Hva har Wolverine, Deadpool og Jellyfish til felles? Alle av dem har en fantastisk funksjon - regenerering. Selvfølgelig, i tegneserier og filmer, er denne evnen, vanlig blant et ekstremt begrenset antall ekte levende organismer, litt (og noen ganger sterkt) overdrevet, men den forblir veldig ekte. Og hva som er ekte kan forklares, og det er det forskere fra Tohoku University (Japan) bestemte seg for å gjøre i sin nye studie. Hvilke cellulære prosesser i kroppen til en manet er assosiert med regenerering, hvordan foregår denne prosessen, og hvilke andre superkrefter har disse gelélignende skapningene? Rapporten til forskergruppen vil fortelle oss om dette. Gå.
Grunnlaget for studien
Først av alt forklarer forskere hvorfor de bestemte seg for å fokusere oppmerksomheten på maneter. Faktum er at det meste av forskning innen biologi utføres med deltagelse av såkalte modellorganismer: mus, fruktfluer, ormer, fisk, etc. Men planeten vår er hjemsted for millioner av arter, som hver har en eller annen unik evne. Følgelig er det umulig å fullstendig evaluere prosessen med cellulær regenerering ved å studere bare én art, og anta at den studerte mekanismen vil være felles for alle skapninger på jorden.
Når det gjelder maneter, snakker disse skapningene, ved deres utseende, om deres unike egenskaper, som ikke kan annet enn å tiltrekke seg oppmerksomheten til forskere. Derfor, før jeg startet disseksjonen av selve forskningen, møtte jeg hovedpersonen.
Ordet "maneter", som vi er vant til å kalle skapningen som sådan, refererer faktisk bare til stadiet av livssyklusen til cnidarian-undertypen medusozoa. Cnidarians fikk et så uvanlig navn på grunn av tilstedeværelsen av stikkende celler (cnidocytter) i kroppene deres, som brukes til jakt og selvforsvar. Enkelt sagt, når du blir stukket av en manet, kan du takke disse cellene for smerten og lidelsen.
Cnidocytter inneholder cnidocyster, en intracellulær organell som er ansvarlig for den "stikkende" effekten. I henhold til deres utseende og følgelig påføringsmetode, skilles flere typer cnidocytter ut, blant annet:
- penetranter - tråder med spisse ender som gjennomborer kroppen til offeret eller lovbryteren som spyd, og injiserer et nervegift;
- glutinanter - klissete og lange tråder som omslutter offeret (ikke den mest behagelige klemmen);
- volvents er korte tråder som offeret lett kan bli viklet inn i.
Slike ikke-standardiserte våpen forklares av det faktum at maneter, selv om de er grasiøse, ikke er spesielt kvikke skapninger. Nevrotoksinet som kommer inn i byttedyrets kropp, lammer det øyeblikkelig, noe som gir manetene mye tid til en lunsjpause.
Maneter etter en vellykket jakt.
I tillegg til deres uvanlige metode for jakt og forsvar, har maneter svært uvanlig reproduksjon. Hannene produserer sædceller, og hunnene produserer egg, etter sammensmeltningen av hvilke planulae (larver) dannes, som legger seg i bunnen. Etter en stund vokser en polypp fra larven, hvorfra unge maneter bokstavelig talt bryter av når de når modenhet (faktisk oppstår spirende). Dermed er det flere stadier av livssyklusen, hvorav en er manet- eller medusoidgenerasjonen.
Hårete cyanea, også kjent som løvemanke.
Hvis den hårete cyanea ble spurt om hvordan man kan øke effektiviteten av jakt, ville det svare - flere tentakler. Det er omtrent 60 av dem totalt (klynger med 15 tentakler i hvert hjørne av kuppelen). I tillegg regnes denne typen maneter som den største, fordi diameteren på kuppelen kan nå 2 meter, og tentaklene kan strekke seg opp til 20 meter under jakt. Heldigvis er ikke denne arten spesielt "giftig" og derfor ikke dødelig for mennesker.
Sjøvepsen ville på sin side legge til kvalitet til kvantitet. Denne typen maneter har også 15 tentakler (3 m lange) på hvert av de fire hjørnene av kuppelen, men giften deres er mange ganger sterkere enn dens store slektning. Det antas at sjøvepsen har nok nervegift til å drepe 60 mennesker på 3 minutter. Dette tordenværet på havet lever i kystsonen i det nordlige Australia og New Zealand. I følge data fra 1884 til 1996 døde 63 mennesker i Australia, men disse dataene kan være unøyaktige, og antallet dødelige møter mellom mennesker og sjøveps kan være mye høyere. Imidlertid, ifølge data for 1991-2004, blant 225 tilfeller ble bare 8 % av ofrene innlagt på sykehus, inkludert ett dødsfall (et tre år gammelt barn).
Havveps
La oss nå gå tilbake til studien vi ser på i dag.
Fra cellens synspunkt er den viktigste prosessen i hele livet til enhver organisme celleproliferasjon - prosessen med vekst av kroppsvev gjennom cellereproduksjon ved deling. Under veksten av kroppen regulerer denne prosessen økningen i kroppsstørrelse. Og når kroppen er ferdig formet, regulerer de prolifererende cellene den fysiologiske utvekslingen av celler og erstatningen av skadede med nye.
Cnidarians, som en søstergruppe av bilaterianere og tidlige metazoer, har blitt brukt til å studere evolusjonære prosesser i mange år. Derfor er cnidarians ikke noe unntak når det gjelder spredning. For eksempel under embryonal utvikling av sjøanemonen Nematostella vectensis celleproliferasjon er koordinert med epitelorganisering og er involvert i tentakelutvikling.
Nematostella vectensis
Blant annet er cnidarians, som vi allerede vet, kjent for sine regenerative evner. Hydrapolypper (en slekt av fastsittende ferskvanns-coelenterater fra hydroid-klassen) har blitt ansett som den mest populære blant forskere i hundrevis av år. Spredning, aktivert av døende celler, utløser prosessen med regenerering av basalhodet til hydra. Selve navnet på denne skapningen henspiller på en mytisk skapning kjent for sin regenerering - Lernaean Hydra, som Hercules var i stand til å beseire.
Selv om regenerative evner har vært knyttet til spredning, er det fortsatt uklart nøyaktig hvordan denne cellulære prosessen skjer under normale forhold på forskjellige stadier av organismens utvikling.
Maneter, som har en kompleks livssyklus som består av to stadier av reproduksjon (vegetativ og seksuell), fungerer som en utmerket modell for å studere spredning.
I dette arbeidet ble rollen som det viktigste studerte individet spilt av maneter av arten Cladonema pacificum. Denne arten lever utenfor kysten av Japan. I utgangspunktet har denne maneten 9 hovedtentakler, som begynner å forgrene seg og øke i størrelse (som hele kroppen) under utvikling til en voksen. Denne funksjonen lar oss studere i detalj alle mekanismene som er involvert i denne prosessen.
i tillegg til Cladonema pacificum Studien så også på andre typer maneter: Cytaeis uchidae и Rathkea octopunctata.
Forskningsresultater
For å forstå det romlige mønsteret av celleproliferasjon i Cladonema medusa, brukte forskerne 5-ethynyl-2'-deoxyuridine (EdU)-farging, som merker celler i S-fase* eller celler som allerede har passert den.
S-fase* - fasen av cellesyklusen der DNA-replikasjon skjer.
Vurderer Cladonema øker dramatisk i størrelse og viser tentakelforgrening under utvikling (1A-1C), kan fordelingen av prolifererende celler endres gjennom modningen.
Bilde nr. 1: trekk ved celleproliferasjon hos unge Cladonema.
På grunn av denne funksjonen var det mulig å studere mekanismen for celleproliferasjon hos både unge (dag 1) og kjønnsmodne (dag 45) maneter.
Hos unge maneter ble det funnet EdU-positive celler i stort antall i hele kroppen, inkludert skjermbildet, manubrium (støtteorganet i munnhulen hos maneter) og tentakler, uavhengig av tidspunktet for eksponering for EdU (1D-1K и 1N-1O, EdU: 20 uM (mikromolar) etter 24 timer).
Ganske mange EdU-positive celler ble funnet i manubrium (1F и 1G), men i paraplyen var fordelingen deres veldig jevn, spesielt i det ytre skallet av paraplyen (paraply, 1H-1K). I tentaklene var EdU-positive celler sterkt klynget (1N). Bruken av en mitotisk markør (PH3-antistoff) gjorde det mulig å verifisere at EdU-positive celler er prolifererende celler. PH3-positive celler ble funnet i både paraplyen og tentakelpæren (1L и 1P).
I tentaklene ble mitotiske celler hovedsakelig funnet i ektodermen (1P), mens de prolifererende cellene i paraplyen var lokalisert i overflatelaget (1M).
Bilde nr. 2: trekk ved celleproliferasjon i moden Cladonema.
Hos både unge og modne individer ble EdU-positive celler funnet i stort antall i hele kroppen. I skjermbildet ble EdU-positive celler oftere funnet i det overfladiske laget enn i det nedre laget, noe som ligner observasjoner hos unge (2A-2D).
Men i tentaklene var situasjonen noe annerledes. EdU-positive celler samlet seg ved bunnen av tentakelen (pæren), der to klynger ble funnet på hver side av pæren (2E и 2F). Hos unge individer ble lignende ansamlinger også observert (1N), dvs. tentakelpærene kan være hovedområdet for spredning gjennom medusoidstadiet. Det er merkelig at i manubriumet til voksne individer var antallet EdU-positive celler betydelig større enn hos unge (2G и 2H).
Mellomresultatet er at celleproliferasjon kan skje jevnt i paraplyen til en manet, men i tentaklene er denne prosessen svært lokalisert. Derfor kan det antas at jevn celleproliferasjon kan kontrollere kroppsvekst og vevshomeostase, men klynger av prolifererende celler nær tentakelpærene er involvert i tentakelmorfogenese.
Når det gjelder kroppsutvikling i seg selv, spiller spredning en viktig rolle i kroppsvekst.
Bilde #3: Betydningen av spredning i prosessen med kroppsvekst til en manet.
For å teste dette i praksis, overvåket forskere kroppsveksten til maneter, og startet med unge individer. Det er lettest å bestemme størrelsen på en manetes kropp etter kuppelen, siden den vokser jevnt og i direkte proporsjon med hele kroppen.
Ved normal fôring under laboratorieforhold øker kuppelstørrelsen kraftig med 54.8 % i løpet av de første 24 timene – fra 0.62 ± 0.02 mm2 til 0.96 ± 0.02 mm2. I løpet av de neste 5 dagene med observasjoner økte størrelsen sakte og jevnt til 0.98 ± 0.03 mm2 (3А-3S).
Maneter fra en annen gruppe, som ble fratatt mat, vokste ikke, men krympet (rød linje på grafen 3S). Cellulær analyse av sultende maneter viste tilstedeværelsen av et ekstremt lite antall EdU-celler: 1240.6 ± 214.3 hos maneter fra kontrollgruppen og 433.6 ± 133 hos sultende (3D-3H). Denne observasjonen kan være direkte bevis på at ernæring direkte påvirker spredningsprosessen.
For å teste denne hypotesen, utførte forskerne en farmakologisk analyse der de blokkerte cellesyklusprogresjon ved å bruke hydroksyurea (CH4N2O2), en cellesyklushemmer som forårsaker G1-stopp. Som et resultat av denne intervensjonen forsvant S-fasecellene som tidligere ble oppdaget ved bruk av EdU (3I-3L). Maneter som ble utsatt for CH4N2O2 viste således ikke kroppsvekst, i motsetning til kontrollgruppen (3M).
Den neste fasen av studien var en detaljert studie av manetenes forgrenede tentakler for å bekrefte antakelsen om at lokal spredning av celler i tentaklene bidrar til morfogenesen deres.
Bilde nr. 4: effekten av lokal spredning på vekst og forgrening av manetentakler.
Tentaklene til en ung manet har én gren, men over tid øker antallet. Under laboratorieforhold økte forgreningen 3 ganger på den niende observasjonsdagen (4А и 4S).
Igjen, når CH4N2O2 ble brukt, ble ingen forgrening av tentaklene observert, men bare én gren (4B и 4C). Det er merkelig at fjerning av CH4N2O2 fra kroppen til maneter gjenopprettet prosessen med forgrening av tentaklene, noe som indikerer reversibiliteten av medikamentintervensjonen. Disse observasjonene indikerer tydelig viktigheten av spredning for tentakelutvikling.
Cnidarians ville ikke være cnidarians uten nematocytter (cnidocytes, dvs. cnidarians). Hos manetarten Clytia hemisphaerica leverer stamceller i tentakelløkene nematocyster til tuppene av tentaklene nettopp på grunn av celleproliferasjon. Naturligvis bestemte forskere seg for å teste denne uttalelsen også.
For å oppdage enhver sammenheng mellom nematocyster og spredning ble det brukt et kjernefargestoff som kan markere poly-γ-glutamat syntetisert i nematocystveggen (DAPI, dvs. 4',6-diamidino-2-fenylindol).
Poly-γ-glutamatfarging tillot oss å estimere størrelsen på nematocytter, fra 2 til 110 μm2 (4D-4G). En rekke tomme nematocyster ble også identifisert, det vil si at slike nematocytter ble utarmet (4D-4G).
Spredningsaktivitet i manetentakler ble testet ved å studere hulrom i nematocytter etter cellesyklusblokkering med CH4N2O2. Andelen tomme nematocytter i maneter etter legemiddelintervensjon var høyere enn i kontrollgruppen: 11.4 % ± 2.0 % i maneter fra kontrollgruppen og 19.7 % ± 2.0 % i maneter med CH4N2O2 (4D-4G и 4H). Følgelig, selv etter utmattelse, fortsetter nematocytter å bli aktivt forsynt med proliferasjonsprogenitorceller, noe som bekrefter påvirkningen av denne prosessen ikke bare på utviklingen av tentakler, men også på nematogenesen i dem.
Det mest interessante stadiet var studiet av manetenes regenerative evner. Med tanke på den høye konsentrasjonen av proliferative celler i tentakelpæren til modne maneter Cladonema, bestemte forskere seg for å studere regenerering av tentakler.
Bilde nr. 5: effekten av spredning på tentakelregenerering.
Etter disseksjon av tentaklene ved basen ble det observert en regenereringsprosess (5A-5D). I løpet av de første 24 timene skjedde det tilheling i snittområdet (5B). På den andre observasjonsdagen begynte tuppen å bli lengre og grener dukket opp (5S). På den femte dagen var tentakelen fullstendig forgrenet (5D), derfor kan tentakelregenerering følge normal tentakelmorfogenese etter forlengelse.
For bedre å studere det innledende stadiet av regenerering, analyserte forskerne fordelingen av prolifererende celler ved å bruke PH3-farging for å visualisere mitotiske celler.
Mens delende celler ofte ble observert nær det amputerte området, ble mitotiske celler spredt i ukuttede kontrolltentakler (5E и 5F).
Kvantifisering av PH3-positive celler tilstede i tentakelpærene avslørte en signifikant økning i PH3-positive celler i tentakelpærene til amputerte sammenlignet med kontroller (5G). Som en konklusjon er de innledende regenerative prosessene ledsaget av en aktiv økning i celleproliferasjon i tentakelpærene.
Effekten av spredning på regenerering ble testet ved å blokkere celler med CH4N2O2 etter å ha kuttet av tentakelen. I kontrollgruppen forekom tentakelforlengelse etter amputasjon normalt, som forventet. Men i gruppen som CH4N2O2 ble påført på, skjedde ikke forlengelse, til tross for normal sårtilheling (5H). Med andre ord, helbredelse vil skje uansett, men spredning er nødvendig for riktig tentakel-regenerering.
Til slutt bestemte forskerne seg for å studere spredning hos andre arter av maneter, nemlig Cytaeis и Rathkea.
Bilde #6: Sammenligning av spredning i Cytaeis (venstre) og Rathkea (høyre) maneter.
У Cytaeis medusa EdU-positive celler ble observert i manubrium, tentakelpærer og den øvre delen av paraplyen (6А и 6V). Plassering av identifiserte PH3-positive celler i Cytaeis veldig lik Cladonema, men det er noen forskjeller (6C и 6D). Men kl Rathkea EdU-positive og PH3-positive celler ble funnet nesten utelukkende i regionen til manubrium og tentakelpærer (6E-6H).
Det er også interessant at prolifererende celler ofte ble oppdaget i nyrene til maneter Rathkea (6E-6G), som gjenspeiler den aseksuelle typen reproduksjon av denne arten.
Tatt i betraktning den innhentede informasjonen, kan det antas at celleproliferasjon skjer i tentakelløkene ikke bare hos én art av maneter, selv om det er forskjeller på grunn av forskjeller i fysiologi og morfologi.
For en mer detaljert forståelse av nyansene i studien anbefaler jeg å ta en titt på .
Epilog
En av mine favorittlitterære karakterer er Hercule Poirot. Den skarpsindige detektiven la alltid særlig vekt på små detaljer som andre mente var uviktige. Forskere er mye som detektiver, og samler alle bevisene de kan finne for å svare på alle spørsmålene i etterforskningen og finne ut "skyldige."
Uansett hvor åpenbart det kan høres ut, er regenerering av manetceller direkte relatert til spredning - en integrert prosess i utviklingen av celler, vev og, som en konsekvens, hele organismen. En mer grundig studie av denne omfattende prosessen vil tillate oss å bedre forstå de molekylære mekanismene som ligger til grunn for den, som i sin tur vil utvide ikke bare rekkevidden av kunnskapen vår, men også direkte påvirke livene våre.
Fredag off-top:
Mars av maneter av Aurelia-arten, forstyrret av et rovdyr med det uvanlige navnet "stekt eggmaneter", dvs. stekte egg maneter (Planet Earth, voice-over av David Attenborough).
Det er ikke en manet, men denne dyphavsskapningen (den pelikanlignende stormunnen) blir ikke ofte fotografert (reaksjonen til forskere er ganske enkelt rørende).
Takk for at du leser, vær nysgjerrig og ha en flott helg folkens! 🙂
Takk for at du bor hos oss. Liker du artiklene våre? Vil du se mer interessant innhold? Støtt oss ved å legge inn en bestilling eller anbefale til venner, 30 % rabatt for Habr-brukere på en unik analog av inngangsnivåservere, som ble oppfunnet av oss for deg: (tilgjengelig med RAID1 og RAID10, opptil 24 kjerner og opptil 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2 ganger billigere? Bare her i Nederland! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - fra $99! Lese om
Kilde: www.habr.com