Kas bendro tarp Wolverine, Deadpool ir Jellyfish? Visi jie turi nuostabią savybę – regeneraciją. Žinoma, komiksuose ir filmuose šis gebėjimas, būdingas itin ribotam skaičiui tikrų gyvų organizmų, yra šiek tiek (o kartais ir labai) perdėtas, tačiau jis išlieka labai tikras. O tai, kas yra tikra, galima paaiškinti, ką mokslininkai iš Tohoku universiteto (Japonija) nusprendė padaryti savo naujame tyrime. Kokie ląstelių procesai medūzos kūne yra susiję su regeneracija, kaip šis procesas vyksta ir kokias dar supergalias turi šie į želė panašūs padarai? Apie tai mums papasakos tyrimo grupės ataskaita. Eik.
Tyrimo pagrindas
Pirmiausia mokslininkai paaiškina, kodėl nusprendė sutelkti dėmesį į medūzas. Faktas yra tas, kad dauguma tyrimų biologijos srityje atliekami dalyvaujant vadinamiesiems pavyzdiniams organizmams: pelėms, vaisinėms muselėms, kirmėlėms, žuvims ir kt. Tačiau mūsų planetoje gyvena milijonai rūšių, kurių kiekviena turi vienokį ar kitokį unikalų gebėjimą. Vadinasi, neįmanoma visiškai įvertinti ląstelių regeneracijos proceso tiriant tik vieną rūšį ir daryti prielaidą, kad tiriamas mechanizmas bus bendras visoms Žemės būtybėms.
Kalbant apie medūzas, šios būtybės savo išvaizda kalba apie savo unikalumą, kuris negali patraukti mokslininkų dėmesio. Todėl prieš pradėdamas paties tyrimo skrodimą sutikau pagrindinį jo veikėją.
Žodis „medūza“, kurį esame įpratę vadinti būtybe kaip tokia, iš tikrųjų reiškia tik cnidarinio potipio gyvavimo ciklo etapą. medusozoa. Cnidarians gavo tokį neįprastą pavadinimą dėl to, kad jų kūne yra geliančių ląstelių (cnidocitų), kurios naudojamos medžioklei ir savigynai. Paprasčiau tariant, kai jus įgelia medūza, galite padėkoti šioms ląstelėms už skausmą ir kančias.
Cnidocituose yra cnidocistų, tarpląstelinių organelių, atsakingų už „stingimo“ poveikį. Pagal jų išvaizdą ir, atitinkamai, naudojimo būdą, išskiriami keli cnidocitų tipai, tarp kurių yra:
- skvarbai – siūlai smailiais galais, kurie tarsi ietis perveria aukos ar nusikaltėlio kūną, suleidžia neurotoksiną;
- glutinantai – lipnūs ir ilgi siūlai, kurie apgaubia auką (ne pats maloniausias apkabinimas);
- volventai yra trumpi siūlai, į kuriuos auka gali lengvai įsipainioti.
Tokie nestandartiniai ginklai paaiškinami tuo, kad medūzos, nors ir grakščios, nėra itin vikrūs padarai. Į grobio organizmą patekęs neurotoksinas jį akimirksniu paralyžiuoja, todėl medūzai suteikia daug laiko pietų pertraukai.
Medūza po sėkmingos medžioklės.
Be neįprasto medžioklės ir gynybos metodo, medūzos turi labai neįprastą reprodukciją. Patinai gamina spermatozoidus, o patelės – kiaušinėlius, kuriems susiliejus susidaro plokštumos (lervos), nusėdančios apačioje. Po kurio laiko iš lervos išauga polipas, nuo kurio, sulaukusios brandos, jaunos medūzos tiesiogine prasme nutrūksta (iš tikrųjų atsiranda pumpurų). Taigi, yra keletas gyvavimo ciklo etapų, iš kurių vienas yra medūzų arba medūzų karta.
Plaukuota cianėja, dar žinoma kaip liūto karčiai.
Jei gauruotosios cianėjos paklaustų, kaip padidinti medžioklės efektyvumą, ji atsakytų – daugiau čiuptuvų. Iš viso jų yra apie 60 (po 15 čiuptuvų kiekviename kupolo kampe). Be to, šios rūšies medūzos laikomos didžiausiomis, nes kupolo skersmuo gali siekti 2 metrus, o čiuptuvai medžioklės metu gali ištempti iki 20 metrų. Laimei, ši rūšis nėra ypač „toksiška“ ir todėl nėra mirtina žmonėms.
Jūros vapsva savo ruožtu padidintų kokybę ir kiekį. Šio tipo medūzos taip pat turi po 15 čiuptuvų (3 m ilgio) kiekviename iš keturių kupolo kampų, tačiau jų nuodai yra daug kartų stipresni nei stambaus giminaičio. Manoma, kad jūros vapsva turi pakankamai neurotoksino, kad per 60 minutes nužudytų 3 žmonių. Ši jūrų perkūnija gyvena šiaurinės Australijos ir Naujosios Zelandijos pakrantės zonoje. Remiantis 1884–1996 metų duomenimis, Australijoje mirė 63 žmonės, tačiau šie duomenys gali būti netikslūs, o mirtinų žmonių ir jūrinių vapsvų susidūrimų skaičius gali būti daug didesnis. Tačiau 1991–2004 m. duomenimis, iš 225 atvejų tik 8% nukentėjusiųjų buvo paguldyti į ligoninę, iš jų vienas mirė (trejų metų vaikas).
Jūros piliakalnis
Dabar grįžkime prie šiandien nagrinėjamo tyrimo.
Ląstelių požiūriu svarbiausias procesas per visą bet kurio organizmo gyvenimą yra ląstelių dauginimasis – kūno audinių augimo procesas, vykstantis ląstelių dauginimuisi dalijantis. Kūno augimo metu šis procesas reguliuoja kūno dydžio didėjimą. O kai organizmas visiškai susiformuoja, besidauginančios ląstelės reguliuoja fiziologinius ląstelių mainus ir pažeistų pakeitimą naujomis.
Cnidarians, kaip seserinė dvišalių ir ankstyvųjų metazoanų grupė, daugelį metų buvo naudojami evoliucijos procesams tirti. Todėl cnidariai nėra išimtis, kalbant apie platinimą. Pavyzdžiui, jūros anemono embriono vystymosi metu Nematostella vectensis ląstelių dauginimasis yra suderintas su epitelio organizacija ir dalyvauja čiuptuvų vystyme.
Nematostella vectensis
Be kita ko, cnidariai, kaip jau žinome, yra žinomi dėl savo regeneracinių gebėjimų. Hidra polipai (gėlavandenių sėdimųjų koelenteratų gentis iš hidroidinės klasės) šimtus metų buvo laikomi populiariausiais tarp tyrinėtojų. Dauginimasis, suaktyvintas mirštančių ląstelių, suaktyvina bazinės hidros galvos regeneracijos procesą. Pats šios būtybės pavadinimas užsimena apie mitinę būtybę, žinomą dėl savo atsinaujinimo – Lernė hidra, kurią Heraklis sugebėjo nugalėti.
Nors regeneraciniai gebėjimai buvo susieti su proliferacija, lieka neaišku, kaip šis ląstelių procesas vyksta normaliomis sąlygomis įvairiais organizmo vystymosi etapais.
Medūzos, turinčios sudėtingą gyvenimo ciklą, susidedantį iš dviejų reprodukcijos etapų (vegetatyvinio ir seksualinio), yra puikus pavyzdys tiriant dauginimąsi.
Šiame darbe pagrindinio tiriamojo individo vaidmenį atliko Cladonema pacificum rūšies medūzos. Ši rūšis gyvena prie Japonijos krantų. Iš pradžių ši medūza turi 9 pagrindinius čiuptuvus, kurie vystantis iki suaugusio žmogaus pradeda šakotis ir didėti (kaip ir visas kūnas). Ši funkcija leidžia išsamiai ištirti visus šiame procese dalyvaujančius mechanizmus.
Be to Cladonema pacificum Tyrime taip pat buvo nagrinėjamos kitos medūzų rūšys: Cytaeis uchidae и Rathkea octopunctata.
Tyrimo rezultatai
Norėdami suprasti Cladonema medusa ląstelių proliferacijos erdvinį modelį, mokslininkai naudojo 5-etinil-2'-deoksiuridino (EdU) dažymą, kuris žymi ląsteles. S fazė* arba ląstelės, kurios jį jau praėjo.
S-fazė* - ląstelės ciklo fazė, kurioje vyksta DNR replikacija.
Atsižvelgiant į tai Cladonema labai padidėja dydis ir vystantis atsiranda čiuptuvų išsišakojimas (1A-1C), proliferuojančių ląstelių pasiskirstymas gali keistis brendimo metu.
Vaizdas Nr. 1: ląstelių proliferacijos ypatumai jaunoje kladonemoje.
Dėl šios savybės buvo galima ištirti ląstelių dauginimosi mechanizmą tiek jaunoms (1 diena), tiek lytiškai subrendusioms (45 diena) medūzoms.
Medūzų jauniklių EdU teigiamų ląstelių buvo rasta daug visame kūne, įskaitant skėtį, manubrumą (medūzų burnos ertmės atraminį organą) ir čiuptuvus, nepriklausomai nuo EdU poveikio laiko (1D-1K и 1N-1O, EdU: 20 µM (mikromoliai) po 24 valandų).
Manubryje buvo rasta nemažai EdU teigiamų ląstelių (1F и 1G), tačiau skėtyje jų pasiskirstymas buvo labai vienodas, ypač išoriniame skėčio apvalkale (eksumbrella, 1H-1K). Čiuptuvuose EdU teigiamos ląstelės buvo labai susitelkusios (1N). Mitozinio žymens (PH3 antikūno) naudojimas leido patikrinti, ar EdU teigiamos ląstelės yra proliferuojančios ląstelės. PH3 teigiamų ląstelių buvo rasta ir skėtyje, ir čiuptuvo svogūnėlyje (1L и 1P).
Čiuptuvuose mitozinių ląstelių daugiausia buvo ektodermoje (1P), o skėtyje besidauginančios ląstelės buvo paviršiniame sluoksnyje (1M).
Vaizdas Nr. 2: ląstelių proliferacijos ypatumai brandžioje kladonemoje.
Tiek jauniems, tiek subrendusiems asmenims EdU teigiamų ląstelių buvo rasta daug visame kūne. Skėtyje EdU teigiamos ląstelės dažniau buvo aptinkamos paviršiniame sluoksnyje nei apatiniame sluoksnyje, o tai panašu į stebėjimus jaunikliuose (2A-2D).
Tačiau čiuptuvuose situacija buvo kiek kitokia. EdU teigiamos ląstelės susikaupė čiuptuvo (lemputės) apačioje, kur abiejose lemputės pusėse buvo rastos dvi sankaupos (2E и 2F). Jauniems asmenims taip pat buvo pastebėtas panašus susikaupimas (1N), t.y. čiuptuvų svogūnėliai gali būti pagrindinė proliferacijos sritis meduzoidinėje stadijoje. Įdomu tai, kad suaugusių asmenų kūne EdU teigiamų ląstelių skaičius buvo žymiai didesnis nei jauniklių (2G и 2H).
Tarpinis rezultatas yra tas, kad ląstelių dauginimasis gali vykti vienodai medūzos skėtyje, tačiau čiuptuvuose šis procesas yra labai lokalizuotas. Todėl galima daryti prielaidą, kad vienodas ląstelių dauginimasis gali kontroliuoti kūno augimą ir audinių homeostazę, tačiau čiuptuvų morfogenezėje dalyvauja daugėjančių ląstelių sankaupos šalia čiuptuvų svogūnėlių.
Kalbant apie patį kūno vystymąsi, proliferacija vaidina svarbų vaidmenį kūno augime.
3 paveikslas: dauginimosi svarba medūzos kūno augimo procese.
Norėdami tai išbandyti praktiškai, mokslininkai stebėjo medūzų kūno augimą, pradedant nuo jaunų individų. Medūzos kūno dydį lengviausia nustatyti pagal jo kupolą, nes ji auga tolygiai ir tiesiogiai proporcingai visam kūnui.
Normaliai maitinant laboratorinėmis sąlygomis, kupolo dydis per pirmąsias 54.8 valandas smarkiai padidėja 24% - nuo 0.62 ± 0.02 mm2 iki 0.96 ± 0.02 mm2. Per kitas 5 stebėjimo dienas dydis lėtai ir sklandžiai didėjo iki 0.98 ± 0.03 mm2 (3А-3S).
Kitos grupės medūzos, kurioms neteko maisto, neaugo, o susitraukė (raudona linija grafike 3S). Išbadėjusių medūzų ląstelių analizė parodė, kad yra labai mažas EdU ląstelių skaičius: 1240.6 ± 214.3 kontrolinės grupės medūzose ir 433.6 ± 133 badaujančiose (3D-3H). Šis stebėjimas gali būti tiesioginis įrodymas, kad mityba tiesiogiai veikia dauginimosi procesą.
Norėdami patikrinti šią hipotezę, mokslininkai atliko farmakologinį tyrimą, kurio metu jie blokavo ląstelių ciklo progresavimą naudodami hidroksikarbamidą (CH4N2O2), ląstelių ciklo inhibitorių, sukeliantį G1 sustojimą. Dėl šios intervencijos S fazės ląstelės, anksčiau aptiktos naudojant EdU, išnyko (3I-3L). Taigi, medūzos, kurios buvo veikiamos CH4N2O2, neaugo, skirtingai nei kontrolinė grupė (3M).
Kitas tyrimo etapas buvo išsamus išsišakojusių medūzų čiuptuvų tyrimas, siekiant patvirtinti prielaidą, kad vietinis ląstelių proliferacija čiuptuvuose prisideda prie jų morfogenezės.
Vaizdas Nr. 4: vietinio dauginimosi poveikis medūzų čiuptuvų augimui ir šakojimui.
Jaunos medūzos čiuptuvai turi vieną šaką, tačiau laikui bėgant jų skaičius didėja. Laboratorinėmis sąlygomis devintą stebėjimo dieną išsišakojimas padidėjo 3 kartus (4А и 4S).
Vėlgi, kai buvo naudojamas CH4N2O2, nebuvo pastebėtas čiuptuvų išsišakojimas, o tik viena šaka (4B и 4C). Įdomu tai, kad CH4N2O2 pašalinimas iš medūzų kūno atkūrė čiuptuvų šakojimosi procesą, o tai rodo narkotikų intervencijos grįžtamumą. Šie stebėjimai aiškiai rodo proliferacijos svarbą čiuptuvų vystymuisi.
Cnidarians nebūtų cnidarians be nematocitų (cnidocitų, t.y. cnidarians). Medūzų rūšies Clytia hemisphaerica kamieninės ląstelės čiuptuvų svogūnėliuose tiekia nematocistas į čiuptuvų galiukus būtent dėl ląstelių dauginimosi. Natūralu, kad mokslininkai nusprendė patikrinti ir šį teiginį.
Norint aptikti bet kokį ryšį tarp nematocistų ir proliferacijos, buvo naudojami branduolį dažantys dažai, galintys pažymėti nematocistų sienelėje susintetintą poli-γ-glutamatą (DAPI, ty 4′,6-diamidino-2-fenilindolą).
Dažymas poli-γ-glutamatu leido mums įvertinti nematocitų dydį, kuris svyravo nuo 2 iki 110 μm2 (4D-4G). Taip pat buvo nustatyta nemažai tuščių nematocitų, ty tokių nematocitų išeikvota (4D-4G).
Medūzų čiuptuvų proliferacijos aktyvumas buvo tiriamas tiriant tuštumų nematocituose po ląstelių ciklo blokavimo CH4N2O2. Tuščių nematocitų dalis medūzose po vaistų intervencijos buvo didesnė nei kontrolinėje grupėje: 11.4 % ± 2.0 % medūzose iš kontrolinės grupės ir 19.7 % ± 2.0 % medūzose su CH4N2O2 (4D-4G и 4H). Vadinasi, net ir po išsekimo, nematocitai ir toliau aktyviai aprūpinami proliferacinėmis progenitorinėmis ląstelėmis, o tai patvirtina šio proceso įtaką ne tik čiuptuvų vystymuisi, bet ir nematogenezei juose.
Įdomiausias etapas buvo medūzų regeneracinių gebėjimų tyrimas. Atsižvelgiant į didelę proliferacinių ląstelių koncentraciją subrendusios medūzos čiuptuvo svogūnėlyje Cladonema, mokslininkai nusprendė ištirti čiuptuvų regeneraciją.
Vaizdas Nr. 5: proliferacijos poveikis čiuptuvų regeneracijai.
Po čiuptuvų išpjaustymo prie pagrindo buvo pastebėtas regeneracijos procesas (5A-5D). Per pirmąsias 24 valandas pjūvio srityje įvyko gijimas (5B). Antrą stebėjimo dieną galiukas pradėjo ilgėti ir atsirado šakų (5S). Penktą dieną čiuptuvas buvo visiškai išsišakojęs (5D), todėl čiuptuvai gali atsinaujinti po normalios čiuptuvo morfogenezės po pailgėjimo.
Norėdami geriau ištirti pradinį regeneracijos etapą, mokslininkai išanalizavo proliferuojančių ląstelių pasiskirstymą, naudodami PH3 dažymą, kad vizualizuotų mitozines ląsteles.
Nors besidalijančios ląstelės dažnai buvo stebimos netoli amputuotos vietos, mitozinės ląstelės buvo išsklaidytos nenupjautose kontrolinėse čiuptuvinėse lemputėse (5E и 5F).
Kiekybinis PH3 teigiamų ląstelių, esančių čiuptuvų svogūnėliuose, kiekis atskleidė reikšmingą PH3 teigiamų ląstelių padidėjimą amputuotų asmenų čiuptuvų svogūnėliuose, palyginti su kontrolinėmis grupėmis (5G). Apibendrinant galima pasakyti, kad pradinius regeneracinius procesus lydi aktyvus ląstelių proliferacijos padidėjimas čiuptuvų svogūnėliuose.
Proliferacijos poveikis regeneracijai buvo išbandytas blokuojant ląsteles CH4N2O2 nupjovus čiuptuvą. Kontrolinėje grupėje čiuptuvo pailgėjimas po amputacijos įvyko įprastai, kaip ir tikėtasi. Tačiau grupėje, kuriai buvo taikomas CH4N2O2, pailgėjimas nepasireiškė, nepaisant normalaus žaizdų gijimo (5H). Kitaip tariant, gijimas įvyks bet kuriuo atveju, tačiau norint tinkamai atkurti čiuptuvus, būtina daugintis.
Galiausiai mokslininkai nusprendė ištirti kitų medūzų rūšių dauginimąsi, būtent Cytaeis и Rathkea.
6 paveikslas: Cytaeis (kairėje) ir Rathkea (dešinėje) medūzų proliferacijos palyginimas.
У Cytaeis medusa EdU teigiamos ląstelės buvo pastebėtos manubriume, čiuptuvų svogūnėliuose ir viršutinėje skėčio dalyje (6А и 6V). Nustatytų PH3 teigiamų ląstelių vieta Cytaeis labai panašus į Cladonematačiau yra tam tikrų skirtumų (6C и 6D). Bet pas Rathkea EdU teigiamos ir PH3 teigiamos ląstelės buvo aptiktos beveik vien tik čiuptuvų ir čiuptuvų svogūnėlių srityje (6E-6H).
Įdomu ir tai, kad medūzų inkstuose dažnai buvo aptinkamos besidauginančios ląstelės Rathkea (6E-6G), atspindintis nelytinį šios rūšies dauginimosi tipą.
Atsižvelgiant į gautą informaciją, galima daryti prielaidą, kad ląstelių dauginimasis čiuptuvų svogūnėliuose vyksta ne tik vienos rūšies medūzose, nors yra skirtumų dėl fiziologijos ir morfologijos skirtumų.
Išsamiau susipažinti su tyrimo niuansais rekomenduoju pažiūrėti .
Epilogas
Vienas iš mano mėgstamiausių literatūros personažų yra Hercule'as Puaro. Sumanus detektyvas visada atkreipdavo ypatingą dėmesį į mažas smulkmenas, kurios, kitų nuomone, buvo nesvarbios. Mokslininkai labai panašūs į detektyvus, renka visus įkalčius, kuriuos gali rasti, kad atsakytų į visus tyrimo klausimus ir išsiaiškintų „kaltininką“.
Kad ir kaip akivaizdžiai tai skambėtų, medūzų ląstelių atsinaujinimas yra tiesiogiai susijęs su proliferacija – neatsiejamu ląstelių, audinių ir, kaip pasekmė, viso organizmo vystymosi procesu. Išsamesnis šio išsamaus proceso tyrimas leis mums geriau suprasti jo pagrindu veikiančius molekulinius mechanizmus, o tai savo ruožtu praplės ne tik mūsų žinių spektrą, bet ir tiesiogiai paveiks mūsų gyvenimą.
Penktadienio laisvalaikis:
Aurelia rūšies medūzų maršas, sutrikdytas plėšrūno neįprastu pavadinimu „kepta kiaušininė medūza“, t.y. kepta kiaušininė medūza (Planet Earth, įgarsinimo autorius Davidas Attenborough).
Tai ne medūza, tačiau šis giliavandenis padaras (į pelikaną panašus stambiaburnis) nedažnai fotografuojamas (tyrėjų reakcija tiesiog liečianti).
Ačiū, kad skaitėte, būkite smalsūs ir gero savaitgalio vaikinai! 🙂
Dėkojame, kad likote su mumis. Ar jums patinka mūsų straipsniai? Norite pamatyti įdomesnio turinio? Palaikykite mus pateikdami užsakymą ar rekomenduodami draugams, 30% nuolaida Habr vartotojams unikaliam pradinio lygio serverių analogui, kurį mes sugalvojome jums: (galima su RAID1 ir RAID10, iki 24 branduolių ir iki 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2 kartus pigiau? Tik čia Olandijoje! „Dell R420“ – 2 x E5-2430 2.2 GHz 6C 128 GB DDR3 2 x 960 GB SSD 1 Gbps 100 TB – nuo 99 USD! Skaityti apie
Šaltinis: www.habr.com