Co mają wspólnego Wolverine, Deadpool i Jellyfish? Wszystkie mają niesamowitą cechę - regenerację. Oczywiście w komiksach i filmach ta zdolność, powszechna wśród niezwykle ograniczonej liczby prawdziwych żywych organizmów, jest nieco (a czasem znacznie) przesadzona, ale pozostaje bardzo realna. A to, co rzeczywiste, można wyjaśnić, co postanowili zrobić naukowcy z Uniwersytetu Tohoku (Japonia) w swoim nowym badaniu. Jakie procesy komórkowe w organizmie meduzy wiążą się z regeneracją, jak przebiega ten proces i jakie inne supermoce posiadają te galaretowate stworzenia? Powie nam o tym raport grupy badawczej. Iść.
Baza badawcza
Przede wszystkim naukowcy wyjaśniają, dlaczego postanowili skupić swoją uwagę na meduzach. Faktem jest, że większość badań z zakresu biologii prowadzona jest z udziałem tzw. organizmów modelowych: myszy, muszek owocowych, robaków, ryb itp. Ale nasza planeta jest domem dla milionów gatunków, z których każdy ma tę czy inną unikalną zdolność. W związku z tym nie da się w pełni ocenić procesu regeneracji komórkowej badając tylko jeden gatunek i założyć, że badany mechanizm będzie wspólny dla wszystkich stworzeń na Ziemi.
Jeśli chodzi o meduzy, stworzenia te już samym wyglądem mówią o swojej wyjątkowości, która nie może nie przyciągnąć uwagi naukowców. Dlatego też przed przystąpieniem do rozbiórki samego badania poznałem jego głównego bohatera.
Słowo „meduza”, które zwykliśmy nazywać stworzeniem jako takim, w rzeczywistości odnosi się jedynie do etapu cyklu życiowego podtypu parzydełkowca Meduzoa. Cnidarianie otrzymali tak niezwykłą nazwę ze względu na obecność w ich ciałach komórek parzących (knidocytów), które służą do polowań i samoobrony. Mówiąc najprościej, kiedy zostaniesz użądlony przez meduzę, możesz podziękować tym komórkom za ból i cierpienie.
Knidocyty zawierają cnidocysty, wewnątrzkomórkowe organelle odpowiedzialne za efekt „kłucia”. Ze względu na ich wygląd i, w związku z tym, sposób stosowania, wyróżnia się kilka rodzajów cnidocytów, wśród których są:
- penetranty - nici o zaostrzonych końcach, które przebijają ciało ofiary lub sprawcy niczym włócznie, wstrzykując neurotoksynę;
- glutynanty - lepkie i długie nici otaczające ofiarę (nie jest to najprzyjemniejszy uścisk);
- volventy to krótkie nitki, w które ofiara może łatwo się zaplątać.
Taką niestandardową broń tłumaczy się faktem, że meduzy, choć pełne wdzięku, nie są szczególnie zwinnymi stworzeniami. Neurotoksyna dostająca się do ciała ofiary natychmiast ją paraliżuje, co daje meduzie dużo czasu na przerwę na lunch.
Meduza po udanym polowaniu.
Oprócz niezwykłych metod polowania i obrony meduzy charakteryzują się bardzo nietypowym rozmnażaniem. Samce produkują plemniki, a samice jaja, po fuzji z których tworzą się planule (larwy), osiadające na dnie. Po pewnym czasie z larwy wyrasta polip, z którego po osiągnięciu dojrzałości młode meduzy dosłownie odrywają się (w rzeczywistości następuje pączkowanie). Zatem istnieje kilka etapów cyklu życiowego, z których jednym jest pokolenie meduz lub meduzoidów.
Cyjania owłosiona, zwana także grzywą lwa.
Gdyby zapytać cyjanę owłosioną, jak zwiększyć efektywność polowania, odpowiedziałaby – więcej macek. W sumie jest ich około 60 (skupiska po 15 macek w każdym rogu kopuły). Ponadto ten rodzaj meduz jest uważany za największy, ponieważ średnica kopuły może sięgać 2 metrów, a macki mogą rozciągać się do 20 metrów podczas polowania. Na szczęście gatunek ten nie jest szczególnie „toksyczny” i dlatego nie jest śmiertelny dla człowieka.
Z kolei osa morska dodałaby jakość do ilości. Ten rodzaj meduz ma również 15 macek (o długości 3 m) w każdym z czterech rogów kopuły, ale ich jad jest wielokrotnie silniejszy niż u jego dużego krewnego. Uważa się, że osa morska ma wystarczającą ilość neurotoksyn, aby zabić 60 osób w 3 minuty. Ta burza morska żyje w strefie przybrzeżnej północnej Australii i Nowej Zelandii. Według danych za lata 1884-1996 w Australii zginęły 63 osoby, jednak dane te mogą być niedokładne, a liczba śmiertelnych spotkań człowieka z osami morskimi może być znacznie większa. Jednak według danych za lata 1991-2004, spośród 225 przypadków, jedynie 8% ofiar było hospitalizowanych, w tym jeden zgon (trzyletnie dziecko).
osa morska
Wróćmy teraz do badania, któremu dzisiaj przyglądamy się.
Z punktu widzenia komórek najważniejszym procesem w całym życiu każdego organizmu jest proliferacja komórek - proces wzrostu tkanek organizmu poprzez rozmnażanie komórek przez podział. W okresie wzrostu organizmu proces ten reguluje przyrost masy ciała. A kiedy ciało jest w pełni uformowane, proliferujące komórki regulują fizjologiczną wymianę komórek i zastępowanie uszkodzonych nowymi.
Parzydełkowców, jako siostrzana grupa zwierząt dwubocznych i wczesnych metazoanów, od wielu lat wykorzystuje się do badania procesów ewolucyjnych. Dlatego parzydełko nie jest wyjątkiem pod względem proliferacji. Na przykład podczas rozwoju embrionalnego ukwiała Nematostella vectensis proliferacja komórek jest skoordynowana z organizacją nabłonka i bierze udział w rozwoju macek.
Nematostella vectensis
Parzydełko, jak już wiemy, znane jest między innymi ze swoich zdolności regeneracyjnych. Hydra polipy (rodzaj słodkowodnych koelenteratów z klasy hydroidów) od setek lat uważane są przez badaczy za najpopularniejsze. Proliferacja, aktywowana przez umierające komórki, uruchamia proces regeneracji podstawnej głowy hydry. Już sama nazwa tego stworzenia nawiązuje do mitycznego stworzenia znanego ze swojej regeneracji – Hydry Lernejskiej, którą Herkules był w stanie pokonać.
Chociaż zdolności regeneracyjne powiązano z proliferacją, nie jest jasne, jak dokładnie ten proces komórkowy zachodzi w normalnych warunkach na różnych etapach rozwoju organizmu.
Meduzy, których cykl życiowy składa się z dwóch etapów rozmnażania (wegetatywnego i płciowego), stanowią doskonały model do badania proliferacji.
W tej pracy rolę głównego badanego osobnika odegrała meduza z gatunku Cladonema pacificum. Gatunek ten żyje u wybrzeży Japonii. Początkowo meduza ta ma 9 głównych macek, które w trakcie rozwoju do postaci dorosłej zaczynają się rozgałęziać i powiększać (podobnie jak całe ciało). Ta funkcja pozwala nam szczegółowo przestudiować wszystkie mechanizmy zaangażowane w ten proces.
Dodatkowo Cladonema pacificum W badaniu przyjrzano się także innym rodzajom meduz: Cytaeis uchidae и Rathkea ośmiopunktowa.
Wyniki badania
Aby zrozumieć przestrzenny wzór proliferacji komórek Cladonema medusa, naukowcy zastosowali barwienie 5-etynylo-2'-deoksyurydyną (EdU), które znakuje komórki w Faza S* lub komórki, które już go przeszły.
Faza S* - faza cyklu komórkowego, w której zachodzi replikacja DNA.
Biorąc pod uwagę, że Cladonema rośnie dramatycznie i w trakcie rozwoju wykazuje rozgałęzienia macek (1A-1C), rozmieszczenie proliferujących komórek może zmieniać się w trakcie dojrzewania.
Zdjęcie nr 1: Cechy proliferacji komórek u młodego Cladonema.
Dzięki tej cesze możliwe było zbadanie mechanizmu proliferacji komórek zarówno u młodych (dzień 1), jak i dojrzałych płciowo (dzień 45) meduz.
U młodych meduz stwierdzono dużą liczbę komórek EdU-dodatnich w całym ciele, w tym w baldaszku, rękojeści (narząd podporowy jamy ustnej meduz) i mackach, niezależnie od czasu ekspozycji na EdU (1D-1K и 1N-1O, EdU: 20 µM (mikromolarny) po 24 godzinach).
W rękojeści znaleziono sporo komórek EdU-dodatnich (1F и 1G), ale w parasolu ich rozkład był bardzo równomierny, zwłaszcza w zewnętrznej powłoce parasola (exumbrela, 1H-1K). W mackach komórki EdU-dodatnie były silnie skupione (1N). Zastosowanie markera mitotycznego (przeciwciała PH3) umożliwiło sprawdzenie, czy komórki EdU-dodatnie są komórkami proliferującymi. Komórki PH3-dodatnie znaleziono zarówno w opuszce parasolki, jak i macki (1L и 1P).
W mackach komórki mitotyczne znaleziono głównie w ektodermie (1P), podczas gdy w parasolu komórki proliferujące znajdowały się w warstwie powierzchniowej (1M).
Obraz nr 2: Cechy proliferacji komórek u dojrzałego Cladonema.
Zarówno u osób młodych, jak i dojrzałych komórki EdU-dodatnie znaleziono w dużych ilościach w całym organizmie. W baldaszku komórki EdU-dodatnie częściej stwierdzano w warstwie powierzchniowej niż w warstwie dolnej, co jest podobne do obserwacji u młodych osobników (2A-2D).
Ale w mackach sytuacja była nieco inna. Komórki EdU-dodatnie zgromadziły się u podstawy macki (cebulki), gdzie znaleziono dwa skupiska po obu stronach cebulki (2E и 2F). U osób młodych obserwowano także podobne kumulacje (1N), tj. cebulki macek mogą być głównym obszarem proliferacji w fazie meduzoidalnej. Co ciekawe, w rękojeści osobników dorosłych liczba komórek EdU-dodatnich była istotnie większa niż u młodych osobników (2G и 2H).
Pośrednim rezultatem jest to, że proliferacja komórek może zachodzić równomiernie w parasolu meduzy, ale w mackach proces ten jest bardzo zlokalizowany. Dlatego można założyć, że jednolita proliferacja komórek może kontrolować wzrost ciała i homeostazę tkanek, ale skupiska proliferujących komórek w pobliżu cebul macek biorą udział w morfogenezie macek.
Jeśli chodzi o sam rozwój ciała, proliferacja odgrywa ważną rolę we wzroście ciała.
Obraz #3: Znaczenie proliferacji w procesie wzrostu ciała meduzy.
Aby sprawdzić to w praktyce, naukowcy monitorowali rozwój meduz, zaczynając od młodych osobników. Wielkość ciała meduzy najłatwiej jest określić po jej kopule, ponieważ rośnie ona równomiernie i wprost proporcjonalnie do całego ciała.
Przy normalnym karmieniu w warunkach laboratoryjnych wielkość kopuły gwałtownie wzrasta o 54.8% w ciągu pierwszych 24 godzin - z 0.62 ± 0.02 mm2 do 0.96 ± 0.02 mm2. W ciągu kolejnych 5 dni obserwacji wielkość rosła powoli i płynnie do 0.98 ± 0.03 mm2 (3А-3S).
Meduzy z innej grupy, którym pozbawiono pożywienia, nie urosły, a wręcz skurczyły się (czerwona linia na wykresie 3S). Analiza komórkowa wygłodniałych meduz wykazała obecność niezwykle małej liczby komórek EdU: 1240.6 ± 214.3 u meduz z grupy kontrolnej i 433.6 ± 133 u wygłodzonych (3D-3H). Obserwacja ta może stanowić bezpośredni dowód na to, że odżywianie bezpośrednio wpływa na proces proliferacji.
Aby przetestować tę hipotezę, naukowcy przeprowadzili test farmakologiczny, w którym zablokowali progresję cyklu komórkowego przy użyciu hydroksymocznika (CH4N2O2), inhibitora cyklu komórkowego powodującego zatrzymanie G1. W wyniku tej interwencji zniknęły komórki fazy S wykryte wcześniej za pomocą EdU (3I-3L). Zatem meduzy wystawione na działanie CH4N2O2 nie wykazywały wzrostu ciała, w przeciwieństwie do grupy kontrolnej (3M).
Kolejnym etapem badań było szczegółowe badanie rozgałęziających się macek meduz w celu potwierdzenia założenia, że lokalna proliferacja komórek w mackach przyczynia się do ich morfogenezy.
Zdjęcie nr 4: Wpływ lokalnej proliferacji na wzrost i rozgałęzianie się macek meduz.
Macki młodej meduzy mają jedną gałąź, ale z czasem ich liczba wzrasta. W warunkach laboratoryjnych rozgałęzienie wzrosło 3-krotnie w dziewiątym dniu obserwacji (4А и 4S).
Ponownie, gdy użyto CH4N2O2, nie zaobserwowano rozgałęzienia macek, a jedynie jedno odgałęzienie (4B и 4C). Ciekawe, że usunięcie CH4N2O2 z ciała meduz przywróciło proces rozgałęziania macek, co wskazuje na odwracalność interwencji lekowej. Obserwacje te wyraźnie wskazują na znaczenie proliferacji dla rozwoju macek.
Cnidarianie nie byliby parzystkami bez nematocytów (knidocytów, tj. Cnidarian). U meduz z gatunku Clytia hemisphaerica komórki macierzyste cebulek macek dostarczają nicienie do końcówek macek właśnie w wyniku proliferacji komórek. Naturalnie naukowcy postanowili przetestować również i to stwierdzenie.
W celu wykrycia jakiegokolwiek związku między nematocystami a proliferacją zastosowano barwnik do barwienia jądrowego, który może oznaczać poli-γ-glutaminian syntetyzowany w ścianie nicieni (DAPI, tj. 4′,6-diamidyno-2-fenyloindol).
Barwienie poli-γ-glutaminianem pozwoliło oszacować wielkość nematocytów w zakresie od 2 do 110 µm2 (4D-4G). Zidentyfikowano również pewną liczbę pustych nematocyst, to znaczy takie nematocyty zostały wyczerpane (4D-4G).
Aktywność proliferacyjną macek meduz badano poprzez badanie pustych przestrzeni w nematocytach po zablokowaniu cyklu komórkowego CH4N2O2. Odsetek pustych nematocytów u meduz po interwencji lekowej 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 и 4H). W rezultacie nawet po wyczerpaniu nematocyty są nadal aktywnie zaopatrywane w komórki progenitorowe proliferacji, co potwierdza wpływ tego procesu nie tylko na rozwój macek, ale także na ich nicienie.
Najciekawszym etapem było badanie zdolności regeneracyjnych meduz. Biorąc pod uwagę wysokie stężenie komórek proliferacyjnych w cebulce dojrzałej meduzy Cladonemanaukowcy postanowili zbadać regenerację macek.
Zdjęcie nr 5: wpływ proliferacji na regenerację macek.
Po rozcięciu macek u nasady zaobserwowano proces regeneracji (5A-5D). W ciągu pierwszych 24 godzin w obszarze nacięcia nastąpiło gojenie (5B). Drugiego dnia obserwacji czubek zaczął się wydłużać i pojawiały się gałęzie (5S). Piątego dnia macka była całkowicie rozgałęziona (5D), dlatego regeneracja macek może następować po normalnej morfogenezie macek po wydłużeniu.
Aby lepiej zbadać początkowy etap regeneracji, naukowcy przeanalizowali rozmieszczenie proliferujących komórek za pomocą barwienia PH3 w celu wizualizacji komórek mitotycznych.
Podczas gdy w pobliżu amputowanego obszaru często obserwowano dzielące się komórki, komórki mitotyczne były rozproszone w nieciętych kontrolnych cebulkach (5E и 5F).
Kwantyfikacja komórek PH3-dodatnich obecnych w opuszkach macek ujawniła znaczny wzrost liczby komórek PH3-dodatnich w opuszkach macek u osób po amputacji w porównaniu z grupą kontrolną (5G). Podsumowując, początkowym procesom regeneracyjnym towarzyszy aktywny wzrost proliferacji komórek w cebulkach macek.
Wpływ proliferacji na regenerację badano poprzez blokowanie komórek CH4N2O2 po odcięciu macki. W grupie kontrolnej wydłużenie macek po amputacji przebiegało normalnie, zgodnie z oczekiwaniami. Natomiast w grupie, na którą aplikowano CH4N2O2, mimo prawidłowego gojenia się ran nie wystąpiło wydłużenie (5H). Innymi słowy, gojenie nastąpi w każdym przypadku, ale proliferacja jest konieczna do prawidłowej regeneracji macek.
Wreszcie naukowcy postanowili zbadać proliferację u innych gatunków meduz, a mianowicie Cytaeis и Rathkea.
Zdjęcie #6: Porównanie proliferacji meduz Cytaeis (po lewej) i Rathkea (po prawej).
У Cytaeis Komórki meduzy EdU-dodatnie zaobserwowano w rękojeści, cebulach macek i górnej części parasola (6А и 6V). Lokalizacja zidentyfikowanych komórek PH3-dodatnich w Cytaeis bardzo podobny do Cladonemajednak są pewne różnice (6C и 6D). Ale w Rathkea Komórki EdU-dodatnie i PH3-dodatnie znaleziono prawie wyłącznie w rejonie cebul rękojeści i macek (6E-6H).
Interesujące jest również to, że w nerkach meduz często wykrywano proliferujące komórki Rathkea (6E-6G), co odzwierciedla bezpłciowy typ rozmnażania tego gatunku.
Biorąc pod uwagę uzyskane informacje, można założyć, że proliferacja komórek w cebulach macek zachodzi nie tylko u jednego gatunku meduz, chociaż istnieją różnice wynikające z różnic w fizjologii i morfologii.
Aby uzyskać bardziej szczegółową znajomość niuansów badania, polecam przyjrzeć się .
Epilog
Jedną z moich ulubionych postaci literackich jest Herkules Poirot. Bystry detektyw zawsze zwracał szczególną uwagę na drobne szczegóły, które inni uważali za nieistotne. Naukowcy są bardzo podobni do detektywów: zbierają wszelkie możliwe dowody, aby odpowiedzieć na wszystkie pytania śledztwa i ustalić „winowajcę”.
Choć może to wydawać się oczywiste, regeneracja komórek meduzy jest bezpośrednio związana z proliferacją - integralnym procesem w rozwoju komórek, tkanek, a w konsekwencji całego organizmu. Dokładniejsze zbadanie tego wszechstronnego procesu pozwoli nam lepiej zrozumieć leżące u jego podstaw mechanizmy molekularne, co z kolei poszerzy nie tylko zakres naszej wiedzy, ale także bezpośrednio wpłynie na nasze życie.
Piątek poza szczytem:
Marsz meduz z gatunku Aurelia, niepokojony przez drapieżnika o niezwykłej nazwie „meduza z jajkiem sadzonym”, tj. meduza z jajkiem sadzonym (Planeta Ziemia, głos Davida Attenborough).
Nie jest to meduza, ale to głębinowe stworzenie (wielkogębowiec podobny do pelikana) nie jest często fotografowane (reakcja badaczy jest po prostu wzruszająca).
Dziękuję za przeczytanie, bądźcie ciekawi i miłego weekendu, chłopaki! 🙂
Dziękujemy za pobyt z nami. Podobają Ci się nasze artykuły? Chcesz zobaczyć więcej ciekawych treści? Wesprzyj nas składając zamówienie lub polecając znajomym, 30% zniżki dla użytkowników Habr na unikalny odpowiednik serwerów klasy podstawowej, który został przez nas wymyślony dla Ciebie: (dostępne z RAID1 i RAID10, do 24 rdzeni i do 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2 razy tańszy? Tylko tutaj w Holandii! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2 GHz 6C 128 GB DDR3 2x960 GB SSD 1 Gb/s 100 TB — od 99 USD! Czytać o
Źródło: www.habr.com