Ce au în comun Wolverine, Deadpool și Jellyfish? Toate au o caracteristică uimitoare - regenerarea. Desigur, în benzi desenate și filme, această abilitate, comună într-un număr extrem de limitat de organisme vii reale, este ușor (și uneori foarte) exagerată, dar rămâne foarte reală. Și ceea ce este real poate fi explicat, ceea ce au decis să facă oamenii de știință de la Universitatea Tohoku (Japonia) în noul lor studiu. Ce procese celulare din corpul unei meduze sunt asociate cu regenerarea, cum decurge acest proces și ce alte super-puteri au aceste creaturi asemănătoare jeleului? Raportul grupului de cercetare ne va spune despre acest lucru. Merge.
Baza cercetării
În primul rând, oamenii de știință explică de ce au decis să-și concentreze atenția asupra meduzelor. Faptul este că majoritatea cercetărilor în domeniul biologiei sunt efectuate cu participarea așa-numitelor organisme model: șoareci, muște de fructe, viermi, pești etc. Dar planeta noastră găzduiește milioane de specii, fiecare dintre ele având una sau alta abilitate unică. În consecință, este imposibil să evaluăm pe deplin procesul de regenerare celulară prin studierea unei singure specii și să presupunem că mecanismul studiat va fi comun tuturor creaturilor de pe Pământ.
Cât despre meduze, aceste creaturi, prin însuși aspectul lor, vorbesc despre unicitatea lor, care nu poate decât să atragă atenția oamenilor de știință. Prin urmare, înainte de a începe disecția cercetării în sine, am întâlnit personajul principal al acesteia.
Cuvântul „meduză”, pe care suntem obișnuiți să-l numim creatura ca atare, se referă de fapt doar la stadiul ciclului de viață al subtipului cnidarian. medusozoare. Cnidarii au primit un nume atât de neobișnuit din cauza prezenței celulelor înțepătoare (cnidocite) în corpul lor, care sunt folosite pentru vânătoare și autoapărare. Pur și simplu, atunci când ești înțepat de o meduză, poți mulțumi acestor celule pentru durere și suferință.
Cnidocitele conțin cnidochisturi, un organel intracelular responsabil pentru efectul de „înțepătură”. După aspectul lor și, în consecință, metoda de aplicare, se disting mai multe tipuri de cnidocite, printre care se numără:
- penetranți - fire cu capete ascuțite care străpung corpul victimei sau infractorului ca niște sulițe, injectând o neurotoxină;
- glutinanți - fire lipicioase și lungi care învăluie victima (nu cea mai plăcută îmbrățișare);
- Volventele sunt fire scurte în care victima se poate încurca cu ușurință.
Astfel de arme non-standard se explică prin faptul că meduzele, deși grațioase, nu sunt creaturi deosebit de agile. Neurotoxina care intră în corpul prăzii o paralizează instantaneu, ceea ce oferă meduzei mult timp pentru o pauză de masă.
Meduzele după o vânătoare reușită.
Pe lângă metoda lor neobișnuită de vânătoare și apărare, meduzele au o reproducere foarte neobișnuită. Masculii produc spermatozoizi, iar femelele produc ouă, după fuziunea cărora se formează planulele (larvele), care se stabilesc în partea de jos. După un timp, din larvă crește un polip, din care, la atingerea maturității, meduzele tinere se desprind literalmente (de fapt, are loc înmugurirea). Astfel, există mai multe etape ale ciclului de viață, dintre care una este generarea meduzelor sau medusoidelor.
Cyanea păroasă, cunoscută și sub numele de coama de leu.
Dacă cyanea păroasă ar fi întrebată cum să crească eficiența vânătorii, ar răspunde - mai multe tentacule. Sunt aproximativ 60 dintre ele în total (grupuri de 15 tentacule la fiecare colț al domului). În plus, acest tip de meduză este considerat cel mai mare, deoarece diametrul cupolei poate ajunge la 2 metri, iar tentaculele se pot întinde până la 20 de metri în timpul vânătorii. Din fericire, această specie nu este deosebit de „toxică” și, prin urmare, nu este fatală pentru oameni.
Viespa de mare, la rândul ei, ar adăuga calitate la cantitate. Acest tip de meduze are și 15 tentacule (3 m lungime) pe fiecare dintre cele patru colțuri ale domului, dar veninul lor este de multe ori mai puternic decât cel al rudei sale mari. Se crede că viespea de mare are suficientă neurotoxină pentru a ucide 60 de oameni în 3 minute. Această furtună a mării trăiește în zona de coastă din nordul Australiei și Noua Zeelandă. Conform datelor din 1884 până în 1996, 63 de persoane au murit în Australia, dar aceste date pot fi inexacte, iar numărul de întâlniri fatale între oameni și viespi marine poate fi mult mai mare. Totuși, conform datelor pentru anii 1991-2004, din 225 de cazuri, doar 8% dintre victime au fost internate, inclusiv un deces (un copil de trei ani).
Marea viespe
Acum să revenim la studiul la care ne uităm astăzi.
Din punctul de vedere al celulelor, cel mai important proces din întreaga viață a oricărui organism este proliferarea celulară - procesul de creștere a țesuturilor corpului prin reproducerea celulară prin diviziune. În timpul creșterii corpului, acest proces reglează creșterea dimensiunii corpului. Iar atunci când organismul este complet format, celulele în proliferare reglează schimbul fiziologic de celule și înlocuirea celor deteriorate cu altele noi.
Cnidarii, ca grup soră de bilateriani și metazoare timpurii, au fost folosiți pentru a studia procesele evolutive de mulți ani. Prin urmare, cnidarii nu fac excepție în ceea ce privește proliferarea. De exemplu, în timpul dezvoltării embrionare a anemonei de mare Nematostella vectensis proliferarea celulară este coordonată cu organizarea epitelială și este implicată în dezvoltarea tentaculelor.
Nematostella vectensis
Printre altele, cnidarii, după cum știm deja, sunt cunoscuți pentru abilitățile lor regenerative. Polipii hidrei (un gen de celenterate sesile de apă dulce din clasa hidroizilor) au fost considerați cei mai populari printre cercetători de sute de ani. Proliferarea, activată de celulele moarte, declanșează procesul de regenerare a capului bazal al hidrei. Însuși numele acestei creaturi face aluzie la o creatură mitică cunoscută pentru regenerarea sa - Hidra Lernaeană, pe care Hercule a reușit să o învingă.
Deși abilitățile de regenerare au fost legate de proliferare, rămâne neclar cum se produce acest proces celular în condiții normale în diferite stadii de dezvoltare a organismului.
Meduzele, care au un ciclu de viață complex format din două etape de reproducere (vegetativă și sexuală), servesc drept model excelent pentru studierea proliferării.
În această lucrare, rolul principalului individ studiat a fost jucat de meduzele din specia Cladonema pacificum. Această specie trăiește în largul coastei Japoniei. Inițial, această meduză are 9 tentacule principale, care încep să se ramifică și să crească în dimensiune (ca tot corpul) în timpul dezvoltării la un adult. Această caracteristică ne permite să studiem în detaliu toate mecanismele care sunt implicate în acest proces.
în plus față de Cladonema pacificum Studiul a analizat și alte tipuri de meduze: Cytaeis uchidae и Rathkea octopunctata.
Rezultatele studiului
Pentru a înțelege modelul spațial al proliferării celulare în Cladonema medusa, oamenii de știință au folosit colorarea cu 5-etinil-2'-deoxiuridină (EdU), care etichetează celulele în faza S* sau celulele care l-au trecut deja.
faza S* - faza ciclului celular în care are loc replicarea ADN-ului.
Având în vedere că Cladonema crește dramatic în dimensiune și prezintă ramificații tentaculare în timpul dezvoltării (1A-1C), distribuția celulelor în proliferare se poate modifica pe parcursul maturării.
Imaginea nr. 1: caracteristici ale proliferării celulare la Cladonemul tânăr.
Datorită acestei caracteristici, a fost posibil să se studieze mecanismul proliferării celulare atât la meduze tinere (ziua 1), cât și la cele mature sexual (ziua 45).
La meduzele juvenile, celulele EdU pozitive au fost găsite în număr mare în tot corpul, inclusiv umbela, manubriu (organul de susținere al cavității bucale la meduze) și tentacule, indiferent de timpul de expunere EdU.1D-1K и 1N-1O, EdU: 20 pM (micromolar) după 24 de ore).
În manubriu s-au găsit destul de multe celule EdU-pozitive (1F и 1G), dar în umbrelă distribuția lor a fost foarte uniformă, mai ales în învelișul exterior al umbrelei (exumbrelă, 1H-1K). În tentacule, celulele EdU pozitive au fost puternic grupate (1N). Utilizarea unui marker mitotic (anticorp PH3) a făcut posibilă verificarea faptului că celulele EdU-pozitive sunt celule în proliferare. Celule PH3 pozitive au fost găsite atât în bulbul umbrelă, cât și în bulbul tentaculului (1L и 1P).
În tentacule, celulele mitotice au fost găsite în principal în ectoderm (1P), în timp ce în umbrelă celulele proliferante erau localizate în stratul de suprafață (1M).
Imaginea nr. 2: caracteristici ale proliferării celulare în Cladonemul matur.
Atât la indivizii tineri, cât și la cei maturi, celulele EdU pozitive au fost găsite în număr mare în tot corpul. În umbelă, celulele EdU-pozitive au fost găsite mai des în stratul superficial decât în stratul inferior, ceea ce este similar cu observațiile la juvenili (2A-2D).
Dar în tentacule situația era oarecum diferită. Celule EdU-pozitive s-au acumulat la baza tentaculului (bulb), unde s-au găsit două grupuri de ambele părți ale bulbului (2E и 2F). La indivizii tineri s-au observat și acumulări similare (1N), adică bulbii tentaculari pot fi principala zonă de proliferare pe tot parcursul etapei medusoide. Este curios că în manubriul indivizilor adulți numărul de celule EdU pozitive a fost semnificativ mai mare decât la juvenili (2G и 2H).
Rezultatul intermediar este că proliferarea celulară poate avea loc uniform în umbrela unei meduze, dar în tentacule acest proces este foarte localizat. Prin urmare, se poate presupune că proliferarea uniformă a celulelor poate controla creșterea corpului și homeostazia țesuturilor, dar grupurile de celule proliferante din apropierea bulbilor tentaculilor sunt implicate în morfogeneza tentaculelor.
În ceea ce privește dezvoltarea corpului în sine, proliferarea joacă un rol important în creșterea corpului.
Imaginea #3: Importanța proliferării în procesul de creștere a corpului unei meduze.
Pentru a testa acest lucru în practică, oamenii de știință au monitorizat creșterea corpului meduzelor, începând cu indivizii tineri. Cel mai ușor este să determinați dimensiunea corpului unei meduze prin cupola, deoarece crește uniform și direct proporțional cu întregul corp.
Cu hrănirea normală în condiții de laborator, dimensiunea domului crește brusc 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 observații, dimensiunea a crescut încet și fără probleme până la 0.98 ± 0.03 mm2 (3A-3S).
Meduzele dintr-un alt grup, care au fost lipsite de hrană, nu au crescut, ci s-au micșorat (linia roșie pe grafic 3S). Analiza celulară a meduzelor înfometate a arătat prezența unui număr extrem de mic de celule EdU: 1240.6 ± 214.3 la meduze din lotul martor și 433.6 ± 133 la cele înfometate (3D-3H). Această observație poate fi o dovadă directă că nutriția influențează direct procesul de proliferare.
Pentru a testa această ipoteză, oamenii de știință au efectuat un test farmacologic în care au blocat progresia ciclului celular folosind hidroxiuree (CH4N2O2), un inhibitor al ciclului celular care provoacă oprirea G1. Ca urmare a acestei intervenții, celulele în fază S detectate anterior folosind EdU au dispărut (3I-3L). Astfel, meduzele care au fost expuse la CH4N2O2 nu au prezentat creștere corporală, spre deosebire de grupul de control (3M).
Următoarea etapă a studiului a fost un studiu detaliat al tentaculelor ramificate ale meduzelor pentru a confirma presupunerea că proliferarea locală a celulelor din tentacule contribuie la morfogeneza acestora.
Imaginea nr. 4: efectul proliferării locale asupra creșterii și ramificării tentaculelor de meduză.
Tentaculele unei meduze tinere au o ramură, dar în timp numărul lor crește. În condiții de laborator, ramificarea a crescut de 3 ori în a noua zi de observație (4A и 4S).
Din nou, când a fost folosit CH4N2O2, nu s-a observat nicio ramificare a tentaculelor, ci doar o ramură (4B и 4C). Este curios că îndepărtarea CH4N2O2 din corpul meduzei a restabilit procesul de ramificare a tentaculelor, ceea ce indică reversibilitatea intervenției medicamentoase. Aceste observații indică în mod clar importanța proliferării pentru dezvoltarea tentaculelor.
Cnidarii nu ar fi cnidari fără nematocite (cnidocite, adică cnidarii). La specia de meduză Clytia hemisphaerica, celulele stem din bulbii tentaculelor furnizează nematociste la vârfurile tentaculelor tocmai datorită proliferării celulare. Desigur, oamenii de știință au decis să testeze și această afirmație.
Pentru a detecta orice legătură între nematochisturi și proliferare, a fost utilizat un colorant de colorare nucleară care poate marca poli-γ-glutamatul sintetizat în peretele nematochistului (DAPI, adică 4′,6-diamidino-2-fenilindol).
Colorația poli-γ-glutamat ne-a permis să estimăm dimensiunea nematocitelor, variind de la 2 la 110 μm2 (4D-4G). Au fost identificate, de asemenea, o serie de nematochisturi goale, adică astfel de nematocite au fost epuizate (4D-4G).
Activitatea de proliferare în tentaculele de meduză a fost testată prin studierea golurilor din nematocite după blocarea ciclului celular cu CH4N2O2. Proporția de nematocite goale la meduze după intervenția medicamentoasă a fost mai mare decât în lotul martor: 11.4% ± 2.0% la meduze din lotul martor și 19.7% ± 2.0% la meduze cu CH4N2O2 (4D-4G и 4H). În consecință, chiar și după epuizare, nematocitele continuă să fie alimentate activ cu celule progenitoare de proliferare, ceea ce confirmă influența acestui proces nu numai asupra dezvoltării tentaculelor, ci și asupra nematogenezei în ele.
Cea mai interesantă etapă a fost studiul abilităților de regenerare ale meduzelor. Având în vedere concentrația mare de celule proliferative din bulbul tentacular al meduzelor mature Cladonema, oamenii de știință au decis să studieze regenerarea tentaculelor.
Imaginea nr. 5: efectul proliferării asupra regenerării tentaculelor.
După disecția tentaculelor de la bază, s-a observat un proces de regenerare (5A-5D). În primele 24 de ore, vindecarea a avut loc în zona inciziei (5B). În a doua zi de observație, vârful a început să se lungească și au apărut ramuri (5S). În a cincea zi, tentaculul a fost complet ramificat (5D), prin urmare, regenerarea tentaculelor poate urma morfogeneza normală a tentaculului după alungire.
Pentru a studia mai bine stadiul inițial al regenerării, oamenii de știință au analizat distribuția celulelor în proliferare folosind colorarea PH3 pentru a vizualiza celulele mitotice.
În timp ce celulele în diviziune au fost adesea observate în apropierea zonei amputate, celulele mitotice au fost dispersate în bulbi tentaculari de control netăiați (5E и 5F).
Cuantificarea celulelor PH3-pozitive prezente în bulbii tentaculari a evidențiat o creștere semnificativă a celulelor PH3-pozitive în bulbii tentaculilor amputate în comparație cu martorii (5G). În concluzie, procesele inițiale de regenerare sunt însoțite de o creștere activă a proliferării celulare în bulbii tentaculari.
Efectul proliferării asupra regenerării a fost testat prin blocarea celulelor cu CH4N2O2 după tăierea tentaculului. În grupul de control, alungirea tentaculelor după amputare a avut loc în mod normal, așa cum era de așteptat. Dar în grupul pe care a fost aplicat CH4N2O2, alungirea nu a avut loc, în ciuda vindecării normale a rănilor (5H). Cu alte cuvinte, vindecarea va avea loc în orice caz, dar proliferarea este necesară pentru regenerarea corectă a tentaculelor.
În cele din urmă, oamenii de știință au decis să studieze proliferarea la alte specii de meduze, și anume Cytaeis и Rathkea.
Imaginea #6: Comparație a proliferării în Cytaeis (stânga) și Rathkea (dreapta).
У Cytaeis Celule medusa EdU-pozitive au fost observate în manubrium, bulbii tentaculilor și partea superioară a umbrelei (6A и 6V). Locația celulelor PH3 pozitive identificate în Cytaeis foarte asemănător cu Cladonema, cu toate acestea, există unele diferențe (6C и 6D). Dar la Rathkea Celulele EdU-pozitive și PH3-pozitive au fost găsite aproape exclusiv în regiunea manubriului și a bulbilor tentaculari (6E-6H).
De asemenea, este interesant faptul că celulele în proliferare au fost adesea detectate în rinichii meduzelor Rathkea (6E-6G), care reflectă tipul asexuat de reproducere a acestei specii.
Ținând cont de informațiile obținute, se poate presupune că proliferarea celulară are loc în bulbii tentaculelor nu numai la o specie de meduză, deși există diferențe datorate diferențelor de fiziologie și morfologie.
Pentru o cunoaștere mai detaliată a nuanțelor studiului, vă recomand să vă uitați la .
Epilog
Unul dintre personajele mele literare preferate este Hercule Poirot. Detectivul priceput a acordat întotdeauna o atenție deosebită micilor detalii pe care alții le considerau lipsite de importanță. Oamenii de știință seamănă mult cu detectivii, adunând toate dovezile pe care le pot găsi pentru a răspunde la toate întrebările investigației și pentru a-l găsi pe „vinovat”.
Oricât de evident ar suna, regenerarea celulelor de meduză este direct legată de proliferare - un proces integral în dezvoltarea celulelor, țesuturilor și, în consecință, a întregului organism. Un studiu mai amănunțit al acestui proces cuprinzător ne va permite să înțelegem mai bine mecanismele moleculare care stau la baza acestuia, care, la rândul lor, vor extinde nu numai gama cunoștințelor noastre, ci și ne vor afecta direct viața.
Vineri off-top:
Marș de meduză din specia Aurelia, deranjată de un prădător cu denumirea neobișnuită de „meduză cu ou prăjit”, adică. meduze cu ou prăjit (Planeta Pământ, voce off de David Attenborough).
Nu este o meduză, dar această creatură de adâncime (buca mare asemănătoare pelicanului) nu este adesea fotografiată (reacția cercetătorilor este pur și simplu emoționantă).
Mulțumesc pentru citit, rămâneți curioși și să aveți un weekend minunat băieți! 🙂
Vă mulțumim că ați rămas cu noi. Vă plac articolele noastre? Vrei să vezi mai mult conținut interesant? Susține-ne plasând o comandă sau recomandând prietenilor, Reducere de 30% pentru utilizatorii Habr la un analog unic de servere entry-level, care a fost inventat de noi pentru tine: (disponibil cu RAID1 și RAID10, până la 24 de nuclee și până la 40 GB DDR4).
Dell R730xd de 2 ori mai ieftin? Numai aici in Olanda! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - de la 99 USD! Citește despre
Sursa: www.habr.com