Wat hebben Wolverine, Deadpool en Jellyfish gemeen? Ze hebben allemaal een geweldige functie: regeneratie. In strips en films wordt dit vermogen, dat gebruikelijk is bij een uiterst beperkt aantal echte levende organismen, uiteraard enigszins (en soms sterk) overdreven, maar het blijft zeer reëel. En wat echt is, kan worden verklaard, en dat is wat wetenschappers van de Tohoku Universiteit (Japan) besloten te doen in hun nieuwe onderzoek. Welke cellulaire processen in het lichaam van een kwal worden geassocieerd met regeneratie, hoe verloopt dit proces en welke andere superkrachten hebben deze geleiachtige wezens? Het rapport van de onderzoeksgroep vertelt hierover. Gaan.
Onderzoeksbasis
Allereerst leggen wetenschappers uit waarom ze besloten hun aandacht op kwallen te richten. Feit is dat het meeste onderzoek op het gebied van de biologie wordt uitgevoerd met deelname van zogenaamde modelorganismen: muizen, fruitvliegjes, wormen, vissen, enz. Maar onze planeet herbergt miljoenen soorten, die elk een of ander uniek vermogen hebben. Bijgevolg is het onmogelijk om het proces van cellulaire regeneratie volledig te evalueren door slechts één soort te bestuderen, en aan te nemen dat het bestudeerde mechanisme gemeenschappelijk zal zijn voor alle wezens op aarde.
Wat kwallen betreft, deze wezens spreken door hun uiterlijk van hun uniekheid, wat alleen maar de aandacht van wetenschappers kan trekken. Daarom ontmoette ik, voordat ik met de ontleding van het onderzoek zelf begon, de hoofdpersoon ervan.
Het woord ‘kwal’, dat we het wezen als zodanig noemen, verwijst eigenlijk alleen naar het stadium van de levenscyclus van het cnidarian-subtype medusozoa. Cnidarians kregen zo'n ongebruikelijke naam vanwege de aanwezigheid van stekende cellen (cnidocyten) in hun lichaam, die worden gebruikt voor jacht en zelfverdediging. Simpel gezegd: als je door een kwal wordt gestoken, kun je deze cellen bedanken voor de pijn en het lijden.
Cnidocyten bevatten cnidocysten, een intracellulair organel dat verantwoordelijk is voor het “stekende” effect. Afhankelijk van hun uiterlijk en dienovereenkomstig de wijze van aanbrengen, worden verschillende soorten cnidocyten onderscheiden, waaronder:
- penetranten - draden met puntige uiteinden die als speren het lichaam van het slachtoffer of de dader doorboren en een neurotoxine injecteren;
- kleverige middelen - plakkerige en lange draden die het slachtoffer omhullen (niet de meest aangename knuffel);
- volvents zijn korte draadjes waarin het slachtoffer gemakkelijk verstrikt kan raken.
Dergelijke niet-standaard wapens worden verklaard door het feit dat kwallen, hoewel sierlijk, geen bijzonder behendige wezens zijn. Het neurotoxine dat het lichaam van de prooi binnendringt, verlamt het onmiddellijk, waardoor de kwal veel tijd heeft voor een lunchpauze.
Kwallen na een succesvolle jacht.
Naast hun ongebruikelijke manier van jagen en verdedigen, hebben kwallen een zeer ongebruikelijke voortplanting. Mannetjes produceren sperma en vrouwtjes produceren eieren, na de fusie waarvan planulae (larven) worden gevormd, die zich op de bodem nestelen. Na een tijdje groeit er een poliep uit de larve, waarvan jonge kwallen bij het bereiken van volwassenheid letterlijk afbreken (in feite vindt er ontluiking plaats). Er zijn dus verschillende fasen in de levenscyclus, waarvan er één de generatie van kwallen of medusoïden is.
Harige cyanea, ook bekend als leeuwenmanen.
Als de harige cyanea werd gevraagd hoe de efficiëntie van de jacht kon worden vergroot, zou hij antwoorden: meer tentakels. Er zijn er in totaal ongeveer 60 (clusters van 15 tentakels op elke hoek van de koepel). Bovendien wordt dit type kwal als de grootste beschouwd, omdat de diameter van de koepel 2 meter kan bereiken en de tentakels zich tijdens de jacht tot 20 meter kunnen uitstrekken. Gelukkig is deze soort niet bijzonder “giftig” en dus niet dodelijk voor de mens.
De zeewesp zou op zijn beurt kwaliteit aan kwantiteit toevoegen. Dit type kwal heeft ook 15 tentakels (3 m lang) op elk van de vier hoeken van de koepel, maar hun gif is vele malen sterker dan dat van zijn grote familielid. Er wordt aangenomen dat de zeewesp genoeg neurotoxine heeft om in 60 minuten 3 mensen te doden. Deze onweersbui van de zeeën leeft in de kustzone van Noord-Australië en Nieuw-Zeeland. Volgens gegevens van 1884 tot 1996 stierven in Australië 63 mensen, maar deze gegevens zijn mogelijk onnauwkeurig en het aantal dodelijke ontmoetingen tussen mensen en zeewespen kan veel hoger zijn. Volgens gegevens over de periode 1991-2004 werd van de 225 gevallen echter slechts 8% van de slachtoffers in het ziekenhuis opgenomen, waaronder één sterfgeval (een kind van drie jaar oud).
Zee wesp
Laten we nu teruggaan naar de studie waar we vandaag naar kijken.
Vanuit het oogpunt van cellen is celproliferatie het belangrijkste proces in het hele leven van elk organisme - het proces van groei van lichaamsweefsels door middel van celreproductie door deling. Tijdens de groei van het lichaam reguleert dit proces de toename van de lichaamsgrootte. En wanneer het lichaam volledig gevormd is, reguleren de prolifererende cellen de fysiologische uitwisseling van cellen en de vervanging van beschadigde cellen door nieuwe.
Neteldieren worden, als zustergroep van bilaterianen en vroege metazoans, al vele jaren gebruikt om evolutionaire processen te bestuderen. Daarom vormen neteldieren geen uitzondering in termen van proliferatie. Bijvoorbeeld tijdens de embryonale ontwikkeling van de zeeanemoon Nematostella vectensis celproliferatie wordt gecoördineerd met de epitheliale organisatie en is betrokken bij de ontwikkeling van de tentakel.
Nematostella vectensis
Neteldieren staan, zoals we al weten, onder andere bekend om hun regeneratieve vermogens. Hydra-poliepen (een geslacht van zoetwater-sessiele coelenteraten uit de hydroid-klasse) worden al honderden jaren als het meest populair onder onderzoekers beschouwd. Proliferatie, geactiveerd door stervende cellen, veroorzaakt het proces van regeneratie van de basale kop van de hydra. De naam zelf van dit wezen verwijst naar een mythisch wezen dat bekend staat om zijn regeneratie: de Lernaean Hydra, die Hercules kon verslaan.
Hoewel regeneratieve vermogens in verband zijn gebracht met proliferatie, blijft het onduidelijk hoe dit cellulaire proces precies plaatsvindt onder normale omstandigheden in verschillende stadia van de ontwikkeling van organismen.
Kwallen, die een complexe levenscyclus hebben die bestaat uit twee reproductiestadia (vegetatief en seksueel), dienen als een uitstekend model voor het bestuderen van proliferatie.
In dit werk werd de rol van het belangrijkste bestudeerde individu gespeeld door de kwal van de soort Cladonema pacificum. Deze soort leeft voor de kust van Japan. Aanvankelijk heeft deze kwal 9 hoofdtentakels, die tijdens de ontwikkeling tot een volwassene beginnen te vertakken en in omvang toenemen (zoals het hele lichaam). Met deze functie kunnen we alle mechanismen die bij dit proces betrokken zijn, in detail bestuderen.
Naast de Cladonema pacificum In het onderzoek werd ook gekeken naar andere soorten kwallen: Cytaeis uchidae и Rathkea octopunctata.
Onderzoeksresultaten
Om het ruimtelijke patroon van celproliferatie in Cladonema medusa te begrijpen, gebruikten de wetenschappers 5-ethynyl-2'-deoxyuridine (EdU) kleuring, die cellen labelt in S-fase* of cellen die er al doorheen zijn gegaan.
S-fase* - de fase van de celcyclus waarin DNA-replicatie plaatsvindt.
Aangezien Cladonema neemt dramatisch in omvang toe en vertoont tentakelvertakkingen tijdens de ontwikkeling (1A-1C), kan de verdeling van prolifererende cellen tijdens de rijping veranderen.
Afbeelding nr. 1: kenmerken van celproliferatie bij jonge Cladonema.
Dankzij dit kenmerk was het mogelijk om het mechanisme van celproliferatie bij zowel jonge (dag 1) als seksueel volwassen (dag 45) kwallen te bestuderen.
Bij jonge kwallen werden EdU-positieve cellen in grote aantallen door het hele lichaam aangetroffen, inclusief het scherm, manubrium (het ondersteunende orgaan van de mondholte bij kwallen) en tentakels, ongeacht het tijdstip van blootstelling aan EdU (1D-1K и 1N-1O, EdU: 20 µM (micromolair) na 24 uur).
In het manubrium werden nogal wat EdU-positieve cellen gevonden (1F и 1G), maar in de paraplu was hun verdeling zeer uniform, vooral in de buitenste schil van de paraplu (buitensporig, 1H-1K). In de tentakels waren EdU-positieve cellen sterk geclusterd (1N). Het gebruik van een mitotische marker (PH3-antilichaam) maakte het mogelijk om te verifiëren dat EdU-positieve cellen prolifererende cellen zijn. Er werden PH3-positieve cellen gevonden in zowel de paraplu als de tentakelbol (1L и 1P).
In de tentakels werden mitotische cellen voornamelijk aangetroffen in het ectoderm (1P), terwijl in de paraplu de prolifererende cellen zich in de oppervlaktelaag bevonden (1M).
Afbeelding nr. 2: kenmerken van celproliferatie bij volwassen Cladonema.
Bij zowel jonge als volwassen individuen werden EdU-positieve cellen in grote aantallen door het hele lichaam aangetroffen. In het scherm werden EdU-positieve cellen vaker in de oppervlakkige laag aangetroffen dan in de onderste laag, wat vergelijkbaar is met waarnemingen bij juvenielen (2A-2D).
Maar in de tentakels was de situatie enigszins anders. EdU-positieve cellen verzamelden zich aan de basis van de tentakel (bol), waar aan weerszijden van de bol twee clusters werden gevonden (2E и 2F). Bij jonge individuen werden soortgelijke accumulaties ook waargenomen (1N), d.w.z. de tentakelbollen kunnen het belangrijkste proliferatiegebied gedurende het medusoïde stadium zijn. Het is merkwaardig dat in het manubrium van volwassen individuen het aantal EdU-positieve cellen aanzienlijk groter was dan bij jongeren (2G и 2H).
Het tussenresultaat is dat celproliferatie uniform kan plaatsvinden in de paraplu van een kwal, maar in de tentakels is dit proces zeer lokaal. Daarom kan worden aangenomen dat uniforme celproliferatie de lichaamsgroei en weefselhomeostase kan controleren, maar clusters van prolifererende cellen nabij de tentakelbollen zijn betrokken bij de tentakelmorfogenese.
Wat de lichaamsontwikkeling zelf betreft, speelt proliferatie een belangrijke rol bij de lichaamsgroei.
Afbeelding #3: Het belang van proliferatie in het proces van lichaamsgroei van een kwal.
Om dit in de praktijk te testen, volgden wetenschappers de lichaamsgroei van kwallen, te beginnen met jonge exemplaren. Het is het gemakkelijkst om de grootte van het lichaam van een kwal te bepalen aan de hand van de koepel, omdat deze gelijkmatig en in directe verhouding tot het hele lichaam groeit.
Bij normale voeding onder laboratoriumomstandigheden neemt de koepelgrootte tijdens de eerste 54.8 uur scherp toe met 24% - van 0.62 ± 0.02 mm2 tot 0.96 ± 0.02 mm2. Gedurende de volgende vijf observatiedagen nam de omvang langzaam en geleidelijk toe tot 5 ± 0.98 mm0.03 (3А-3S).
Kwallen uit een andere groep, die geen voedsel kregen, groeiden niet, maar krompen (rode lijn in de grafiek 3S). Cellulaire analyse van uitgehongerde kwallen toonde de aanwezigheid aan van een extreem klein aantal EdU-cellen: 1240.6 ± 214.3 bij kwallen uit de controlegroep en 433.6 ± 133 bij uitgehongerde kwallen (3D-3H). Deze observatie kan een direct bewijs zijn dat voeding het proliferatieproces rechtstreeks beïnvloedt.
Om deze hypothese te testen voerden de wetenschappers een farmacologische test uit waarbij ze de voortgang van de celcyclus blokkeerden met behulp van hydroxyurea (CH4N2O2), een celcyclusremmer die G1-stilstand veroorzaakt. Als gevolg van deze interventie verdwenen de S-fasecellen die eerder waren gedetecteerd met behulp van EdU (3I-3L). Kwallen die werden blootgesteld aan CH4N2O2 vertoonden dus geen lichaamsgroei, in tegenstelling tot de controlegroep (3M).
De volgende fase van het onderzoek was een gedetailleerde studie van de vertakkende tentakels van kwallen om de veronderstelling te bevestigen dat lokale proliferatie van cellen in de tentakels bijdraagt aan hun morfogenese.
Afbeelding nr. 4: het effect van lokale proliferatie op de groei en vertakking van kwallententakels.
De tentakels van een jonge kwal hebben één tak, maar na verloop van tijd neemt hun aantal toe. Onder laboratoriumomstandigheden nam de vertakking driemaal toe op de negende dag van observatie (4А и 4S).
Opnieuw werd bij gebruik van CH4N2O2 geen vertakking van de tentakels waargenomen, maar slechts één vertakking (4B и 4C). Het is merkwaardig dat de verwijdering van CH4N2O2 uit het lichaam van kwallen het proces van vertakking van de tentakels herstelde, wat de omkeerbaarheid van de medicijninterventie aangeeft. Deze waarnemingen geven duidelijk het belang aan van proliferatie voor de ontwikkeling van tentakels.
Neteldieren zouden geen neteldieren zijn zonder nematocyten (netelcellen, dat wil zeggen neteldieren). Bij de kwallensoort Clytia hemisphaerica leveren stamcellen in de tentakelbollen juist door celproliferatie nematocysten aan de toppen van de tentakels. Uiteraard besloten wetenschappers deze verklaring ook te testen.
Om enig verband tussen nematocysten en proliferatie te detecteren, werd een nucleaire kleurstof gebruikt die poly-γ-glutamaat kan markeren dat is gesynthetiseerd in de nematocystenwand (DAPI, dat wil zeggen 4',6-diamidino-2-fenylindool).
Dankzij poly-γ-glutamaatkleuring konden we de grootte van nematocyten schatten, variërend van 2 tot 110 μm2 (4D-4G). Er werd ook een aantal lege nematocysten geïdentificeerd, dat wil zeggen dat dergelijke nematocyten uitgeput waren (4D-4G).
De proliferatieactiviteit in tentakels van kwallen werd getest door holtes in nematocyten te bestuderen na blokkering van de celcyclus met CH4N2O2. Het aandeel lege nematocyten in kwallen na medicamenteuze interventie was hoger dan in de controlegroep: 11.4% ± 2.0% in kwallen uit de controlegroep en 19.7% ± 2.0% in kwallen met CH4N2O2 (4D-4G и 4H). Dientengevolge blijven nematocyten, zelfs na uitputting, actief voorzien van proliferatie-voorlopercellen, wat de invloed van dit proces niet alleen op de ontwikkeling van tentakels bevestigt, maar ook op de nematogenese daarin.
De meest interessante fase was de studie van het regeneratieve vermogen van kwallen. Gezien de hoge concentratie proliferatieve cellen in de tentakelbol van volwassen kwallen Cladonemabesloten wetenschappers de regeneratie van tentakels te bestuderen.
Afbeelding nr. 5: het effect van proliferatie op de regeneratie van de tentakel.
Na dissectie van de tentakels aan de basis werd een regeneratieproces waargenomen (5A-5D). Gedurende de eerste 24 uur trad genezing op in het incisiegebied (5B). Op de tweede observatiedag begon de punt langer te worden en verschenen er takken (5S). Op de vijfde dag was de tentakel volledig vertakt (5D), daarom kan de regeneratie van de tentakel na verlenging de normale tentakelmorfogenese volgen.
Om de beginfase van regeneratie beter te kunnen bestuderen, analyseerden de wetenschappers de verdeling van prolifererende cellen met behulp van PH3-kleuring om mitotische cellen zichtbaar te maken.
Terwijl delende cellen vaak werden waargenomen in de buurt van het geamputeerde gebied, werden mitotische cellen verspreid in ongesneden controle-tentakelbollen.5E и 5F).
Kwantificering van PH3-positieve cellen aanwezig in de tentakelbollen onthulde een significante toename van PH3-positieve cellen in de tentakelbollen van geamputeerden vergeleken met controles (5G). Concluderend kunnen we stellen dat de aanvankelijke regeneratieve processen gepaard gaan met een actieve toename van de celproliferatie in de tentakelbollen.
Het effect van proliferatie op regeneratie werd getest door cellen te blokkeren met CH4N2O2 nadat de tentakel was afgesneden. In de controlegroep trad de rek van de tentakel na amputatie normaal op, zoals verwacht. Maar in de groep waarop CH4N2O2 werd aangebracht trad geen verlenging op, ondanks normale wondgenezing (5H). Met andere woorden: genezing zal hoe dan ook plaatsvinden, maar proliferatie is noodzakelijk voor een goede regeneratie van de tentakel.
Ten slotte besloten wetenschappers de proliferatie bij andere soorten kwallen te bestuderen, namelijk Cytaeïs и Rathkea.
Afbeelding #6: Vergelijking van de proliferatie bij kwallen van Cytaeis (links) en Rathkea (rechts).
У Cytaeïs medusa EdU-positieve cellen werden waargenomen in het manubrium, de tentakelbollen en het bovenste deel van de paraplu (6А и 6V). Locatie van geïdentificeerde PH3-positieve cellen in Cytaeïs zeer vergelijkbaar met Cladonema, maar er zijn enkele verschillen (6C и 6D). Maar bij Rathkea EdU-positieve en PH3-positieve cellen werden vrijwel uitsluitend aangetroffen in het gebied van de manubrium- en tentakelbollen (6E-6H).
Het is ook interessant dat prolifererende cellen vaak werden gedetecteerd in de nieren van kwallen Rathkea (6E-6G), wat het aseksuele reproductietype van deze soort weerspiegelt.
Rekening houdend met de verkregen informatie, kan worden aangenomen dat celproliferatie in de tentakelbollen niet alleen bij één soort kwal plaatsvindt, hoewel er verschillen zijn als gevolg van verschillen in fysiologie en morfologie.
Voor een meer gedetailleerde kennismaking met de nuances van de studie raad ik aan om naar te kijken .
epiloog
Een van mijn favoriete literaire personages is Hercule Poirot. De scherpzinnige detective besteedde altijd bijzondere aandacht aan kleine details waarvan anderen dachten dat ze onbelangrijk waren. Wetenschappers lijken veel op detectives. Ze verzamelen al het bewijsmateriaal dat ze kunnen vinden om alle vragen van het onderzoek te beantwoorden en de ‘dader’ te achterhalen.
Hoe voor de hand liggend het ook klinkt, de regeneratie van kwallencellen houdt rechtstreeks verband met proliferatie - een integraal proces in de ontwikkeling van cellen, weefsels en, als gevolg daarvan, het hele organisme. Een grondigere studie van dit veelomvattende proces zal ons in staat stellen de moleculaire mechanismen die eraan ten grondslag liggen beter te begrijpen, wat op zijn beurt niet alleen het bereik van onze kennis zal vergroten, maar ook rechtstreeks van invloed zal zijn op ons leven.
Vrijdag off-top:
Mars van kwallen van de soort Aurelia, verstoord door een roofdier met de ongebruikelijke naam "gebakken eierkwallen", d.w.z. gebakken eierkwallen (Planet Earth, voice-over door David Attenborough).
Het is geen kwal, maar dit diepzeedier (de pelikaanachtige largemouth) wordt niet vaak gefotografeerd (de reactie van onderzoekers is ronduit ontroerend).
Bedankt voor het lezen, blijf nieuwsgierig en een fijn weekend jongens! 🙂
Bedankt dat je bij ons bent gebleven. Vind je onze artikelen leuk? Wil je meer interessante inhoud zien? Steun ons door een bestelling te plaatsen of door vrienden aan te bevelen, 30% korting voor Habr-gebruikers op een unieke analoog van instapservers, die door ons voor u is uitgevonden: (beschikbaar met RAID1 en RAID10, tot 24 cores en tot 40GB DDR4).
Dell R730xd 2 keer goedkoper? Alleen hier in Nederland! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - vanaf $99! Lees over
Bron: www.habr.com