O que Wolverine, Deadpool e Medusa têm em comum? Todos eles têm uma característica incrível - a regeneração. É claro que, nos quadrinhos e nos filmes, essa habilidade, comum entre um número extremamente limitado de organismos vivos reais, é um pouco (e às vezes muito) exagerada, mas permanece muito real. E o que é real pode ser explicado, que foi o que cientistas da Universidade de Tohoku (Japão) decidiram fazer em seu novo estudo. Quais processos celulares no corpo de uma água-viva estão associados à regeneração, como esse processo ocorre e que outros superpoderes essas criaturas gelatinosas possuem? O relatório do grupo de pesquisa nos dirá sobre isso. Ir.
Base do estudo
Em primeiro lugar, os cientistas explicam porque decidiram concentrar a sua atenção nas águas-vivas. O fato é que a maior parte das pesquisas na área de biologia é realizada com a participação dos chamados organismos modelo: ratos, moscas-das-frutas, vermes, peixes, etc. Mas nosso planeta abriga milhões de espécies, cada uma com uma ou outra habilidade única. Consequentemente, é impossível avaliar completamente o processo de regeneração celular estudando apenas uma espécie, e assumir que o mecanismo estudado será comum a todas as criaturas da Terra.
Quanto às águas-vivas, essas criaturas, pela sua própria aparência, falam de sua singularidade, que não pode deixar de atrair a atenção dos cientistas. Portanto, antes de iniciar a dissecação da pesquisa propriamente dita, conheci seu personagem principal.
A palavra “água-viva”, que costumamos chamar a criatura como tal, na verdade se refere apenas ao estágio do ciclo de vida do subtipo cnidário medusozoa. Os cnidários receberam um nome tão incomum devido à presença de células urticantes (cnidócitos) em seus corpos, que são utilizadas para caça e autodefesa. Simplificando, quando você é picado por uma água-viva, você pode agradecer a essas células pela dor e pelo sofrimento.
Os cnidócitos contêm cnidocistos, uma organela intracelular responsável pelo efeito de “picada”. De acordo com sua aparência e, consequentemente, método de aplicação, distinguem-se vários tipos de cnidócitos, entre os quais:
- penetrantes - fios com pontas pontiagudas que perfuram o corpo da vítima ou agressor como lanças, injetando uma neurotoxina;
- glutinantes - fios pegajosos e longos que envolvem a vítima (não é o abraço mais agradável);
- Os volventes são fios curtos nos quais a vítima pode facilmente se enredar.
Essas armas fora do padrão são explicadas pelo fato de que as águas-vivas, embora graciosas, não são criaturas particularmente ágeis. A neurotoxina que entra no corpo da presa a paralisa instantaneamente, o que dá à água-viva muito tempo para uma pausa para o almoço.
Água-viva após uma caçada bem-sucedida.
Além de seu método incomum de caça e defesa, as águas-vivas apresentam uma reprodução bastante incomum. Os machos produzem espermatozoides e as fêmeas produzem óvulos, após a fusão dos quais se formam as plânulas (larvas), que se instalam no fundo. Depois de um tempo, um pólipo cresce a partir da larva, da qual, ao atingir a maturidade, as águas-vivas jovens literalmente se separam (na verdade, ocorre a brotação). Assim, existem várias fases do ciclo de vida, uma delas é a geração das águas-vivas ou medusóides.
Cianeia peluda, também conhecida como juba de leão.
Se perguntassem ao cianeto peludo como aumentar a eficiência da caça, ele responderia - mais tentáculos. Existem cerca de 60 deles no total (aglomerados de 15 tentáculos em cada canto da cúpula). Além disso, esse tipo de água-viva é considerada a maior, pois o diâmetro da cúpula pode chegar a 2 metros, e os tentáculos podem esticar até 20 metros durante a caça. Felizmente, esta espécie não é particularmente “tóxica” e, portanto, não é fatal para os humanos.
A vespa do mar, por sua vez, agregaria qualidade à quantidade. Esse tipo de água-viva também possui 15 tentáculos (3 m de comprimento) em cada um dos quatro cantos da cúpula, mas seu veneno é muitas vezes mais forte que o de seu parente grande. Acredita-se que a vespa do mar tenha neurotoxina suficiente para matar 60 pessoas em 3 minutos. Esta tempestade dos mares vive na zona costeira do norte da Austrália e da Nova Zelândia. De acordo com dados de 1884 a 1996, 63 pessoas morreram na Austrália, mas estes dados podem ser imprecisos e o número de encontros fatais entre humanos e vespas marinhas pode ser muito maior. Contudo, de acordo com dados de 1991-2004, entre 225 casos, apenas 8% das vítimas foram hospitalizadas, incluindo uma morte (uma criança de três anos).
Vespa do mar
Agora vamos voltar ao estudo que estamos examinando hoje.
Do ponto de vista das células, o processo mais importante em toda a vida de qualquer organismo é a proliferação celular - o processo de crescimento dos tecidos do corpo através da reprodução celular por divisão. Durante o crescimento do corpo, esse processo regula o aumento do tamanho corporal. E quando o corpo está totalmente formado, as células em proliferação regulam a troca fisiológica de células e a substituição das danificadas por novas.
Os cnidários, como grupo irmão dos bilaterais e dos primeiros metazoários, têm sido usados para estudar processos evolutivos há muitos anos. Portanto, os cnidários não são exceção em termos de proliferação. Por exemplo, durante o desenvolvimento embrionário da anêmona-do-mar Nematostella vectensis a proliferação celular é coordenada com a organização epitelial e está envolvida no desenvolvimento dos tentáculos.
Nematostella vectensis
Entre outras coisas, os cnidários, como já sabemos, são conhecidos pelas suas capacidades regenerativas. Os pólipos Hydra (um gênero de celenterados sésseis de água doce da classe hidroide) são considerados os mais populares entre os pesquisadores há centenas de anos. A proliferação, ativada pela morte das células, desencadeia o processo de regeneração da cabeça basal da hidra. O próprio nome desta criatura alude a uma criatura mítica conhecida por sua regeneração - a Hidra de Lerna, que Hércules conseguiu derrotar.
Embora as capacidades regenerativas tenham sido associadas à proliferação, ainda não está claro exatamente como este processo celular ocorre em condições normais em diferentes estágios do desenvolvimento do organismo.
As medusas, que possuem um ciclo de vida complexo composto por duas fases de reprodução (vegetativa e sexual), servem como um excelente modelo para o estudo da proliferação.
Neste trabalho, o papel de principal indivíduo estudado foi desempenhado pela água-viva da espécie Cladonema pacificum. Esta espécie vive na costa do Japão. Inicialmente, esta água-viva possui 9 tentáculos principais, que começam a se ramificar e aumentam de tamanho (como todo o corpo) durante o desenvolvimento até a idade adulta. Esta característica permite-nos estudar detalhadamente todos os mecanismos que estão envolvidos neste processo.
Em adição ao Cladonema pacífico O estudo também analisou outros tipos de água-viva: Cytaeis uchidae и Rathkea octopunctata.
Resultados do estudo
Para compreender o padrão espacial da proliferação celular em Cladonema medusa, os cientistas usaram a coloração com 5-etinil-2'-desoxiuridina (EdU), que marca as células em Fase S* ou células que já passaram por ele.
Fase S* - a fase do ciclo celular em que ocorre a replicação do DNA.
Dado que Cladonema aumenta dramaticamente em tamanho e exibe ramificações de tentáculos durante o desenvolvimento (1A-1C), a distribuição das células em proliferação pode mudar ao longo da maturação.
Imagem nº 1: características da proliferação celular em Cladonema jovem.
Devido a esta característica, foi possível estudar o mecanismo de proliferação celular tanto em águas-vivas jovens (dia 1) quanto sexualmente maduras (dia 45).
Em águas-vivas juvenis, células positivas para EdU foram encontradas em grande número por todo o corpo, incluindo a umbela, manúbrio (o órgão de suporte da cavidade oral nas águas-vivas) e tentáculos, independentemente do tempo de exposição à EdU.1D-1K и 1N-1O, EdU: 20 µM (micromolar) após 24 horas).
Muitas células positivas para EdU foram encontradas no manúbrio (1F и 1G), mas no guarda-chuva sua distribuição era muito uniforme, principalmente na parte externa do guarda-chuva (ex-guarda-chuva, 1H-1K). Nos tentáculos, as células positivas para EdU estavam altamente agrupadas (1N). A utilização de um marcador mitótico (anticorpo PH3) permitiu verificar que as células positivas para EdU são células em proliferação. Células positivas para PH3 foram encontradas tanto no guarda-chuva quanto no bulbo do tentáculo (1L и 1P).
Nos tentáculos, as células mitóticas foram encontradas principalmente no ectoderma (1P), enquanto no guarda-chuva as células em proliferação estavam localizadas na camada superficial (1M).
Imagem nº 2: características da proliferação celular em Cladonema maduro.
Tanto em indivíduos jovens como em indivíduos maduros, células positivas para EdU foram encontradas em grande número por todo o corpo. Na umbela, células positivas para EdU foram encontradas com mais frequência na camada superficial do que na camada inferior, o que é semelhante às observações em juvenis.2A-2D).
Mas nos tentáculos a situação era um pouco diferente. Células positivas para EdU acumularam-se na base do tentáculo (bulbo), onde dois aglomerados foram encontrados em cada lado do bulbo (2E и 2F). Em indivíduos jovens também foram observados acúmulos semelhantes (1N), ou seja os bulbos dos tentáculos podem ser a principal área de proliferação ao longo do estágio medusóide. É curioso que no manúbrio de indivíduos adultos o número de células positivas para EdU tenha sido significativamente maior do que em juvenis (2G и 2H).
O resultado intermediário é que a proliferação celular pode ocorrer uniformemente no guarda-chuva de uma água-viva, mas nos tentáculos esse processo é muito localizado. Portanto, pode-se supor que a proliferação celular uniforme pode controlar o crescimento corporal e a homeostase dos tecidos, mas aglomerados de células em proliferação perto dos bulbos dos tentáculos estão envolvidos na morfogênese dos tentáculos.
Em termos do próprio desenvolvimento corporal, a proliferação desempenha um papel importante no crescimento corporal.
Imagem #3: A importância da proliferação no processo de crescimento corporal de uma água-viva.
Para testar isso na prática, os cientistas monitoraram o crescimento corporal das águas-vivas, começando pelos indivíduos jovens. É mais fácil determinar o tamanho do corpo de uma água-viva pela sua cúpula, pois ela cresce uniformemente e em proporção direta com todo o corpo.
Com alimentação normal em condições de laboratório, o tamanho da cúpula aumenta acentuadamente em 54.8% durante as primeiras 24 horas - de 0.62 ± 0.02 mm2 para 0.96 ± 0.02 mm2. Durante os próximos 5 dias de observações, o tamanho aumentou lenta e suavemente para 0.98 ± 0.03 mm2 (3А-3S).
As medusas de outro grupo, privadas de alimento, não cresceram, mas encolheram (linha vermelha no gráfico 3S). A análise celular de águas-vivas famintas mostrou a presença de um número extremamente pequeno de células EdU: 1240.6 ± 214.3 nas águas-vivas do grupo controle e 433.6 ± 133 nas águas famintas (3D-3H). Esta observação pode ser uma evidência direta de que a nutrição influencia diretamente o processo de proliferação.
Para testar esta hipótese, os cientistas realizaram um ensaio farmacológico no qual bloquearam a progressão do ciclo celular utilizando hidroxiureia (CH4N2O2), um inibidor do ciclo celular que causa a paragem do G1. Como resultado desta intervenção, as células da fase S previamente detectadas usando EdU desapareceram (3I-3L). Assim, as águas-vivas expostas ao CH4N2O2 não apresentaram crescimento corporal, diferentemente do grupo controle (3M).
A próxima etapa do estudo foi um estudo detalhado dos tentáculos ramificados das águas-vivas, a fim de confirmar a suposição de que a proliferação local de células nos tentáculos contribui para sua morfogênese.
Imagem nº 4: o efeito da proliferação local no crescimento e ramificação dos tentáculos das águas-vivas.
Os tentáculos de uma água-viva jovem têm um ramo, mas com o tempo seu número aumenta. Em condições de laboratório, a ramificação aumentou 3 vezes no nono dia de observação (4А и 4S).
Novamente, quando CH4N2O2 foi utilizado, nenhuma ramificação dos tentáculos foi observada, mas apenas uma ramificação (4B и 4C). É curioso que a retirada do CH4N2O2 do corpo da água-viva restaurou o processo de ramificação dos tentáculos, o que indica a reversibilidade da intervenção medicamentosa. Estas observações indicam claramente a importância da proliferação para o desenvolvimento dos tentáculos.
Os cnidários não seriam cnidários sem nematócitos (cnidócitos, ou seja, cnidários). Na espécie de água-viva Clytia hemisphaerica, as células-tronco nos bulbos dos tentáculos fornecem nematocistos às pontas dos tentáculos precisamente devido à proliferação celular. Naturalmente, os cientistas também decidiram testar esta afirmação.
Para detectar qualquer ligação entre nematocistos e proliferação, foi utilizado um corante nuclear que pode marcar o poli-γ-glutamato sintetizado na parede do nematocisto (DAPI, isto é, 4', 6-diamidino-2-fenilindole).
A coloração com poli-γ-glutamato permitiu estimar o tamanho dos nematócitos, variando de 2 a 110 μm2 (4D-4G). Também foram identificados vários nematocistos vazios, ou seja, tais nematócitos estavam esgotados (4D-4G).
A atividade de proliferação em tentáculos de água-viva foi testada estudando vazios em nematócitos após bloqueio do ciclo celular com CH4N2O2. A proporção de nematócitos 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 и 4H). Consequentemente, mesmo após a exaustão, os nematócitos continuam a ser ativamente supridos de células progenitoras de proliferação, o que confirma a influência desse processo não apenas no desenvolvimento dos tentáculos, mas também na nematogênese dos mesmos.
A etapa mais interessante foi o estudo das habilidades regenerativas das águas-vivas. Considerando a alta concentração de células proliferativas no bulbo tentáculo de águas-vivas maduras Cladonema, os cientistas decidiram estudar a regeneração dos tentáculos.
Imagem nº 5: o efeito da proliferação na regeneração dos tentáculos.
Após dissecção dos tentáculos na base, foi observado um processo de regeneração (5A-5D). Durante as primeiras 24 horas, ocorreu cicatrização na área da incisão (5B). No segundo dia de observação, a ponta começou a alongar-se e surgiram ramos (5S). No quinto dia, o tentáculo estava completamente ramificado (5D), portanto, a regeneração dos tentáculos pode seguir a morfogênese normal dos tentáculos após o alongamento.
Para estudar melhor o estágio inicial da regeneração, os cientistas analisaram a distribuição das células em proliferação usando coloração PH3 para visualizar as células mitóticas.
Embora as células em divisão fossem frequentemente observadas perto da área amputada, as células mitóticas estavam dispersas em bulbos com tentáculos de controle não cortados (5E и 5F).
A quantificação de células positivas para PH3 presentes nos bulbos dos tentáculos revelou um aumento significativo de células positivas para PH3 nos bulbos dos tentáculos de amputados em comparação com os controles (5G). Concluindo, os processos regenerativos iniciais são acompanhados por um aumento ativo na proliferação celular nos bulbos dos tentáculos.
O efeito da proliferação na regeneração foi testado bloqueando as células com CH4N2O2 após cortar o tentáculo. No grupo controle, o alongamento dos tentáculos após a amputação ocorreu normalmente, conforme esperado. Mas no grupo no qual foi aplicado CH4N2O2, o alongamento não ocorreu, apesar da cicatrização normal da ferida (5H). Em outras palavras, a cura ocorrerá em qualquer caso, mas a proliferação é necessária para a regeneração adequada dos tentáculos.
Finalmente, os cientistas decidiram estudar a proliferação noutras espécies de medusas, nomeadamente Cytaeis и Rathkea.
Imagem #6: Comparação da proliferação em águas-vivas Cytaeis (esquerda) e Rathkea (direita).
У Cytaeis Células positivas para EdU da medusa foram observadas no manúbrio, nos bulbos dos tentáculos e na parte superior do guarda-chuva (6А и 6V). Localização de células positivas para PH3 identificadas em Cytaeis muito parecido com Cladonema, No entanto, existem algumas diferenças (6C и 6D). Mas em Rathkea Células positivas para EdU e positivas para PH3 foram encontradas quase exclusivamente na região do manúbrio e dos bulbos dos tentáculos.6E-6H).
Também é interessante que células em proliferação tenham sido frequentemente detectadas nos rins de águas-vivas. Rathkea (6E-6G), que reflete o tipo de reprodução assexuada desta espécie.
Tendo em conta as informações obtidas, pode-se supor que a proliferação celular ocorre nos bulbos dos tentáculos não apenas em uma espécie de água-viva, embora existam diferenças devido a diferenças na fisiologia e na morfologia.
Para uma compreensão mais detalhada das nuances do estudo, recomendo dar uma olhada em .
Epílogo
Um dos meus personagens literários favoritos é Hercule Poirot. O detetive astuto sempre prestava atenção especial aos pequenos detalhes que os outros consideravam sem importância. Os cientistas são muito parecidos com os detetives, coletando todas as evidências que podem encontrar para responder a todas as questões da investigação e descobrir o “culpado”.
Por mais óbvio que pareça, a regeneração das células das águas-vivas está diretamente relacionada à proliferação - um processo integral no desenvolvimento das células, dos tecidos e, consequentemente, de todo o organismo. Um estudo mais aprofundado deste processo abrangente permitir-nos-á compreender melhor os mecanismos moleculares que lhe estão subjacentes, o que, por sua vez, expandirá não só o alcance do nosso conhecimento, mas também afectará directamente as nossas vidas.
Sexta-feira off-top:
Marcha de águas-vivas da espécie Aurelia, perturbadas por um predador com o nome incomum de “água-viva de ovo frito”, ou seja, água-viva de ovo frito (Planet Earth, narração de David Attenborough).
Não é uma água-viva, mas esta criatura do fundo do mar (a boca grande parecida com um pelicano) não é frequentemente fotografada (a reação dos pesquisadores é simplesmente comovente).
Obrigado pela leitura, fiquem curiosos e tenham um ótimo final de semana pessoal! 🙂
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Fonte: habr.com