושים.

קנידיארים לא יהיו קנידריות ללא נמטוציטים (קנידוציטים, כלומר, קנידריות). במין המדוזות Clytia hemisphaerica, תאי גזע בנורות המחושים מספקים נמטוציסטים לקצות המחושים דווקא בשל ריבוי התאים. מטבע הדברים, מדענים החליטו לבדוק גם את ההצהרה הזו.

כדי לזהות כל קשר בין נמטוציסטים לשגשוג, נעשה שימוש בצבע צביעה גרעיני שיכול לסמן פולי-γ-גלוטמט המסונתז בקיר הנמטוציסט (DAPI, כלומר 4′,6-diamidino-2-phenylindole).

צביעת פולי-γ-גלוטמט אפשרה לנו להעריך את גודלם של נמטוציטים, שנעים בין 2 ל-110 מיקרומטר2 (4D-4G). כמו כן זוהו מספר נמטוציסטים ריקים, כלומר, נמטוציטים כאלה התרוקנו (4D-4G).

פעילות התפשטות במחושי מדוזה נבדקה על ידי מחקר חללים בנמטוציטים לאחר חסימת מחזור תאים עם CH4N2O2. שיעור הנמטוציטים הריקים במדוזות לאחר התערבות תרופתית היה גבוה יותר מאשר בקבוצת הביקורת: 11.4% ± 2.0% במדוזות מקבוצת הביקורת ו-19.7% ± 2.0% במדוזות עם CH4N2O2 (4D-4G и 4H). כתוצאה מכך, גם לאחר תשישות, נמטוציטים ממשיכים להיות מסופקים באופן פעיל עם תאי אבות התפשטות, מה שמאשר את השפעתו של תהליך זה לא רק על התפתחות המחושים, אלא גם על נמטוגנזה בהם.

השלב המעניין ביותר היה חקר יכולות ההתחדשות של המדוזה. בהתחשב בריכוז הגבוה של תאים מתרבים בנורת המחושים של מדוזה בוגרת קלדונמה, מדענים החליטו לחקור את התחדשות המחושים.

תמונה מס' 5: השפעת ההתפשטות על התחדשות המחושים.

לאחר פירוק המחושים בבסיס, נצפה תהליך התחדשות (5A-5D). במהלך 24 השעות הראשונות התרחש ריפוי באזור החתך (5B). ביום השני לתצפית, העצה החלה להתארך והופיעו ענפים (5S). ביום החמישי, המחוש היה מסועף לחלוטין (5D), לכן, התחדשות המחושים עשויה לעקוב אחר מורפוגנזה רגילה של המחושים לאחר התארכות.

כדי ללמוד טוב יותר את השלב הראשוני של ההתחדשות, המדענים ניתחו את התפלגות התאים המתרבים באמצעות צביעה PH3 כדי לדמיין תאים מיטוטיים.

בעוד תאים מתחלקים נצפו לעתים קרובות ליד האזור הקטוע, תאים מיטוטיים התפזרו בנורות זרועות בקרה לא חתוכות (5E и 5F).

כימות של תאים חיוביים ל-PH3 הקיימים בנורות המחושים גילה עלייה משמעותית בתאים חיוביים ל-PH3 בנורות המחושים של קטועי גפיים בהשוואה לבקרות (5G). לסיכום, תהליכי ההתחדשות הראשוניים מלווים בעלייה אקטיבית בשגשוג התאים בנורות המחושים.

השפעת הריבוי על ההתחדשות נבדקה על ידי חסימת תאים עם CH4N2O2 לאחר ניתוק המחוש. בקבוצת הביקורת, התארכות המחושים לאחר קטיעה התרחשה כרגיל, כצפוי. אבל בקבוצה עליה הוחל CH4N2O2, התארכות לא התרחשה, למרות ריפוי פצעים רגיל (5H). במילים אחרות, הריפוי יתרחש בכל מקרה, אך ריבוי הכרחי להתחדשות תקינה של המחושים.

לבסוף, מדענים החליטו לחקור התפשטות במינים אחרים של מדוזות, כלומר Cytaeis и Rathkea.

תמונה מס' 6: השוואה של ריבוי במדוזות Cytaeis (משמאל) ו-Rathkea (מימין).

У Cytaeis תאים חיוביים ל-medusa EdU נצפו במנובריום, בנורות המחושים ובחלק העליון של המטריה (6А и 6V). מיקום של תאים חיוביים ל-PH3 שזוהו ב Cytaeis דומה מאוד ל קלדונמה, עם זאת יש כמה הבדלים (6C и 6D). אבל ב Rathkea תאים חיוביים ל-EDU ותאים חיוביים ל-PH3 נמצאו כמעט אך ורק באזור מנובריום ונורות המחושים (6E-6H).

מעניין גם שלעתים קרובות התגלו תאים מתרבים בכליות של מדוזה Rathkea (6E-6G), המשקף את סוג הרבייה הא-מיני של מין זה.

בהתחשב במידע המתקבל, ניתן להניח ששגשוג תאים מתרחש בנורות המחושים לא רק במין אחד של מדוזה, אם כי ישנם הבדלים עקב הבדלים בפיזיולוגיה ובמורפולוגיה.

להבנה מפורטת יותר של הניואנסים של המחקר, אני ממליץ להסתכל על מדענים מדווחים.

אפילוג

אחת הדמויות הספרותיות האהובות עלי היא הרקול פוארו. הבלש הנבון תמיד הקדיש תשומת לב מיוחדת לפרטים קטנים שאחרים חשבו שהם לא חשובים. מדענים דומים מאוד לבלשים, אוספים את כל הראיות שהם יכולים למצוא כדי לענות על כל שאלות החקירה ולהבין את "האשם".

לא משנה כמה זה נשמע ברור מאליו, התחדשות של תאי מדוזה קשורה ישירות לשגשוג - תהליך אינטגרלי בהתפתחות של תאים, רקמות וכתוצאה מכך, האורגניזם כולו. מחקר יסודי יותר של תהליך מקיף זה יאפשר לנו להבין טוב יותר את המנגנונים המולקולריים העומדים בבסיסו, אשר, בתורו, ירחיב לא רק את טווח הידע שלנו, אלא גם ישפיע ישירות על חיינו.

יום שישי מחוץ לראש:

מצעד של מדוזות ממין אורליה, מופרע על ידי טורף עם השם יוצא הדופן "מדוזת ביצים מטוגנות", כלומר. מדוזה ביצים מטוגנות (Planet Earth, דיבור מאת דיוויד אטנבורו).

זו לא מדוזה, אבל היצור הזה במעמקי הים (הפה הגדול דמוי השקנאי) לא מצולם לעתים קרובות (תגובת החוקרים פשוט נוגעת ללב).

תודה שצפיתם, תישארו סקרנים ושבוע טוב לכולם! 🙂

תודה שנשארת איתנו. האם אתה אוהב את המאמרים שלנו? רוצים לראות עוד תוכן מעניין? תמכו בנו על ידי ביצוע הזמנה או המלצה לחברים, 30% הנחה למשתמשי Habr על אנלוגי ייחודי של שרתים ברמת הכניסה, שהומצא על ידינו עבורכם: כל האמת על VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 ליבות) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps החל מ-$20 או איך לשתף שרת? (זמין עם RAID1 ו-RAID10, עד 24 ליבות ועד 40GB DDR4).

Dell R730xd זול פי 2? רק כאן 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV החל מ-$199 בהולנד! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - החל מ-$99! לקרוא על כיצד לבנות תשתיות קורפ. מחלקה עם שימוש בשרתי Dell R730xd E5-2650 v4 בשווי 9000 יורו עבור אגורה?

מקור: www.habr.com