Co wspólnego mają Wolverine, Deadpool i meduza? Wszyscy oni mają niezwykłą cechę — regenerację. Oczywiście w komiksach i filmach ta zdolność, rzadka wśród ograniczonej liczby żywych organizmów, jest nieco (a czasem nawet mocno) przesadzona, jednak pozostaje w pełni realna. A co jest realne, można wyjaśnić, co postanowili zrobić naukowcy z Uniwersytetu Tohoku w swoim nowym badaniu. Jakie procesy komórkowe w ciele meduzy są związane z regeneracją, jak przebiega ten proces i jakie inne supermoce posiadają te galaretowate stworzenia? O tym opowie nam raport grupy badawczej. Zaczynamy.
Podstawa badania
Przede wszystkim naukowcy wyjaśniają, dlaczego postanowili skupić się na meduzach. Chodzi o to, że większość badań w dziedzinie biologii prowadzi się z udziałem tak zwanych organizmów modelowych: myszy, muszek owocowych, robaków, ryb itd. Ale na naszej planecie żyją miliony gatunków, z których każdy ma swoje unikalne zdolności. Zatem nie można w pełni ocenić procesu regeneracji komórkowej, badając tylko jeden gatunek i zakładając, że wyuczony mechanizm będzie wspólny dla wszystkich istot na Ziemi.
Jeśli chodzi o meduzy, to te stworzenia już samym swoim wyglądem mówią o swojej wyjątkowości, co nie może nie przyciągać uwagi naukowców. Dlatego zanim przystąpiono do badania, zapoznałem się z jego głównym bohaterem.
Słowo "meduza", którym przyzwyczailiśmy się określać tę istotę, w rzeczywistości odnosi się tylko do etapu cyklu życia strzykwy z podtypu Medusozoa. Strzykwy otrzymały tak niezwykłą nazwę z powodu obecności w swoim organizmie komórek parzydełkowych (knidocytów), które stosowane są do polowania i obrony. Mówiąc prościej, kiedy użądli cię meduza, możesz podziękować tym komórkom za ból i cierpienie.
Knidocyty zawierają knidocystę — wewnątrzkomórkowy organell, odpowiedzialny za "żądłowy" efekt. W zależności od wyglądu oraz metody użycia wyróżnia się kilka typów knidocytów, wśród których można wymienić:
- Penetranty to nitki z ostrymi końcami, które wbijają się w ciało ofiary lub prześladowcy niczym włócznie, wstrzykując neurotoksynę.
- Glutynanty to lepkie i długie nitki, które owocują ofiarę (nie są to zbyt przyjemne uściski).
- Wolwenty to krótkie nitki, w które ofiara może się łatwo zaplątać.
Taki nietypowy sposób uzbrojenia tłumaczy się tym, że meduzy, chociaż eleganckie, nie są szczególnie szybkie. Neurotoksyna, która dostaje się do ciała zdobyczy, natychmiast ją paraliżuje, co daje meduzie mnóstwo czasu na przerwę na posiłek.
Meduza po udanym polowaniu.
Oprócz nietypowej metody polowania i obrony, meduzy mają także niezwykły sposób rozmnażania. Samce produkują plemniki, a samice - komórki jajowe, po połączeniu których powstają planule (larwy) osiadające na dnie. Po pewnym czasie z larwy wyrasta polip, od którego po osiągnięciu dojrzałości dosłownie odrywają się młode meduzy (w rzeczywistości następuje pączkowanie). W ten sposób istnieje kilka stadiów cyklu życiowego, z których jednym jest meduza lub pokolenie meduzoidów.
Włosista cyanea, znana także jako 'grzywa lwa'.
Gdyby włosista cyanea została zapytana, jak zwiększyć efektywność polowania, odpowiedziałaby - więcej macki. Jest ich około 60 (klastry z 15 mackami w każdym rogu kopuły). Ponadto, ten gatunek meduz uważa się za największy, ponieważ średnica ich kopuły może osiągać 2 metry, a macki podczas polowania mogą wydłużać się do 20 metrów. Na szczęście, ten gatunek nie różni się szczególną 'toksycznością', więc nie jest śmiertelny dla człowieka.
Meduza morska, z kolei, dodałaby do liczby także jakość. Ten rodzaj meduz ma również 15 macki (o długości 3 m) na każdym z czterech rogów kopuły, ale ich jad jest wielokrotnie silniejszy niż u większej kuzynki. Uważa się, że neurotoksyna w organizmie meduzy morskiej jest wystarczająca, aby zabić 60 osób w ciągu 3 minut. Ta zgroza mórz zamieszkuje przybrzeżne wody północnej Australii i Nowej Zelandii. Z danych z lat 1884 do 1996 w Australii zginęło 63 osoby, ale te dane mogą być niedokładne, a liczba śmiertelnych spotkań ludzi i meduz morskich może być znacznie wyższa. Jednak z danych z lat 1991-2004 tylko 8% z 225 przypadków wymagających hospitalizacji zakończyło się śmiercią (trzyletnie dziecko).
Meduza morska
A teraz wróćmy do badania, które omawiamy dzisiaj.
Z perspektywy komórkowej najważniejszym procesem całego życia każdego organizmu jest proliferacja komórek – proces wzrostu tkanek organizmu poprzez rozmnażanie się komórek w wyniku podziału. Podczas wzrostu organizmu ten proces reguluje zwiększenie rozmiarów ciała. A kiedy organizm jest w pełni uformowany, proliferujące komórki regulują fizjologiczny metabolizm komórek i zastępują uszkodzone nowe.
Hydroidy, będąc pokrewną grupą dwubocznych i wczesnych gałęzi rozwoju wielokomórkowych organizmów, były od wielu lat wykorzystywane do badania procesów ewolucyjnych. Dlatego hydroidy nie są wyjątkiem w aspekcie proliferacji. Na przykład, podczas embriologicznego rozwoju ukwiału morskiego Nematostella vectensis proliferacja komórek jest skoordynowana z organizacją nabłonka i bierze udział w rozwoju macek.
Nematostella vectensis
Ponadto, jak już wiemy, hydroidy są znane ze swoich zdolności regeneracyjnych. Najbardziej popularne wśród badaczy od setek lat są polipy hydry (rodzaj słodkowodnych osiadłych meduz z klasy hydroidów). Proliferacja, aktywowana przez umierające komórki, uruchamia proces regeneracji podstawy głowy hydry. Sama nazwa tego stworzenia nawiązuje do mitycznego stworzenia znanego ze swojej regeneracji – Hydry lernejskiej, nad którą zwycięstwo odniósł Herkules.
Chociaż zdolności regeneracyjne udało się powiązać z proliferacją, wciąż niejasne jest, w jaki sposób ten proces komórkowy przebiega w normalnych warunkach na różnych etapach rozwoju organizmu.
Meduzy, które mają złożony cykl życiowy składający się z dwóch etapów rozmnażania (wegetatywnego i płciowego), stanowią doskonały model do badania proliferacji.
W niniejszej pracy główną badana osobą była meduza gatunku Cladonema pacificum. Gatunek ten występuje u wybrzeży Japonii. Początkowo ta meduza ma 9 głównych czułków, które zaczynają się rozgałęziać i powiększać (tak jak całe ciało) w trakcie rozwoju do osobnika dorosłego. Cechę tę wykorzystano do szczegółowego zbadania wszystkich mechanizmów, które biorą udział w tym procesie.
Oprócz Cladonema pacificum w badaniach uwzględniono także inne gatunki meduz: Cytaeis uchidae i Rathkea octopunctata.
Wyniki badania
Aby zrozumieć przestrzenną regularność proliferacji komórek w meduzie Cladonema, naukowcy zastosowali barwienie 5-etylo-2’-deoksyurydyną (EdU), które oznacza komórki w fazie S* lub komórki, które już ją przeszły.
Faza S* — faza cyklu komórkowego, w której odbywa się replikacja DNA.
Biorąc pod uwagę, że Cladonema gwałtownie zwiększa swój rozmiar i demonstruje rozgałęzianie czułków w trakcie rozwoju (1A—1C), rozkład komórek proliferujących może zmieniać się w trakcie całego dojrzewania.
Obraz nr 1: cechy proliferacji komórkowej u młodych Cladonema.
Dzięki tej cesze udało się zbadać mechanizm proliferacji komórek zarówno u młodych (dzień 1), jak i dorosłych (dzień 45) meduz.
U młodych meduz komórki pozytywne na EdU były znajdowane w dużej liczbie w całym ciele, w tym w parasolu, manubrium (organu podporowego jamy ustnej u meduz) oraz czułkach, niezależnie od czasu ekspozycji na EdU (1D–1K i 1N–1O, EdU: 20 μM (mikromolar) po 24 godzinach).
W manubrium znajdowało się bardzo mało komórek pozytywnych na EdU (1F i 1G), natomiast w parasolu ich rozkład był bardzo równomierny, szczególnie w zewnętrznej warstwie parasola (exumbrella, 1H—1K). W czułkach komórki pozytywne na EdU były silnie sklastrowane (1N). Zastosowanie markera mitotycznego (przeciwciała PH3) umożliwiło potwierdzenie, że komórki dodatnie na EdU to rzeczywiście komórki proliferacyjne. Komórki dodatnie na PH3 zostały zaobserwowane zarówno w parasolu, jak i w bulwie czułka (1L i 1P).
W czułkach komórki mitotyczne były głównie zlokalizowane w ektodermie (1P), podczas gdy w parasolu komórki proliferacyjne znajdowały się w warstwie powierzchniowej (1M).
Obraz nr 2: cechy proliferacji komórkowej u dorosłych Cladonema.
Podobnie jak u młodych osobników, komórki dodatnie na EdU były liczne w całym ciele. W parasolu komórki dodatnie na EdU częściej występowały w warstwie powierzchniowej niż w dolnej, co jest zgodne z obserwacjami u młodych osobników (2A—2D).
Natomiast w czułkach sytuacja była nieco inna. Komórki dodatnie na EdU gromadziły się u podstawy czułka (bulwia), gdzie zaobserwowano dwa klastry po obu stronach bulwy (2E i 2F). U młodych osobników podobne skupiska również były obserwowane (1N), tzn. bulwy czułków mogą być głównym obszarem proliferacji przez cały okres meduzoidalny. Ciekawostką jest, że w manubrium dorosłych osobników liczba komórek dodatnich na EdU była znacznie wyższa niż u młodych (2G i 2H).
Podsumowując, proliferacja komórek może zachodzić równomiernie w parasolu meduzy, natomiast w czułkach proces ten jest bardzo lokalizowany. W związku z tym można przypuszczać, że równomierna proliferacja komórek może kontrolować wzrost ciała i homeostazę tkanek, podczas gdy skupiska komórek proliferacyjnych w pobliżu bulw czułków biorą udział w morfogenezie czułków.
W aspekcie rozwoju ciała proliferacja odgrywa istotną rolę w wzroście ciała.
Obraz nr 3: znaczenie proliferacji w procesie wzrostu ciała meduzy.
Aby zweryfikować to w praktyce, naukowcy śledzili wzrost ciała meduz, zaczynając od młodych osobników. Najłatwiej określić rozmiary ciała meduzy po jej kopule, ponieważ rośnie ona równomiernie i wprost proporcjonalnie do całego ciała.
Przy normalnym żywieniu w warunkach laboratoryjnych rozmiar kopuły gwałtownie zwiększa się o 54,8% w ciągu pierwszych 24 godzin — z 0,62 ± 0,02 mm2 do 0,96 ± 0,02 mm2. W ciągu następnych 5 dni obserwacji rozmiar zwiększał się powoli i płynnie aż do 0,98 ± 0,03 mm2 (3A—3C).
Meduzy z innej grupy, które były pozbawione pokarmu, nie rosły, a malały (czerwona linia na wykresie 3C). Analiza komórkowa głodujących meduz wykazała obecność skrajnie małej liczby komórek EdU: 1240,6 ± 214,3 u meduz z grupy kontrolnej i 433,6 ± 133 u głodujących (3D—3H). To obserwacja może być bezpośrednim dowodem na to, że dieta ma bezpośredni wpływ na proces proliferacji.
Aby zweryfikować tę hipotezę, naukowcy przeprowadzili analizę farmakologiczną, podczas której zablokowali postęp cyklu komórkowego przy użyciu hydroksykarbamidu (CH4N2O2) — inhibitora cyklu komórkowego, który powoduje zatrzymanie G1. W wyniku tego wkroczenia komórki S, wykryte wcześniej za pomocą EdU, zniknęły (3I—3L). Tak więc meduzy, które były narażone na działanie CH4N2O2, nie wykazały wzrostu ciała, w przeciwieństwie do grupy kontrolnej (3M).
Kolejnym etapem badania było szczegółowe zbadanie rozgałęzionych macki meduz, aby potwierdzić przypuszczenie, że lokalna proliferacja komórek w mackach przyczynia się do ich morfogenezy.
Obraz nr 4: wpływ lokalnej proliferacji na wzrost i rozgałęzianie macki meduz.
Macki młodej meduzy mają jedną gałąź, ale z czasem ich liczba się zwiększa. W warunkach laboratoryjnych rozgałęzienie zwiększyło się trzykrotnie w dziewiątym dniu obserwacji (4A i 4C).
Ponownie, przy użyciu CH4N2O2 rozgałęzienie macki nie było obserwowane, a była tylko jedna gałąź (4B i 4C). Interesujące, że usunięcie CH4N2O2 z organizmu meduz przywracało proces rozgałęzania macki, co świadczy o odwracalności interwencji farmakologicznej. Te obserwacje wyraźnie wskazują na znaczenie proliferacji dla rozwoju macki.
Żywioły nie byłyby żywiołami bez nematocystów (kniodocit, tzn. komórek żądłów). U meduzy rodzaju Clytia hemisphaerica komórki macierzyste w cebulkach macki dostarczają nematocysty na końcówki macki właśnie dzięki proliferacji komórek. Naturalnie, naukowcy postanowili również sprawdzić to stwierdzenie.
Aby odkryć jakiekolwiek powiązanie między nematocystami a proliferacją, zastosowano barwnik do barwienia jądra, który może zaznaczać poli-γ-glutaminian syntetyzowany w ścianie nematocysty (DAPI, tzn. 4’,6-diamidyno-2-fenyloindol).
Barwienie poli-γ-glutaminianu pozwoliło ocenić rozmiar nematocytów, który wahał się od 2 do 110 μm2 (4D—4G). Zidentyfikowano również pewną liczbę pustych nematocystów, co oznacza, że te nematocyty zostały wyczerpane (4D—4G).
Aktywność proliferacji w mackach meduz była sprawdzana poprzez analizę pustek w nematocytach po zablokowaniu cyklu komórkowego za pomocą CH4N2O2. Odsetek pustych nematocystów u meduz po interwencji medycznej był wyższy niż w grupie kontrolnej: 11,4% ± 2,0% u meduz z grupy kontrolnej i 19,7% ± 2,0% u meduz z CH4N2O2 (4D—4G i 4H). W związku z tym, nawet po wyczerpaniu, nematocyty nadal aktywnie zaopatrują się w komórki prekursorowe poprzez proliferację, co potwierdza wpływ tego procesu nie tylko na rozwój macek, ale również na nematogenezy w nich.
Najciekawszym etapem badań były zdolności regeneracyjne meduz. Biorąc pod uwagę wysoką koncentrację komórek proliferacyjnych w cebulce macki u dojrzałych meduz Cladonema, naukowcy postanowili zbadać regenerację właśnie macek.
Rysunek nr 5: wpływ proliferacji na regenerację macek.
Po przeprowadzeniu dyssekcji macek u podstawy zaobserwowano proces regeneracji (5A–5D). W ciągu pierwszych 24 godzin gojenie miało miejsce w obszarze cięcia (5B). Drugiego dnia obserwacji czubek zaczął się wydłużać i pojawiły się rozgałęzienia (5C). Piątego dnia macka była całkowicie rozgałęziona (5D), co oznacza, że regeneracja macki może przebiegać zgodnie z normalnym morfogenezą macki po wydłużeniu.
Aby lepiej zbadać wczesny etap regeneracji, naukowcy przeanalizowali rozmieszczenie komórek proliferujących z wykorzystaniem barwienia PH3 do wizualizacji komórek mitotycznych.
Podczas gdy komórki dzielące się często obserwowano w pobliżu amputowanej strefy, komórki mitotyczne były rozproszone w nieoperowanych kontrolnych cebulkach z mackami (5E i 5F).
Ilościowa ocena komórek dodatnich PH3, obecnych w cebulkach macki, wykazała znaczący wzrost komórek dodatnich PH3 w cebulkach macki u osobników z amputowanymi kończynami w porównaniu z grupą kontrolną (5G). Wnioskiem jest to, że początkowe procesy regeneracyjne są związane z aktywnym wzrostem proliferacji komórek w cebulkach macki.
Blokada komórek za pomocą CH4N2O2 pozwoliła zbadać wpływ proliferacji na regenerację po odcięciu ramienia. W grupie kontrolnej wydłużenie ramienia po amputacji następowało normalnie, jak się spodziewano. Natomiast u grupy, na której zastosowano CH4N2O2, wydłużenie nie następowało, mimo że rana goiła się normalnie (5H). Innymi słowy, gojenie będzie zachodzić w każdym przypadku, ale do prawidłowej regeneracji ramienia konieczna jest proliferacja.
Na koniec naukowcy postanowili zbadać proliferację u innych gatunków meduz, a mianowicie u Cytaeis i Rathkea.
Obrazek nr 6: porównanie proliferacji u meduz gatunku Cytaeis (po lewej) i Rathkea (po prawej).
U Cytaeis meduz EdU-dodatnie komórki obserwowano w manubrium, cebulkach ramion oraz w górnej części parasola (6A i 6B). Lokalizacja ujawnionych komórek PH3-dodatnich u Cytaeis jest bardzo podobna do Cladonema, lecz istnieją pewne różnice (6C i 6D). Natomiast u Rathkea komórki EdU-dodatnie i PH3-dodatnie wykryto praktycznie wyłącznie w obszarze manubrium oraz cebulek ramion (6E—6H).
Interesujące jest również to, że proliferujące komórki często ujawniały się w nerwach meduzy Rathkea (6E—6G), co odzwierciedla bezpłciowy typ rozmnażania tego gatunku.
Biorąc pod uwagę uzyskane informacje, można przypuszczać, że proliferacja komórek zachodzi w cebulkach ramion nie tylko u jednego gatunku meduz, mimo że istnieją różnice wynikające z odmienności w fizjologii i morfologii.
Aby dokładniej zapoznać się z niuansami badania, polecam zajrzeć do .
Epilog
Jedną z moich ulubionych postaci literackich jest Hercule Poirot. Przenikliwy detektyw zawsze zwracał szczególną uwagę na drobne szczegóły, które innym wydawały się nieistotne. Naukowcy w dużej mierze przypominają detektywów, którzy zbierają wszystkie dowody, jakie tylko można znaleźć, aby odpowiedzieć na wszystkie pytania dochodzenia i zidentyfikować "winnego".
Jakby to nie brzmiało, regeneracja komórek meduz jest bezpośrednio związana z proliferacją — procesem nieodłącznym w rozwoju komórek, tkanek i, w konsekwencji, całego organizmu. Dokładniejsze zbadanie tego wszechobecnego procesu pozwoli lepiej zrozumieć molekularne mechanizmy, które go napędzają, co z kolei pozwoli nie tylko poszerzyć naszą wiedzę, ale także bezpośrednio wpłynąć na nasze życie.
Piątkowy offtop:
Marsz meduz gatunku aurelia, zakłócony przez drapieżnika o nietypowej nazwie „fried egg jellyfish”, tzn. meduza-jajko (Planet Earth, głos zza kadru — David Attenborough).
Nie odnosi się do meduz, ale to głębinowy organizm (pelikanowaty wielkopyski) rzadko udaje się uchwycić na zdjęciu (reakcja badaczy jest po prostu urocza).
Dziękuję za uwagę, bądźcie ciekawi i życzę wszystkim udanego weekendu, chłopaki! 🙂
Dziękujemy, że jesteś z nami. Podobają Ci się nasze artykuły? Chcesz zobaczyć więcej interesujących materiałów? Wspieraj nas składając zamówienie lub polecając nas znajomym, 30% zniżki dla użytkowników Habr na unikalny odpowiednik serwerów entry-level, który został stworzony przez nas dla Ciebie: (dostępne opcje z RAID1 i RAID10, do 24 rdzeni i do 40GB DDR4).
Dell R730xd dwa razy tańszy? Tylko u nas w Holandii! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — od 99 dolarów! Czytaj o tym
Źródło: habr.com
