Wat hebben Wolverine, Deadpool en een kwal gemeen? Ze hebben allemaal een verbazingwekkende eigenschap: regeneratie. Natuurlijk is deze vaardigheid in strips en films, die voorkomt bij een uiterst beperkt aantal echte organismen, een beetje (en soms zelfs heel) overdrijven, maar het blijft heel reëel. En wat reëel is, kan worden uitgelegd, wat de wetenschappers van de Tohoku Universiteit (Japan) besloten te doen in hun nieuwe onderzoek. Welke cellulaire processen in het lichaam van een kwal zijn verbonden met regeneratie, hoe verloopt dit proces en welke andere superkrachten hebben deze gelatineachtige wezens? Dit zal ons worden verteld door het rapport van de onderzoeksgroep. Laten we beginnen.
De basis van het onderzoek
Allereerst leggen de wetenschappers uit waarom ze zich specifiek op kwallen hebben geconcentreerd. Het komt omdat de meeste onderzoeken in de biologie worden uitgevoerd met behulp van zogenaamde modelorganismen: muizen, fruitvliegen, wormen, vissen, enzovoorts. Maar op onze planeet leven miljoenen soorten, elk met unieke vaardigheden. Het is dus niet mogelijk om het proces van cellulaire regeneratie volledig te evalueren door slechts één soort te bestuderen en aan te nemen dat het bestudeerde mechanisme gemeenschappelijk is voor alle levende wezens op aarde.
Wat betreft kwallen, deze wezens spreken met hun uiterlijk over hun uniekheid, wat de aandacht van wetenschappers trekt. Daarom, voordat ik verder ga met de dissectie van het onderzoek, stel ik je voor aan de hoofdrolspeler.
Met het woord 'kwal', dat we gebruiken om het wezen in het algemeen aan te duiden, bedoelen we eigenlijk alleen een fase van de levenscyclus van de stekende onderklasse Medusozoa. Stekende wezens hebben deze ongebruikelijke naam gekregen vanwege de aanwezigheid van netelcellen in hun organisme (cnidocyt), die worden gebruikt voor jacht en zelfverdediging. Eenvoudig gezegd, als je door een kwal bent gestoken, kun je deze cellen bedanken voor de pijn en het lijden.
Cnidocyten bevatten cnidosyst — een intrazellulaire organel die verantwoordelijk is voor het 'steken'-effect. Afhankelijk van hun uiterlijk en de toepassing daarvan, worden verschillende types cnidocyten onderscheiden, waaronder:
- Penetranten zijn draden met spitse uiteinden die zich in het lichaam van het slachtoffer of de aanvaller boren, als speren, en neurotoxine injecteren;
- Glutinen zijn plakkerige en lange draden die het slachtoffer omhullen (niet de meest plezierige knuffels);
- Volventen zijn korte draden waarin het slachtoffer gemakkelijk verstrikt kan raken.
Dit onconventionele wapen is te verklaren door het feit dat medussen, hoewel ze gracieus zijn, niet bijzonder snel bewegen. Het neurotoxine dat in het lichaam van de prooi komt, paraliseert deze onmiddellijk, wat de medusae veel tijd geeft voor een lunchpauze.
De medusa na een succesvolle jacht.
Naast de ongewone jacht- en verdedigingsmethoden hebben medussen ook een zeer bijzondere voortplanting. Mannetjes produceren zaadcellen en vrouwtjes eicellen, waarvan de samensmelting planulae (larven) vormt die zich op de bodem vestigen. Na een tijd groeit er uit de larve een poliep, waarvan bij de volwassenheid letterlijk jonge medussen afsplitsen (in feite vindt er knopvorming plaats). Zo zijn er verschillende stadia in de levenscyclus, waarvan een de medusa of medusaïd generatie is.
De behaarde cyanée, ook bekend als de 'leeuwenmanen'.
Als je de behaarde cyanée zou vragen hoe ze de jacht effectiever kan maken, zou ze antwoorden - meer tentakels. In totaal zijn er ongeveer 60 (clusters van 15 tentakels op elke hoek van de koepel). Bovendien wordt deze soort medussen beschouwd als de grootste, omdat de diameter van de koepel tot 2 meter kan bereiken, terwijl de tentakels tijdens de jacht tot 20 meter kunnen worden uitgerekt. Gelukkig staat deze soort niet bekend om zijn "giftigheid", waardoor het niet dodelijk is voor de mens.
De zeevurus zou in dit geval ook de kwaliteit toevoegen aan de hoeveelheid. Dit soort kwallen heeft eveneens 15 tentakels (3 m lang) aan elke van de vier hoeken van de klok, maar hun gif is vele malen sterker dan dat van hun grote verwant. Het wordt aangenomen dat het neurotoxin in het lichaam van de zeevurus voldoende is om 60 mensen binnen 3 minuten te doden. Deze plaag van de zeeën komt voor in de kustzone van Noord-Australië en Nieuw-Zeeland. Tussen 1884 en 1996 zijn er in Australie 63 mensen omgekomen, maar deze gegevens kunnen onnauwkeurig zijn, en het aantal fatale ontmoetingen tussen mensen en zeevuren kan veel groter zijn. Echter, volgens gegevens van 1991-2004 was slechts 8% van de 225 gevallen waarin mensen betrokken waren, opgenomen in het ziekenhuis, waaronder één dodelijk geval (een driejarig kind).
Zeevurus
Laten we nu terugkeren naar het onderzoek dat we vandaag bespreken.
Vanuit het perspectief van cellen is het belangrijkste proces in het leven van elk organisme de cellulaire proliferatie — het proces van weefselgroei van het organisme door de deling van cellen. Tijdens de groei van het organisme reguleert dit proces de toename van de lichaamsgrootte. En wanneer het organisme volledig is gevormd, reguleren de prolifererende cellen de fysiologische uitwisseling van cellen en de vervanging van beschadigde cellen door nieuwe.
Celwanddieren, als een verwante groep van bilaterale en vroege takken van meercellige organismen, zijn al vele jaren gebruikt voor het bestuderen van evolutionaire processen. Daarom zijn celwanddieren geen uitzondering als het gaat om proliferatie. Bijvoorbeeld, tijdens de embryonale ontwikkeling van de zeeanemoon. Nematostella vectensis de proliferatie van cellen wordt gecoördineerd met de organisatie van het epitheel en speelt een rol in de ontwikkeling van tentakels.
Nematostella vectensis
Bovendien zijn celwanddieren, zoals we al weten, bekend om hun regeneratieve capaciteiten. De hydra-polypen (de soort van verse water zittende holtedieren van de klasse hydroiden) zijn al honderden jaren populair onder onderzoekers. Proliferatie, geactiveerd door stervende cellen, start het regeneratieproces van de basale kop van de hydra. De naam van dit wezen verwijst naar een mythisch wezen, bekend om zijn regeneratie — de Lernaea Hydra, die door Heracles werd overwonnen.
Hoewel de regeneratieve capaciteiten aan proliferatie zijn gekoppeld, blijft het onduidelijk hoe dit cellulaire proces in normale omstandigheden tijdens verschillende stadia van de ontwikkeling van het organisme plaatsvindt.
Jellyfish, met een complexe levenscyclus bestaande uit twee voortplantingsfasen (vegetatief en seksueel), vormen een uitstekend model voor de studie van proliferatie.
In dit werk speelde de medusa van de soort Cladonema pacificum de hoofdrol. Deze soort komt voor langs de kusten van Japan. Aanvankelijk heeft deze medusa 9 belangrijkste tentakels, die beginnen te vertakken en in grootte toenemen (net als de rest van het lichaam) tijdens de ontwikkeling tot een volwassen exemplaar. Dit kenmerk stelt ons in staat om alle mechanismen die bij dit proces betrokken zijn, gedetailleerd te bestuderen.
Bovendien Cladonema pacificum waren ook andere soorten jellyfish in de studie opgenomen: Cytaeis uchidae en Rathkea octopunctata.
Onderzoeksresultaten
Om de ruimtelijke patronen van celproliferatie in Cladonema medusa te begrijpen, pasten de wetenschappers kleuring toe met 5-ethynyl-2'-deoxyuridine (EdU), dat cellen markeert in de S-fase* of cellen die deze al hebben doorlopen.
S-fase* is de fase van de celcyclus waarin DNA-replicatie plaatsvindt.
Gegeven dat Cladonema dramatisch toeneemt in grootte en vertakkingen van tentakels vertoont tijdens de ontwikkeling (1A—1C), kan de verdeling van prolifererende cellen gedurende de gehele rijping variëren.
Afbeelding №1: kenmerken van cellulaire proliferatie bij jonge Cladonema.
Dankzij deze eigenschap was het mogelijk om het mechanisme van celproliferatie zowel bij jonge (dag 1) als bij volwassen (dag 45) medusa's te bestuderen.
Bij jonge medusa's werden EdU-positieve cellen in grote aantallen in het gehele lichaam aangetroffen, inclusief het bellengedeelte, het manubrium (de ondersteuningsstructuur van de mondholte bij medusa's) en tentakels, ongeacht de blootstellingsduur aan EdU (1D–1K en 1N–1O, EdU: 20 µM (micromolair) na 24 uur).
In het manubrium werden relatief weinig EdU-positieve cellen aangetroffen (1F en 1G), terwijl de verdeling ervan in het bellengedeelte zeer gelijkmatig was, vooral in de buitenste laag van de bel (exumbrella, 1H—1K). In de tentakels waren EdU-positieve cellen sterk geclusterd (1N). Het gebruik van de mitotische marker (antistoffen PH3) heeft bevestigd dat de EdU-positieve cellen inderdaad prolifererende cellen zijn. PH3-positieve cellen werden zowel in de paraplu als in de knop van de tentakel aangetroffen (1L en 1P).
In de tentakels werden mitotische cellen voornamelijk aangetroffen in de ectoderm (1P), terwijl in de paraplu de prolifererende cellen zich in de oppervlaktelaag bevonden (1M).
Afbeelding №2: kenmerken van celproliferatie bij volwassen Cladonema.
Zowel bij jonge als bij volwassen individuen werden EdU-positieve cellen in grote aantallen door het hele lichaam aangetroffen. In de paraplu kwamen EdU-positieve cellen vaker voor in de oppervlaktelaag dan in de onderste laag, wat vergelijkbaar is met wat werd waargenomen bij jonge individuen (2A—2D).
In de tentakels was de situatie echter enigszins anders. EdU-positieve cellen verzamelden zich aan de basis van de tentakel (knop), waar twee clusters aan beide zijden van de knop werden waargenomen (2E en 2F). Bij jonge individuen werden dergelijke ophopingen ook waargenomen (1N), d.w.z. de knoppen van de tentakels kunnen het belangrijkste gebied van proliferatie zijn gedurende de hele medusoïde fase. Het is opmerkelijk dat in de manubrium van volwassen individuen het aantal EdU-positieve cellen aanzienlijk groter was dan bij jonge (2G en 2H).
De tussenbalans is dat celproliferatie gelijkmatig kan plaatsvinden in de paraplu van de kwal, terwijl dit proces in de tentakels zeer gelokaliseerd is. Daarom kan worden verondersteld dat gelijkmatige celproliferatie de groei van het lichaam en de homeostase van weefsels kan beheersen, terwijl concentraties van prolifererende cellen nabij de knoppen van de tentakels betrokken zijn bij de morfogenese van de tentakels.
In termen van de ontwikkeling van het lichaam als zodanig speelt proliferatie een belangrijke rol in de groei van het lichaam.
Afbeelding №3: het belang van proliferatie in het groeiproces van de kwal.
Om dit in de praktijk te testen, hebben wetenschappers de groei van de kwal gevolgd, beginnend met jonge individuen. De afmetingen van het lichaam van de kwal zijn het gemakkelijkst te bepalen aan de hand van de paraplu, aangezien deze gelijkmatig groeit en recht evenredig is met het hele lichaam.
Bij normale voeding onder laboratoriumomstandigheden neemt de grootte van de paraplu binnen de eerste 24 uur plotseling met 54,8% toe — van 0,62 ± 0,02 mm² naar 0,96 ± 0,02 mm². Gedurende de daaropvolgende 5 dagen van observatie nam de grootte langzaam en geleidelijk toe tot 0,98 ± 0,03 mm² (3A—3C).
Medusen uit een andere groep die zijn beroofd van voedsel, groeiden niet maar krimpten (rode lijn op de grafiek 3C). Cellulaire analyse van hongerige medusen toonde een extreem laag aantal EdU-cellen aan: 1240.6 ± 214.3 bij medusen uit de controlegroep en 433.6 ± 133 bij hongerige (3D—3H). Deze waarneming kan een direct bewijs zijn dat voeding invloed heeft op het proliferatieproces.
Om deze hypothese te testen, voerden wetenschappers een farmacologische analyse uit, waarbij ze de voortgang van de cellulaire cyclus blokkeerden met behulp van hydroxycarbamide (CH4N2O2) — een remmer van de cellulaire cyclus die de G1-fase stopt. Als gevolg van deze ingreep verdwenen de S-fase cellen, die eerder met EdU waren gedetecteerd (3I—3L). Medusen die aan CH4N2O2 waren blootgesteld, toonden dus geen lichaamsgroei, in tegenstelling tot de controlegroep (3M).
De volgende fase van het onderzoek was een gedetailleerd onderzoek van de vertakte tentakels van de medusen, om de veronderstelling te bevestigen dat lokale celproliferatie in de tentakels bijdraagt aan hun morfogenese.
Afbeelding №4: invloed van lokale proliferatie op de groei en vertakking van de tentakels van medusen.
De tentakels van jonge medusen hebben één tak, maar na verloop van tijd neemt hun aantal toe. Onder laboratoriumomstandigheden is de vertakking op de negende dag van observaties met driemaal toegenomen (4A en 4C).
Opnieuw vertoonde het gebruik van CH4N2O2 geen vertakking van de tentakels, en was er slechts één tak (4B en 4C). Interessant is dat het verwijderen van CH4N2O2 uit het lichaam van de medusen het proces van vertakking van de tentakels herstelde, wat wijst op de reversibiliteit van de farmacologische ingreep. Deze waarnemingen wijzen duidelijk op het belang van proliferatie voor de ontwikkeling van tentakels.
Cnidaria zouden geen cnidaria zijn zonder nematocyten (cnidocyt, d.w.z. stekende cellen). Bij de medusa soort Clytia hemisphaerica leveren de stamcellen in de bollen van de tentakels nematocysten naar de uiteinden van de tentakels door middel van cellulaire proliferatie. Natuurlijk besloten de wetenschappers ook deze bewering te onderzoeken.
Om enige relatie tussen nematocysten en proliferatie te identificeren, werd een kernkleurstof gebruikt die poly-γ-glutamaat kan markeren, gesynthetiseerd in de wand van de nematocyst (DAPI, d.w.z. 4’,6-diamidino-2-fenylindool).
De kleurstelling van poly-γ-glutamaat maakte het mogelijk om de grootte van nematocysten te beoordelen, variërend van 2 tot 110 μm² (4D—4G). Er werd ook een bepaald aantal lege nematocysten vastgesteld, wat betekent dat deze nematocyten uitgeput waren (4D—4G).
De proliferatie-activiteit in de tentakels van de kwal werd gecontroleerd door het bestuderen van de leegte in de nematocysten na blokkering van de celcyclus door CH4N2O2. Het percentage lege nematocysten bij de kwallen na de medicamenteuze interventie was hoger dan in de controlegroep: 11,4% ± 2,0% bij de kwallen in de controlegroep en 19,7% ± 2,0% bij de kwallen met CH4N2O2 (4D—4G en 4H). Dit toont aan dat, zelfs na uitputting, de nematocyten blijven worden voorzien van voorlopercellen door proliferatie, wat de invloed van dit proces op zowel de ontwikkeling van de tentakels als op de nematogenese daarin bevestigt.
Het meest interessante aspect was de fase van het onderzoek naar de regeneratieve capaciteiten van de kwallen. Gezien de hoge concentratie proliferatieve cellen in de tentakelkolf bij volwassen kwallen Cladonema, besloten de wetenschappers de regeneratie specifiek van de tentakels te bestuderen.
Afbeelding №5: invloed van proliferatie op de regeneratie van tentakels.
Na de dissectie van de tentakels aan de basis werd het regeneratieproces waargenomen (5A–5D). In de eerste 24 uur vond genezing plaats in het snijgebied (5B). Op de tweede observatiedag begon de punt zich te verlengen en verschenen er vertakkingen (5C). Op de vijfde dag was de tentakel volledig vertakt (5D), wat betekent dat de regeneratie van de tentakel kan volgen na de normale morfogenese van de tentakel na verlenging.
Om de beginfase van regeneratie beter te bestuderen, analyseerden de wetenschappers de distributie van prolifererende cellen met behulp van PH3-kleuring voor het visualiseren van mitotische cellen.
Terwijl delende cellen vaak werden waargenomen nabij het geamputeerde gebied, waren mitotische cellen verspreid in de niet-geamputeerde controlekolven met tentakels (5E en 5F).
Kwantitatieve beoordeling van PH3-positieve cellen aanwezig in de tentakelkolven wees op een significante toename van PH3-positieve cellen in de tentakelknoppen van individuen met geamputeerde ledematen in vergelijking met de controlegroep (5G). Dit wijst erop dat de beginregeneratieve processen gepaard gaan met een actieve toename van de proliferatie van cellen in de tentakelknoppen.
De invloed van proliferatie op regeneratie werd onderzocht door cellen te blokkeren met CH4N2O2 na het afsnijden van de tentakel. Bij de controlegroep vond de verlenging van de tentakel na amputatie normaal plaats, zoals verwacht. Echter, bij de groep waar CH4N2O2 werd toegepast, vond er geen verlenging plaats, ondanks een normale wondgenezing (5H). Met andere woorden, genezing zal in ieder geval plaatsvinden, maar voor correcte regeneratie van de tentakel is proliferatie noodzakelijk.
Ten slotte besloten de wetenschappers de proliferatie bij andere soorten kwallen te bestuderen, namelijk bij Cytaeis en Rathkea.
Afbeelding №6: vergelijking van proliferatie bij de kwallen soort Cytaeis (links) en Rathkea (recht).
Er Cytaeis Kwallen EdU-positieve cellen werden waargenomen in de manubrium, de bollen van de tentakels en de bovenkant van de paraplu (6A en 6B). De locatie van de geïdentificeerde PH3-positieve cellen bij Cytaeis komt zeer overeen met Cladonema, maar er zijn enkele verschillen (6C en 6D). Bij Rathkea werden EdU-positieve en PH3-positieve cellen praktisch uitsluitend aangetroffen in het gebied van de manubrium en de bollen van de tentakels (6E—6H).
Het is ook interessant dat prolifererende cellen vaak werden aangetroffen in de knoppen van de kwal Rathkea (6E—6G), wat het aseksuele voortplantingstype van deze soort weerspiegelt.
Gezien de verkregen informatie kan worden gesuggereerd dat de proliferatie van cellen niet alleen voorkomt in de bollen van de tentakels van één soort kwallen, hoewel er verschillen zijn die te wijten zijn aan variaties in fysiologie en morfologie.
Voor een meer gedetailleerd inzicht in de nuances van het onderzoek raad ik aan om te kijken naar .
Epilog
Een van mijn favoriete literaire personages is Hercule Poirot. De scherpe detective heeft altijd bijzondere aandacht voor kleine details die anderen misschien onbelangrijk lijken. Wetenschappers doen veel denken aan detectives die alle bewijzen verzamelen die ze kunnen vinden om alle vragen van het onderzoek te beantwoorden en de 'schuldige' te achterhalen.
Hoe voor de hand liggend het ook klinkt, de regeneratie van kwallencellen is direct verbonden met proliferatie — een essentieel proces in de ontwikkeling van cellen, weefsels en, als gevolg daarvan, van het hele organisme. Een grondiger onderzoek van dit allesomvattende proces zal helpen om de moleculaire mechanismen die eraan ten grondslag liggen beter te begrijpen, wat op zijn beurt niet alleen ons kennisgebied zal uitbreiden, maar ook direct invloed kan hebben op ons leven.
Vrijdag off-topic:
De mars van de Aurelia kwallen, verstoord door een roofdier met de ongebruikelijke naam 'fried egg jellyfish', oftewel de ei kwallen (Planet Earth, stem achter de schermen - David Attenborough).
Het behoort niet tot de kwallen, maar dit diepzee wezen (een pelicaned grote mond) komt niet vaak in beeld (de reactie van de onderzoekers is gewoon schattig).
Bedankt voor uw aandacht, blijf nieuwsgierig en een fijn weekend, allemaal! 🙂
Bedankt dat je bij ons blijft. Houd je van onze artikelen? Wil je meer interessante inhoud zien? Ondersteun ons door een bestelling te plaatsen of ons aan vrienden aan te bevelen, 30% korting voor Habr-gebruikers op een unieke variant van entry-level servers, speciaal voor jou ontworpen: (opties beschikbaar met RAID1 en RAID10, tot 24 cores en tot 40GB DDR4).
Dell R730xd voor de helft van de prijs? Alleen bij ons in Nederland! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — vanaf $99! Lees over hoe
Bron: habr.com
