O que Wolverine, Deadpool e uma água-viva têm em comum? Todos eles possuem uma característica surpreendente — regeneração. Claro que, em quadrinhos e filmes, essa habilidade, comum entre um número extremamente limitado de organismos vivos reais, é ligeiramente (e às vezes fortemente) exagerada, no entanto, ela permanece totalmente real. E o que é real pode ser explicado, o que foi exatamente o que os cientistas da Universidade de Tóquio (Japão) decidiram investigar em seu novo estudo. Quais processos celulares no corpo da água-viva estão relacionados à regeneração, como esse processo ocorre e que outras supercapacidades esses seres gelatinosos possuem? A apresentação do grupo de pesquisa nos contará sobre isso. Vamos lá.
Base da pesquisa
Em primeiro lugar, os cientistas explicam por que decidiram concentrar sua atenção nas águas-vivas. O fato é que a maioria das pesquisas na área da biologia é realizada com a participação de chamados organismos modelo: camundongos, drosófilas, vermes, peixes, etc. Mas existem milhões de espécies em nosso planeta, cada uma com suas habilidades únicas. Portanto, não é possível avaliar plenamente o processo de regeneração celular estudando apenas uma espécie e supor que o mecanismo estudado será comum a todos os seres na Terra.
No que diz respeito às águas-vivas, esses seres, apenas pela sua aparência externa, falam de sua singularidade, o que não pode deixar de atrair a atenção dos cientistas. Portanto, antes de iniciar a dissecção do próprio estudo, fui apresentado ao seu protagonista principal.
A palavra "água-viva", com a qual estamos acostumados a nos referir a esse ser, na verdade, denomina apenas uma fase do ciclo de vida dos organismos do subfilo Medusozoa. Os cnidários receberam esse nome incomum devido à presença de células urticantes (cnidócitos) em seus corpos, que são usadas para caçar e se defender. Em termos simples, quando uma água-viva te pica, você pode agradecer por sua dor e sofrimento especificamente a essas células.
Os cnidócitos contêm cnidocistos — organelas intracelulares responsáveis pelo efeito de "picada". Quanto à sua aparência e, consequentemente, à forma de utilização, diferenciam-se vários tipos de cnidócitos, entre os quais podemos destacar:
- Penetrantes são fios com extremidades afiadas que se enterram no corpo da vítima ou do agressor, como lanças, injetando neurotoxicidade.
- Glutinantes são fios pegajosos e longos que envolvem a vítima (não é um abraço muito agradável).
- Volventes são fios curtos nos quais a vítima pode facilmente ficar presa.
Esse armamento incomum se deve ao fato de que as medusas, embora graciosas, não são criaturas muito ágeis. O neurotoxina que entra no corpo da presa a paralisa instantaneamente, dando à medusa muito tempo para seu intervalo para o almoço.
Medusa após uma caça bem-sucedida.
Além do método de caça e defesa incomum, as medusas têm uma reprodução bastante peculiar. Machos produzem espermatozoides e fêmeas produzem óvulos, após a fusão dos quais se formam planulas (larvas) que se assentam no fundo. Com o tempo, da larva cresce um pólipo, do qual, ao atingir a maturidade, literalmente se destacam jovens medusas (na verdade, ocorre brotamento). Assim, existem várias fases do ciclo de vida, uma das quais é a medusa ou a geração medusoide.
Cianéia peluda, também conhecida como 'cabeleira de leão'.
Se a cianéia peluda fosse perguntada como aumentar a eficiência da caça, ela responderia — mais tentáculos. Totalizam cerca de 60 (conjuntos de 15 tentáculos em cada canto da cúpula). Além disso, esta espécie de medusa é considerada a maior, pois o diâmetro da cúpula pode atingir 2 metros, e os tentáculos durante a caça podem se estender até 20 metros. Felizmente, essa espécie não é particularmente 'venenosa', portanto, não é mortal para os seres humanos.
A água-viva de mar, por sua vez, acrescentaria à quantidade também a qualidade. Esta espécie de medusa também possui 15 tentáculos (3 m de comprimento) em cada um dos quatro cantos do seu capuz, mas seu veneno é muitas vezes mais forte do que o da parente de grandes dimensões. Considera-se que a neurotoxina no corpo da água-viva de mar é suficiente para matar 60 pessoas em 3 minutos. Este terror dos mares habita a zona costeira do norte da Austrália e da Nova Zelândia. De acordo com dados de 1884 a 1996, 63 pessoas morreram na Austrália, mas esses dados podem estar imprecisos, e o número de encontros fatais entre humanos e água-vivas de mar pode ser muito maior. No entanto, segundo dados de 1991-2004, entre 225 casos, apenas 8% das vítimas foram hospitalizadas, sendo uma delas um óbito (uma criança de três anos).
Água-viva de mar
Agora, vamos voltar à pesquisa que estamos discutindo hoje.
Sob a perspectiva celular, o processo mais importante de toda a vida de qualquer organismo é a proliferação celular — o processo de crescimento dos tecidos do organismo através da multiplicação celular. Durante o crescimento do organismo, esse processo regula o aumento do tamanho do corpo. E quando o organismo está completamente formado, as células proliferativas regulam a troca fisiológica de células e a substituição das danificadas por novas.
Os cnidários, sendo um grupo relacionado das ramificações bilaterais e iniciais do desenvolvimento de organismos multicelulares, têm sido usados para estudar processos evolutivos há muitos anos. Portanto, os cnidários não são uma exceção no aspecto da proliferação. Por exemplo, durante o desenvolvimento embrionário da anêmona do mar Nematostella vectensis a proliferação celular é coordenada com a organização do epitélio e participa do desenvolvimento dos tentáculos.
Nematostella vectensis
Além do mais, os cnidários, como já sabemos, são conhecidos por suas habilidades regenerativas. Os pólipos de hidra (um gênero de cnidários de água doce do classe dos hidroides) são os mais populares entre os pesquisadores há centenas de anos. A proliferação, ativada por células morrendo, inicia o processo de regeneração da cabeça basal da hidra. O próprio nome dessa criatura sugere uma criação mítica, conhecida por sua regeneração — a Hidra de Lerna, que foi derrotada por Hércules.
Embora as capacidades regenerativas tenham sido ligadas à proliferação, ainda não está claro como exatamente esse processo celular ocorre em condições normais em diferentes estágios de desenvolvimento do organismo.
As águas-vivas, que possuem um ciclo de vida complexo, composto por duas fases de reprodução (vegetativa e sexual), são um excelente modelo para estudar a proliferação.
Neste trabalho, a principal espécie estudada foi a água-viva da espécie Cladonema pacificum, que habita as costas do Japão. Inicialmente, esta água-viva possui 9 tentáculos principais, que começam a ramificar e aumentar de tamanho (assim como todo o corpo) durante o desenvolvimento até a fase adulta. Essa característica permite estudar detalhadamente todos os mecanismos que participam desse processo.
Além de Cladonema pacificum no estudo também foram consideradas outras espécies de águas-vivas: Cytaeis uchidae e Rathkea octopunctata.
Resultados da Pesquisa
Para entender a regularidade espacial da proliferação celular na água-viva Cladonema, os cientistas aplicaram a coloração com 5-eti-2’-desoxicitidina (EdU), que marca as células na fase S* ou células que já passaram por ela.
fase S* — fase do ciclo celular em que ocorre a replicação do DNA.
Considerando que Cladonema cresce drasticamente em tamanho e demonstra ramificação dos tentáculos durante o desenvolvimento (1A—1C), a distribuição das células proliferativas pode mudar ao longo de toda a maturação.
Imagem nº 1: características da proliferação celular em jovens Cladonema.
Graças a essa característica, foi possível estudar o mecanismo da proliferação celular tanto em jovens (dia 1) quanto em adultas (dia 45) águas-vivas.
Nas águas-vivas jovens, as células positivas para EdU foram encontradas em grande número em todo o corpo, incluindo o guarda-chuva, manúbrio (orgão de suporte da boca das águas-vivas) e tentáculos, independentemente do tempo de exposição ao EdU (1D–1K e 1N–1O, EdU: 20 µM (micromolar) após 24 horas).
No manúbrio, foram encontradas poucas células positivas para EdU (1F e 1G), enquanto no guarda-chuva, sua distribuição foi muito uniforme, especialmente na camada externa do guarda-chuva (exumbrella, 1H—1K). Nos tentáculos, as células positivas para EdU estavam fortemente agrupadas (1N). A aplicação do marcador mitótico (anticorpos PH3) permitiu confirmar que as células positivas para EdU são, de fato, células proliferantes. Células positivas para PH3 foram encontradas tanto na umbrela quanto na base dos tentáculos (1L e 1P).
Nas tentáculos, as células mitóticas foram principalmente encontradas no ectoderma (1P), enquanto na umbrela as células proliferantes estavam localizadas na camada superficial (1M).
Imagem nº 2: características da proliferação celular em Cladonema maduros.
Assim como nas jovens, as células positivas para EdU foram encontradas em grande número por todo o corpo. Na umbrela, as células positivas para EdU estavam mais frequentemente na camada superficial do que na inferior, semelhante às observações realizadas em indivíduos jovens (2A—2D).
Mas nos tentáculos a situação era um pouco diferente. Células positivas para EdU se acumulavam na base do tentáculo (bulbo), onde foram descobertos dois grupos de cada lado do bulbo (2E e 2F). Em indivíduos jovens, aglomerados semelhantes também foram observados (1N), ou seja, os bulbos dos tentáculos podem ser a principal área de proliferação ao longo de toda a fase medusoide. Curiosamente, no manúbrio dos adultos, o número de células positivas para EdU era significativamente maior do que nos jovens (2G e 2H).
O resumo intermediário é que a proliferação celular pode ocorrer de forma uniforme na umbrela da medusa, enquanto nos tentáculos esse processo é muito localizado. Portanto, pode-se supor que a proliferação celular uniforme pode controlar o crescimento do corpo e a homeostase dos tecidos, enquanto aglomerados de células proliferantes próximas aos bulbos dos tentáculos participam da morfogênese dos tentáculos.
No aspecto do desenvolvimento do corpo como um todo, a proliferação desempenha um papel importante no crescimento do corpo.
Imagem nº 3: a importância da proliferação no processo de crescimento do corpo da medusa.
Para verificar isso na prática, os cientistas acompanharam o crescimento do corpo das medusas, começando pelos indivíduos jovens. Determinar o tamanho do corpo da medusa é mais fácil pela sua cúpula, uma vez que ela cresce de forma uniforme e diretamente proporcional a todo o corpo.
Com alimentação normal em condições laboratoriais, o tamanho da cúpula aumenta drasticamente em 54,8% durante as primeiras 24 horas — de 0,62 ± 0,02 mm² para 0,96 ± 0,02 mm². Nos 5 dias subsequentes de observação, o tamanho aumentou lentamente e suavemente até 0,98 ± 0,03 mm² (3A—3C).
As medusas from another group that were deprived of food did not grow but shrank (red line on the graph 3C). Cellular analysis of starving medusas showed a very low number of EdU cells: 1240.6 ± 214.3 in the control group and 433.6 ± 133 in the starving group (3D—3H). This observation may be direct evidence that nutrition directly affects the proliferation process.
To test this hypothesis, the scientists conducted a pharmacological analysis, during which they blocked the progression of the cell cycle using hydroxyurea (CH4N2O2) — a cell cycle inhibitor that causes G1 arrest. As a result of this intervention, S-phase cells previously detected using EdU disappeared (3I—3L). Thus, the medusas treated with CH4N2O2 did not show growth, unlike the control group (3M).
The next stage of the study was to closely examine the branching tentacles of the medusas to confirm the assumption that local proliferation of cells in the tentacles contributes to their morphogenesis.
Image No. 4: the effect of local proliferation on the growth and branching of medusa tentacles.
The tentacles of a young medusa have one branch, but over time their number increases. In laboratory conditions, branching tripled by the ninth day of observation (4A e 4C).
Again, with the use of CH4N2O2, no branching of the tentacles was observed, and there was only one branch (4B e 4C). Interestingly, the removal of CH4N2O2 from the medusas restored the process of tentacle branching, indicating the reversibility of the pharmacological intervention. These observations clearly indicate the importance of proliferation for tentacle development.
Cnidarians would not be cnidarians without nematocysts (cnidocyte, i.e., stinging cells). In the jellyfish species Clytia hemisphaerica, stem cells in the bulbous tentacles provide nematocysts to the tips of the tentacles precisely through cell proliferation. Naturally, the scientists decided to verify this claim as well.
To detect any connection between nematocysts and proliferation, a nuclear staining dye was applied that can mark poly-γ-glutamate synthesized in the wall of the nematocyst (DAPI, i.e., 4’,6-diamidino-2-phenylindole).
A coloração de poli-γ-glutamato permitiu avaliar o tamanho dos nematocistos, variando de 2 a 110 μm² (4D—4G). Também foi identificada uma quantidade de nematocistos vazios, ou seja, esses nematocistos estavam esgotados (4D—4G).
A atividade de proliferação nos tentáculos das águas-vivas foi verificada através do estudo de vazios nos nematocistos após o bloqueio do ciclo celular devido ao CH4N2O2. A proporção de nematocistos vazios nas águas-vivas após a intervenção medicamentosa foi maior do que no grupo controle: 11,4% ± 2,0% nas águas-vivas do grupo controle e 19,7% ± 2,0% nas águas-vivas com CH4N2O2 (4D—4G e 4H). Portanto, mesmo após o esgotamento, os nematocistos continuam a ser ativamente supridos com células precursoras da proliferação, o que confirma a influência desse processo não apenas no desenvolvimento dos tentáculos, mas também na nematogênese neles.
O aspecto mais interessante foi a fase de pesquisa sobre as capacidades regenerativas das águas-vivas. Considerando a alta concentração de células proliferativas na bulbosa do tentáculo em águas-vivas maduras Cladonema, os cientistas decidiram estudar a regeneração especificamente dos tentáculos.
Imagem nº 5: influência da proliferação na regeneração dos tentáculos.
Após a dissecção dos tentáculos na base, observou-se o processo de regeneração (5A–5D). Durante as primeiras 24 horas, a cicatrização ocorreu na área do corte (5B). No segundo dia de observação, a ponta começou a se alongar e surgiram ramificações (5C). No quinto dia, o tentáculo estava completamente ramificado (5D), portanto, a regeneração do tentáculo pode seguir o morfogênese normal do tentáculo após o alongamento.
Para estudar melhor a fase inicial da regeneração, os cientistas analisaram a distribuição de células proliferativas utilizando coloração PH3 para visualização de células mitóticas.
Enquanto células em divisão foram frequentemente observadas próximas à área amputada, células mitóticas estavam dispersas nas bulbosas não cortadas com tentáculos (5E e 5F).
A avaliação quantitativa de células positivas para PH3 presentes nas bulbosas dos tentáculos permitiu detectar um aumento significativo das células positivas para PH3 nas bulbosas dos tentáculos em indivíduos com membros amputados em comparação com o grupo controle (5G). Em conclusão, os processos regenerativos iniciais são acompanhados por um aumento ativo da proliferação celular nas bulbosas dos tentáculos.
A influência da proliferação na regeneração foi verificada pela inibição de células com CH4N2O2 após a amputação de um tentáculo. No grupo de controle, o alongamento do tentáculo após a amputação ocorreu normalmente, como esperado. Já no grupo que recebeu CH4N2O2, o alongamento não ocorreu, apesar da cicatrização normal da ferida (5H). Em outras palavras, a cicatrização ocorrerá de qualquer forma, mas a proliferação é necessária para a correta regeneração do tentáculo.
Por fim, os cientistas decidiram estudar a proliferação em outras espécies de águas-vivas, especificamente em Cytaeis e Rathkea.
Imagem nº 6: comparação da proliferação em águas-vivas da espécie Cytaeis (à esquerda) e Rathkea (à direita).
Na Cytaeis As células positivas para EdU foram observadas no manúbrio, nos bulbos dos tentáculos e na parte superior da sombrinha (6A e 6B). A localização das células positivas para PH3 em Cytaeis é muito semelhante a Cladonema, no entanto, existem algumas diferenças (6C e 6D). Já em Rathkea as células positivas para EdU e PH3 foram encontradas quase exclusivamente na região do manúbrio e dos bulbos dos tentáculos (6E—6H).
É interessante também notar que as células proliferativas foram frequentemente identificadas nos rins da água-viva Rathkea (6E—6G), o que reflete o tipo assexuado de reprodução desta espécie.
Considerando as informações obtidas, pode-se supor que a proliferação celular ocorre nos bulbos dos tentáculos não apenas em uma única espécie de águas-vivas, embora existam diferenças devido à variação na fisiologia e morfologia.
Para um conhecimento mais detalhado sobre as nuances da pesquisa, recomendo dar uma olhada em .
Epílogo
Um dos meus personagens literários favoritos é Hercule Poirot. O perspicaz detetive sempre prestou atenção especial a pequenos detalhes que pareciam irrelevantes para outros. Os cientistas se assemelham muito a detetives, que reúnem todas as provas possíveis para responder a todas as perguntas da investigação e identificar o "culpado".
Por mais óbvio que pareça, a regeneração das células das águas-vivas está diretamente relacionada à proliferação — um processo essencial no desenvolvimento de células, tecidos e, consequentemente, de todo o organismo. Um estudo mais minucioso desse processo abrangente permitirá uma melhor compreensão dos mecanismos moleculares subjacentes, o que por sua vez não só expandirá nosso conhecimento, mas também impactará diretamente nossas vidas.
Off-topic de sexta-feira:
A migração das águas-vivas da espécie Aurelia, perturbada por um predador com um nome curioso: "medusa-ovo frito" (Planet Earth, narração - David Attenborough).
Não é uma água-viva, mas esta criatura de profundidade (um peixe-lua de grandes bocas) raramente é capturada em filmagens (a reação dos pesquisadores é simplesmente adorável).
Obrigado pela atenção, continuem curiosos e tenham um excelente fim de semana, pessoal! 🙂
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Fonte: habr.com
