Ce au în comun Wolverine, Deadpool și meduza? Toate au o caracteristică uimitoare - regenerarea. Desigur, în benzi desenate și filme, această abilitate, care este răspândită printre un număr extrem de limitat de organisme vii reale, este puțin (sau uneori chiar foarte) exagerată, totuși, rămâne destul de reală. Și ceea ce este real poate fi explicat, lucru pe care cercetătorii de la Universitatea Tohoku (Japonia) au decis să-l facă în noul lor studiu. Ce procese celulare din corpul meduzei sunt asociate cu regenerarea, cum se desfășoară acest proces și ce alte super-puteri au aceste ființe gelatinoase? Despre asta ne va povesti raportul grupului de cercetare. Să începem.
Baza cercetării
În primul rând, cercetătorii explică de ce au decis să se concentreze pe meduze. Problema este că majoritatea studiilor în biologie sunt realizate cu ajutorul așa-numitelor organisme model: șoareci, muște de fructe, viermi, pești etc. Însă pe planeta noastră există milioane de specii, fiecare având propriile abilități unice. Prin urmare, nu se poate evalua în mod complet procesul de regenerare celulară studiind doar o singură specie și presupunând că mecanismul studiat va fi comun pentru toate ființele de pe Pământ.
În ceea ce privește meduzele, aceste ființe, doar prin aspectul lor exterior, comunică despre unicitatea lor, ceea ce nu poate să nu atragă atenția cercetătorilor. Așadar, înainte de a începe disecția cercetării propriu-zise, m-am familiarizat cu eroul principal al acesteia.
Cuvântul «meduză», pe care ne-am obișnuit să-l folosim pentru a numi ființa ca atare, de fapt denumește doar o etapă a ciclului de viață a organismelor din subtipul Medusozoa. Organismele din această categorie au primit un nume atât de neobișnuit datorită prezenței în corpul lor a celulelor urticante (cnidocite), care sunt utilizate pentru vânătoare și autoapărare. Pe scurt, atunci când ești înțepat de o meduză, poți mulțumi acestei celule pentru durerea și suferința resimțită.
Cnidocitele conțin cnidocist - o organelă intracelulară responsabilă pentru efectul de «înțepare». În funcție de aspectul lor și, în consecință, de metoda de utilizare, se disting mai multe tipuri de cnidocite, printre care se pot evidenția:
- penetrații - firicele cu capete ascuțite care se înfing în corpul victimei sau al agresorului, asemeni unor sulițe, injectând un neurotoxina;
- glutinanți - fire lipicioase și lungi care învăluie victima (nu cele mai plăcute îmbrățișări);
- volventi - fire scurte în care victima se poate încurca cu ușurință.
Această armă neobișnuită este explicată de faptul că meduzele, deși grațioase, nu sunt deloc rapide. Neurotoxina care pătrunde în corpul pradei o paralizează instantaneu, oferind meduzei o mulțime de timp pentru o pauză de prânz.
Meduza după o vânătoare reușită.
Pe lângă metoda neobișnuită de vânătoare și apărare, meduzele au o reproducere foarte neobișnuită. Masculii produc spermatozoizi, iar femelele - ovule, iar după fuzionarea acestora se formează planule (larve) care se așază pe fund. După un timp, din larvă crește un polip, din care, odată ce atinge maturitatea, se desprind pur și simplu meduzele tinere (în realitate, are loc reproducerea prin înmuiere). Astfel, există mai multe stadii ale ciclului de viață, unul dintre acestea fiind meduza sau generația meduzoidă.
Cianea păroasă, cunoscută de asemenea ca „părul leului”.
Dacă cianea păroasă ar fi întrebată cum să-și îmbunătățească eficiența vânătorii, ar răspunde - mai multe tentacule. În total au aproximativ 60 (clustere de câte 15 tentacule pe fiecare colț al cupolei). În plus, această specie de meduze este considerată cea mai mare, deoarece diametrul cupolei poate ajunge la 2 metri, iar tentaculele pot fi extinse până la 20 de metri în timpul vânătorii. Din fericire, această specie nu este foarte „veninoasă”, astfel că nu este mortală pentru oameni.
Viespea marină, de asemenea, ar adăuga calitate la cantitate. Această specie de meduze are, de asemenea, câte 15 tentacule (3 m lungime) la fiecare dintre cele patru colțuri ale umbrelei, dar veninul lor este de multe ori mai puternic decât al rudei sale mai mari. Se consideră că neurotoxina din organismul viespei marine este suficientă pentru a ucide 60 de persoane în 3 minute. Această amenințare a mărilor trăiește în zona costieră a Australiei de Nord și a Noii Zeelande. Conform datelor din perioada 1884-1996, în Australia au murit 63 de persoane, dar aceste date pot fi inexacte și numărul întâlnirilor fatale între oameni și viespile marine poate fi mult mai mare. Totuși, conform datelor din 1991-2004, dintre cele 225 de cazuri, doar 8% dintre victime au fost spitalizate, dintre care a existat un deces (un copil de trei ani).
Viespea marină
Și acum să ne întoarcem la studiul pe care îl discutăm astăzi.
Din perspectiva celulelor, cel mai important proces al vieții oricărui organism este proliferarea celulară - procesul de creștere a țesuturilor organismului prin reproducerea celulelor prin diviziune. În timpul creșterii organismului, acest proces reglează mărirea dimensiunilor corpului. Iar când organismul este complet format, celulele proliferative reglează schimbul fiziologic de celule și înlocuirea celor deteriorate cu altele noi.
Cnidariile, fiind un grup înrudit cu ramurile bilaterale și timpurii ale dezvoltării organismelor multicelulare, au fost folosite pentru studierea proceselor evolutive de mulți ani. Prin urmare, cnidariile nu fac excepție în ceea ce privește proliferarea. De exemplu, în timpul dezvoltării embrionare a anemonelor de mare Nematostella vectensis proliferarea celulară este coordonată cu organizarea epitelială și participă la dezvoltarea tentaculelor.
Nematostella vectensis
Pe lângă toate acestea, cnidariile, așa cum știm deja, sunt cunoscute pentru capacitățile lor regeneratoare. Cele mai populare printre cercetători timp de sute de ani sunt polipii hidrei (un gen de animale de apă dulce din clasa hidroidelor). Proliferarea, activată de celulele moarte, inițiază procesul de regenerare a capului bazal al hidrei. Numele acestei ființe face referire la o creatură mitologică, cunoscută pentru regenerarea sa - Hidra Lerneană, pe care Heracle a reușit să o învingă.
Deși abilitatea de regenerare a fost legată de proliferare, nu este clar cum anume se desfășoară acest proces celular în condiții normale în diferite etape ale dezvoltării organismului.
Meduzele, care au un ciclu de viață complex, compus din două etape de reproducere (vegetativă și sexuală), reprezintă un model excepțional pentru studiul proliferării.
În această lucrare, rolul principal al subiectului studiat a fost jucat de meduza speciei Cladonema pacificum, care trăiește în apropierea coastelor Japoniei. Această meduză are inițial 9 tentacule principale, care încep să se ramifice și să crească în dimensiune (la fel ca tot corpul) pe parcursul dezvoltării către adult. Această caracteristică permite studierea detaliată a tuturor mecanismelor implicate în acest proces.
În plus față de Cladonema pacificum în studiu au fost luate în considerare și alte specii de meduze: Cytaeis uchidae și Rathkea octopunctata.
Rezultatele cercetării
Pentru a înțelege tiparele spațiale de proliferare a celulelor în meduza Cladonema, cercetătorii au aplicat colorarea cu 5-etinil-2'-deoxirodină (EdU), care marchează celulele în faza S* sau celule care au parcurs deja această fază.
Faza S* — faza ciclului celular în care are loc replicarea ADN-ului.
Având în vedere că Cladonema crește rapid în dimensiune și demonstrează ramificarea tentaculelor pe parcursul dezvoltării (1A—1C), distribuția celulelor proliferative poate varia pe parcursul întregului proces de maturare.
Imaginea Nr. 1: caracteristicile proliferării celulare la Cladonema tinere.
Datorită acestei caracteristici, a fost posibil să se studieze mecanismul proliferării celulelor atât la meduzele tinere (ziua 1), cât și la cele mature (ziua 45).
La meduzele tinere, celulele pozitive pentru EdU au fost găsite în număr mare în întregul corp, inclusiv în umbrela, manubriul (organ de suport pentru cavitatea bucală a meduzelor) și tentacule, indiferent de timpul de expunere la EdU (1D–1K și 1N–1O, EdU: 20 μM (micromolar) după 24 de ore).
În manubriul a fost găsit un număr destul de mic de celule pozitive pentru EdU (1F și 1G), iar în umbrela, distribuția lor a fost foarte uniformă, în special în stratul exterior al umbrelei (exumbrella, 1H—1K). În tentacule, celulele pozitive pentru EdU au fost extrem de clusterizate.1N). Utilizarea markerului mitotic (anticorpi PH3) a permis confirmarea faptului că celulele pozitive EdU sunt cu adevărat celule proliferative. Celulele pozitive PH3 au fost descoperite atât în umbrele meduzei, cât și în bulbii tentaculului (1L și 1P).
În tentacule, celulele mitotice au fost găsite în principal în ectoderm (1P), în timp ce în umbrele meduzei celulele proliferative erau plasate în stratul de suprafață (1M).
Imaginea nr. 2: caracteristicile proliferării celulare la Cladonema adult.
Atât la indivizii tineri, cât și la cei adulți, celulele pozitive EdU au fost găsite în număr mare în întreaga corp. În umbre, celulele pozitive EdU erau mai frecvent întâlnite în stratul de suprafață decât în stratul inferior, ceea ce este similar cu observațiile la indivizii tineri (2A—2D).
În schimb, în tentacule situația a fost puțin diferită. Celulele pozitive EdU s-au acumulat la baza tentaculului (bulbul), unde au fost descoperite două clustere de ambele părți ale bulbului (2E și 2F). La indivizii tineri, astfel de acumulări au fost observate de asemenea (1N), adică bulbii tentaculului ar putea fi principala zonă de proliferare pe tot parcursul etapei meduzoidale. Este curios că în manubriul adulților numărul celulelor pozitive EdU a fost semnificativ mai mare decât la tineri (2G și 2H).
Concluzia intermediară este că proliferarea celulelor poate avea loc uniform în umbrele meduzei, iar în tentacule acest proces este foarte localizat. Prin urmare, se poate presupune că proliferarea uniformă a celulelor ar putea regla creșterea corpului și homeostazia țesuturilor, în timp ce acumulările de celule proliferative în jurul bulbilor tentaculilor contribuie la morfogeneza tentaculilor.
În ceea ce privește dezvoltarea corpului în sine, proliferarea joacă un rol important în creșterea corpului.
Imaginea nr. 3: importanța proliferării în procesul de creștere a corpului meduzei.
Pentru a verifica acest lucru în practică, oamenii de știință au urmărirt creșterea corpului meduzelor, începând cu indivizii tineri. Determinarea dimensiunilor corpului meduzei este cel mai ușor de realizat pe baza cupolei sale, deoarece aceasta crește uniform și direct proporțional cu întregul corp.
În condiții normale de hrănire în laborator, dimensiunea cupolei crește rapid cu 54.8% în primele 24 de ore — de la 0.62 ± 0.02 mm2 la 0.96 ± 0.02 mm2. În următoarele 5 zile de observație, dimensiunea a crescut încet și uniform până la 0.98 ± 0.03 mm2 (3А—3С).
Meduzele dintr-un alt grup, care au fost lipsite de hrană, nu au crescut, ci s-au micșorat (linia roșie pe grafic 3С). Analiza celulară a meduzelor înfometate a arătat un număr extrem de mic de celule EdU: 1240.6 ± 214.3 la meduzele din grupul de control și 433.6 ± 133 la cele înfometate (3D—3H). Această observație poate fi o dovadă directă că alimentația influențează direct procesul de proliferare.
Pentru a testa această ipoteză, oamenii de știință au efectuat o analiză farmacologică, în timpul căreia au blocat progresia ciclului celular folosind hidroxicarbamida (CH4N2O2) — un inhibitor al ciclului celular care cauzează oprirea G1. Ca rezultat al acestei intervenții, celulele în faza S, detectate anterior cu ajutorul EdU, au dispărut (3I—3L). Astfel, meduzele supuse la CH4N2O2 nu au demonstrat creștere corporală, spre deosebire de grupul de control (3M).
Următoarea etapă a studiului a fost analiza detaliată a tentaculelor ramificate ale meduzelor, pentru a confirma ipoteza că proliferarea locală a celulelor în tentacule contribuie la morfogeneza acestora.
Imaginea №4: influența proliferării locale asupra creșterii și ramificării tentaculelor meduzelor.
Tentaculele unei meduze tinere au o ramură, dar cu timpul numărul lor crește. În condiții de laborator, ramificarea a crescut de 3 ori în ziua a noua de observații (4A și 4C).
Din nou, utilizând CH4N2O2, ramificarea tentaculelor nu a fost observată, existând doar o singură ramură (4B și 4C). Interesant este că eliminarea CH4N2O2 din organismul meduzelor a restaurat procesul de ramificare a tentaculelor, ceea ce sugerează reversibilitatea intervenției medicamentului. Aceste observații indică clar importanța proliferării pentru dezvoltarea tentaculelor.
Strecătoarele nu ar fi strecătoare fără nematocite (cnidocite, adică celule strecătoare). La meduza de specia Clytia hemisphaerica, celulele stem din bulbul tentaculului furnizează nematociste la vârfurile tentaculelor prin proliferarea celulară. Firesc, cercetătorii au dorit să verifice și această afirmație.
Pentru a detecta vreo legătură între nematocite și proliferare, a fost utilizat un colorant de nucleu care poate marca poli-γ-glutamat, sintetizat în peretele nematocitei (DAPI, adică 4’,6-diamidino-2-fenilindol).
Colorarea poli-γ-glutamatului a permis evaluarea dimensiunii nematocitelor, variind de la 2 la 110 µm² (4D—4G). De asemenea, a fost identificată o cantitate de nematocite goale, adică astfel de nematocite au fost epuizate (4D—4G).
Activitatea proliferării în tentaculele meduzelor a fost verificată prin studiul golurilor din nematocite după blocarea ciclului celular prin CH4N2O2. Proporția nematocitelor goale la meduze după intervenția medicamentoasă a fost mai mare decât în grupul de control: 11.4% ± 2.0% la meduzele din grupul de control și 19.7% ± 2.0% la meduzele cu CH4N2O2 (4D—4G și 4H). Prin urmare, chiar și după epuizare, nematocitele continuă să fie alimentate activ cu celule precursoare prin proliferare, ceea ce confirmă influența acestui proces nu doar asupra dezvoltării tentaculelor, ci și asupra nematogenezei în acestea.
Cel mai interesant a fost etapa de investigare a capacităților regenerative ale meduzelor. Având în vedere concentrația ridicată de celule proliferative în bulbul tentaculelor la meduzele adulte Cladonema, cercetătorii au decis să studieze regenerarea exact a tentaculelor.
Imaginea nr. 5: influența proliferării asupra regenerării tentaculelor.
După efectuarea disecției tentaculelor la bază, a fost observat procesul de regenerare (5A–5D). În primele 24 de ore, vindecarea a avut loc în zona tăieturii (5B). În a doua zi de observație, vârful a început să se alungească și au apărut ramificări (5C). În a cincea zi, tentacul era complet ramificat (5D), prin urmare, regenerarea tentacului poate urma morfogeneza normală a tentacului după alungire.
Pentru a studia mai bine etapa inițială a regenerării, cercetătorii au analizat distribuția celulelor proliferative utilizând colorarea PH3 pentru vizualizarea celulelor mitotice.
Deși celulele care se divid au fost observate frecvent în apropierea zonei amputate, celulele mitotice erau dispersate în bulbii de control neamputați cu tentacule (5E și 5F).
Evaluarea cantitativă a celulelor pozitive PH3, prezente în bulbii tentaculelor, a permis identificarea unei creșteri semnificative a celulelor pozitive PH3 în bulbii tentaculelor la indivizii cu membre amputate comparativ cu grupul de control (5G). Ca concluzie, procesele regenerative inițiale sunt însoțite de o creștere activă a proliferării celulelor în bulbii tentaculelor.
Verificarea influenței proliferării asupra regenerării a fost posibilă prin blocarea celulelor cu ajutorul CH4N2O2 după amputarea tentacolului. Grupul de control a prezentat o alungire normală a tentacolului după amputare, așa cum era de așteptat. În schimb, la grupul supus tratamentului cu CH4N2O2, alungirea nu a avut loc, în ciuda cicatrizării normale a rănii (5H). Cu alte cuvinte, cicatrizarea va avea loc în orice caz, dar pentru o regenerare corectă a tentacolului este necesară proliferarea.
În cele din urmă, cercetătorii au decis să studieze proliferarea la alte specii de meduze, și anume la Cytaeis și Rathkea.
Imaginea nr. 6: compararea proliferării la meduzele din specia Cytaeis (stânga) și Rathkea (dreapta).
În Cytaeis Celulele meduzei pozitive la EdU au fost observate în manubrium, bulbii tentaculilor și în partea superioară a umbrelei (6A și 6B). Localizarea celulelor pozitive la PH3 observate la Cytaeis se aseamănă foarte mult cu Cladonema, cu toate acestea există câteva diferențe (6C și 6D). Însă, la Rathkea Celulele pozitive la EdU și PH3 au fost găsite aproape exclusiv în zona manubriumului și bulbilor tentaculilor (6E—6H).
Este de asemenea interesant că celulele proliferative erau frecvent identificate în rinichii meduzei Rathkea (6E—6G), ceea ce reflectă modul de reproducere asexuat al acestei specii.
Având în vedere informațiile obținute, se poate presupune că proliferarea celulară are loc în bulbii tentaculilor nu doar la o singură specie de meduză, deși există diferențe datorate diversității în fiziologie și morfologie.
Pentru o mai bună înțelegere a nuanțelor cercetării, vă recomand să consultați .
Epilog
Unul dintre personajele mele literare preferate este Hercule Poirot. Detectivul perspicace a acordat întotdeauna o atenție deosebită detaliilor mărunte care altora li se păreau neimportante. Cercetătorii seamănă foarte mult cu detectivii care adună toate indiciile posibile pentru a răspunde la toate întrebările anchetei și a identifica "vinovatul".
Cât de evident ar părea, regenerarea celulelor meduzelor este direct legată de proliferare — un proces esențial în dezvoltarea celulelor, țesuturilor și, ca urmare, a întregului organism. O studiere mai minuțioasă a acestui proces cuprinzător va permite o mai bună înțelegere a mecanismelor moleculare care stau la baza acestuia, ceea ce, la rândul său, va extinde nu doar spectrul cunoștințelor noastre, ci va influența direct și viața noastră.
Off-topic de vineri:
Marșul meduzelor de tip aurelia, deranjat de un prădător cu un nume neobișnuit «fried egg jellyfish», adică meduza-omletă (Planet Earth, vocea din off — David Attenborough).
Deși nu este o meduză, această creatură adâncime (peștișor cu botul larg) nu este astfel filmată foarte des (reacția cercetătorilor este pur și simplu adorabilă).
Mulțumesc pentru atenție, rămâneți curioși și să aveți un weekend minunat, băieți! 🙂
Mulțumim că rămâneți cu noi. Vă plac articolele noastre? Doriți să vedeți mai multe materiale interesante? Susțineți-ne, efectuând o comandă sau recomandându-ne prietenilor, 30% reducere pentru utilizatorii Habr pentru un server entry-level unic, creat special pentru tine: (sunt disponibile opțiuni cu RAID1 și RAID10, până la 24 nuclee și până la 40GB DDR4).
Dell R730xd la jumătate de preț? Numai la noi în Olanda! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — de la 99 $! Citiți despre
Sursa: habr.com
