Čo majú spoločné Wolverine, Deadpool a Jellyfish? Všetky majú úžasnú vlastnosť – regeneráciu. Samozrejme, v komiksoch a filmoch je táto schopnosť, bežná medzi extrémne obmedzeným počtom skutočných živých organizmov, mierne (a niekedy veľmi) prehnaná, ale zostáva veľmi reálna. A to, čo je skutočné, sa dá vysvetliť, k čomu sa rozhodli vedci z univerzity Tohoku (Japonsko) vo svojej novej štúdii. Aké bunkové procesy v tele medúzy súvisia s regeneráciou, ako tento proces prebieha a aké ďalšie superschopnosti tieto rôsolovité stvorenia majú? Povie nám o tom správa výskumnej skupiny. Choď.
Výskumný základ
V prvom rade vedci vysvetľujú, prečo sa rozhodli zamerať svoju pozornosť na medúzy. Faktom je, že väčšina výskumov v oblasti biológie sa uskutočňuje za účasti takzvaných modelových organizmov: myší, ovocných mušiek, červov, rýb atď. Ale naša planéta je domovom miliónov druhov, z ktorých každý má jednu alebo druhú jedinečnú schopnosť. V dôsledku toho nie je možné úplne zhodnotiť proces bunkovej regenerácie štúdiom iba jedného druhu a predpokladať, že skúmaný mechanizmus bude spoločný pre všetky tvory na Zemi.
Pokiaľ ide o medúzy, tieto stvorenia už svojím vzhľadom hovoria o svojej jedinečnosti, ktorá nemôže pritiahnuť pozornosť vedcov. Pred začatím pitvy samotného výskumu som sa preto zoznámil s jeho hlavnou postavou.
Slovo „medúza“, ktoré sme zvyknutí nazývať stvorenie ako také, v skutočnosti odkazuje len na štádium životného cyklu cnidarského podtypu. meduzozoa. Cnidarians dostal takéto nezvyčajné meno kvôli prítomnosti bodavých buniek (cnidocytov) v ich telách, ktoré sa používajú na lov a sebaobranu. Jednoducho povedané, keď vás poštípe medúza, môžete týmto bunkám poďakovať za bolesť a utrpenie.
Cnidocyty obsahujú cnidocysty, vnútrobunkovú organelu zodpovednú za „štipľavý“ efekt. Podľa ich vzhľadu a podľa toho aj spôsobu aplikácie sa rozlišuje niekoľko typov cnidocytov, medzi ktoré patria:
- penetranty - vlákna so zahrotenými koncami, ktoré prepichnú telo obete alebo páchateľa ako oštepy a vstreknú neurotoxín;
- glutinanty - lepkavé a dlhé vlákna, ktoré obeť obklopujú (nie najpríjemnejšie objatie);
- volventy sú krátke vlákna, do ktorých sa obeť môže ľahko zamotať.
Takéto neštandardné zbrane sa vysvetľujú skutočnosťou, že medúzy, aj keď sú elegantné, nie sú obzvlášť obratné stvorenia. Neurotoxín vstupujúci do tela koristi ju okamžite paralyzuje, čo dáva medúze veľa času na prestávku na obed.
Medúza po úspešnom love.
Okrem neobvyklého spôsobu lovu a obrany majú medúzy veľmi nezvyčajnú reprodukciu. Samce produkujú spermie a samice vajíčka, po splynutí ktorých sa vytvoria planulae (larvy), ktoré sa usadia na dne. Po chvíli z larvy vyrastie polyp, z ktorého sa po dosiahnutí zrelosti doslova odlomia mladé medúzy (v skutočnosti dochádza k pučania). Existuje teda niekoľko fáz životného cyklu, jednou z nich je generácia medúzy alebo medusoidu.
Cyanea chlpatá, známa aj ako levia hriva.
Ak by sa cyanea chlpatá spýtala, ako zvýšiť efektivitu lovu, odpovedala by – viac chápadiel. Celkovo je ich asi 60 (zhluky 15 chápadiel v každom rohu kupoly). Okrem toho sa tento druh medúzy považuje za najväčší, pretože priemer kupoly môže dosiahnuť 2 metre a chápadlá sa môžu počas lovu natiahnuť až na 20 metrov. Našťastie tento druh nie je obzvlášť „toxický“, a preto nie je pre človeka smrteľný.
Morská osa by zas pridala na kvalite. Tento druh medúzy má tiež 15 chápadiel (dĺžka 3 m) na každom zo štyroch rohov kupoly, ale ich jed je mnohonásobne silnejší ako jed jej veľkého príbuzného. Predpokladá sa, že morská osa má dostatok neurotoxínu na to, aby zabila 60 ľudí za 3 minúty. Táto morská búrka žije v pobrežnej zóne severnej Austrálie a Nového Zélandu. Podľa údajov z rokov 1884 až 1996 zomrelo v Austrálii 63 ľudí, tieto údaje však môžu byť nepresné a počet smrteľných stretnutí medzi ľuďmi a morskými osami môže byť oveľa vyšší. Podľa údajov za roky 1991 – 2004 však medzi 225 prípadmi bolo hospitalizovaných iba 8 % obetí vrátane jedného úmrtia (trojročné dieťa).
Vosa morská
Teraz sa vráťme k štúdii, na ktorú sa dnes pozeráme.
Z hľadiska buniek je najdôležitejším procesom v celom živote každého organizmu bunková proliferácia - proces rastu telesných tkanív prostredníctvom rozmnožovania buniek delením. Počas rastu tela tento proces reguluje nárast veľkosti tela. A keď je telo úplne sformované, proliferujúce bunky regulujú fyziologickú výmenu buniek a nahradenie poškodených novými.
Cnidarians, ako sesterská skupina bilateriánov a raných metazoánov, sa už mnoho rokov používajú na štúdium evolučných procesov. Preto nie sú cnidari z hľadiska šírenia žiadnou výnimkou. Napríklad počas embryonálneho vývoja morskej sasanky Nematostella vectensis bunková proliferácia je koordinovaná s organizáciou epitelu a podieľa sa na vývoji chápadiel.
Nematostella vectensis
Cnidarians, ako už vieme, sú okrem iného známe svojimi regeneračnými schopnosťami. Hydra polypy (rod sladkovodných sesilných koelenterátov z triedy hydroidov) sú medzi výskumníkmi považované za najpopulárnejšie už stovky rokov. Proliferácia, aktivovaná umierajúcimi bunkami, spúšťa proces regenerácie bazálnej hlavy hydry. Už samotný názov tohto tvora naráža na bájnu bytosť známu svojou regeneráciou – lernajskú Hydru, ktorú Herkules dokázal poraziť.
Hoci regeneračné schopnosti boli spojené s proliferáciou, zostáva nejasné, ako presne tento bunkový proces prebieha za normálnych podmienok v rôznych štádiách vývoja organizmu.
Medúzy, ktoré majú zložitý životný cyklus pozostávajúci z dvoch štádií reprodukcie (vegetatívnej a sexuálnej), slúžia ako vynikajúci model na štúdium proliferácie.
V tejto práci úlohu hlavného študovaného jedinca zohrala medúza druhu Cladonema pacificum. Tento druh žije pri pobreží Japonska. Spočiatku má táto medúza 9 hlavných chápadiel, ktoré sa počas vývoja do dospelého človeka začnú vetviť a zväčšovať (ako celé telo). Táto funkcia nám umožňuje podrobne študovať všetky mechanizmy, ktoré sa podieľajú na tomto procese.
okrem Cladonema pacificum Štúdia sa zamerala aj na iné druhy medúz: Cytaeis uchidae и Rathkea octopunctata.
Výsledky štúdie
Na pochopenie priestorového vzoru bunkovej proliferácie v Cladonema medusa vedci použili farbenie 5-etinyl-2'-deoxyuridínom (EdU), ktoré označuje bunky v S-fáza* alebo bunky, ktoré ním už prešli.
S-fáza* - fáza bunkového cyklu, v ktorej dochádza k replikácii DNA.
Vzhľadom na to Cladonema sa dramaticky zväčšuje a počas vývoja vykazuje vetvenie chápadiel (1A-1C), distribúcia proliferujúcich buniek sa môže počas dozrievania meniť.
Obrázok č. 1: znaky bunkovej proliferácie u mladých Cladonema.
Vďaka tejto vlastnosti bolo možné študovať mechanizmus bunkovej proliferácie u mladých (1. deň) aj sexuálne zrelých (45. deň) medúz.
U mladých medúz sa EdU-pozitívne bunky našli vo veľkom počte v celom tele, vrátane pupka, manubria (podporný orgán ústnej dutiny u medúz) a chápadiel, bez ohľadu na čas expozície EdU (1D-1K и 1N-1OEdU: 20 uM (mikromolárne) po 24 hodinách).
Pomerne málo EdU-pozitívnych buniek sa našlo v manubriu (1F и 1G), ale v dáždniku bolo ich rozloženie veľmi rovnomerné, najmä vo vonkajšom plášti dáždnika (dáždnik, 1H-1K). V chápadlách boli EdU-pozitívne bunky vysoko zhlukované (1N). Použitie mitotického markera (PH3 protilátka) umožnilo overiť, že EdU-pozitívne bunky sú proliferujúce bunky. PH3-pozitívne bunky sa našli v dáždniku aj v cibuli chápadla (1L и 1P).
V chápadlách sa mitotické bunky nachádzali hlavne v ektoderme (1P), zatiaľ čo v dáždniku sa proliferujúce bunky nachádzali v povrchovej vrstve (1M).
Obrázok č. 2: znaky bunkovej proliferácie u zrelej Cladonema.
U mladých aj zrelých jedincov boli EdU-pozitívne bunky nájdené vo veľkom počte v celom tele. V pupku boli EdU-pozitívne bunky častejšie nájdené v povrchovej vrstve ako v spodnej vrstve, čo je podobné pozorovaniam u mláďat (2A-2D).
Ale v chápadlách bola situácia trochu iná. EdU-pozitívne bunky sa nahromadili v spodnej časti chápadla (žiarovka), kde sa našli dva zhluky na oboch stranách cibuľky (2E и 2F). U mladých jedincov boli tiež pozorované podobné akumulácie (1N), t.j. žiarovky chápadiel môžu byť hlavnou oblasťou proliferácie v štádiu medusoidu. Je zvláštne, že v manubriu dospelých jedincov bol počet EdU-pozitívnych buniek významne vyšší ako u mláďat (2G и 2H).
Stredným výsledkom je, že bunková proliferácia môže prebiehať rovnomerne v dáždniku medúzy, ale v chápadlách je tento proces veľmi lokalizovaný. Preto sa dá predpokladať, že rovnomerná bunková proliferácia môže kontrolovať telesný rast a homeostázu tkanív, ale zhluky proliferujúcich buniek v blízkosti cibuliek chápadiel sa podieľajú na morfogenéze chápadiel.
Pokiaľ ide o samotný vývoj tela, proliferácia hrá dôležitú úlohu v raste tela.
Obrázok č. 3: Význam proliferácie v procese telesného rastu medúzy.
Aby to vedci otestovali v praxi, sledovali rast tela medúzy, počnúc mladými jedincami. Najjednoduchšie je určiť veľkosť tela medúzy podľa jej kupoly, pretože rastie rovnomerne a priamo úmerne k celému telu.
Pri normálnom kŕmení v laboratórnych podmienkach sa veľkosť kupoly počas prvých 54.8 hodín prudko zväčší o 24 % – z 0.62 ± 0.02 mm2 na 0.96 ± 0.02 mm2. Počas nasledujúcich 5 dní pozorovaní sa veľkosť pomaly a plynulo zväčšovala na 0.98 ± 0.03 mm2 (3А-3S).
Medúzy z inej skupiny, ktoré boli zbavené potravy, nerástli, ale zmenšovali sa (červená čiara na grafe 3S). Bunková analýza hladujúcich medúz ukázala prítomnosť extrémne malého počtu EdU buniek: 1240.6 ± 214.3 u medúz z kontrolnej skupiny a 433.6 ± 133 u hladujúcich (3D-3H). Toto pozorovanie môže byť priamym dôkazom toho, že výživa priamo ovplyvňuje proces proliferácie.
Na testovanie tejto hypotézy vedci vykonali farmakologický test, v ktorom blokovali progresiu bunkového cyklu pomocou hydroxymočoviny (CH4N2O2), inhibítora bunkového cyklu, ktorý spôsobuje zastavenie G1. V dôsledku tohto zásahu zmizli bunky v S-fáze predtým detekované pomocou EdU (3I-3L). Medúzy, ktoré boli vystavené CH4N2O2, teda nevykazovali telesný rast, na rozdiel od kontrolnej skupiny (3M).
Ďalšou etapou štúdie bola podrobná štúdia vetviacich sa chápadiel medúzy s cieľom potvrdiť predpoklad, že lokálna proliferácia buniek v chápadlách prispieva k ich morfogenéze.
Obrázok č.4: vplyv lokálneho premnoženia na rast a rozvetvenie chápadiel medúzy.
Tykadlá mladej medúzy majú jednu vetvu, ale časom sa ich počet zvyšuje. V laboratórnych podmienkach sa vetvenie zvýšilo 3-krát na deviaty deň pozorovania (4А и 4S).
Opäť, keď sa použil CH4N2O2, nebolo pozorované žiadne rozvetvenie chápadiel, ale iba jedna vetva (4B и 4C). Je zvláštne, že odstránenie CH4N2O2 z tela medúzy obnovilo proces vetvenia chápadiel, čo naznačuje reverzibilitu drogovej intervencie. Tieto pozorovania jasne naznačujú dôležitosť proliferácie pre vývoj chápadiel.
Cnidarians by nebol cnidarians bez nematocytov (cnidocytes, t.j. cnidarians). U medúz druhu Clytia hemisphaerica dodávajú kmeňové bunky v cibuľkách chápadiel nematocysty do špičiek chápadiel práve v dôsledku bunkovej proliferácie. Prirodzene, vedci sa rozhodli otestovať aj toto tvrdenie.
Na detekciu akéhokoľvek spojenia medzi nematocystami a proliferáciou sa použilo farbivo na farbenie jadier, ktoré môže označiť poly-y-glutamát syntetizovaný v stene nematocysty (DAPI, t.j. 4',6-diamidino-2-fenylindol).
Farbenie poly-γ-glutamátom nám umožnilo odhadnúť veľkosť nematocytov v rozmedzí od 2 do 110 μm2 (4D-4G). Bolo tiež identifikovaných niekoľko prázdnych nematocyst, to znamená, že takéto nematocyty boli vyčerpané (4D-4G).
Proliferačná aktivita v chápadlách medúzy bola testovaná štúdiom dutín v nematocytoch po blokovaní bunkového cyklu pomocou CH4N2O2. Podiel prázdnych nematocytov u medúz po medikamentóznej intervencii bol vyšší ako v kontrolnej skupine: 11.4 % ± 2.0 % u medúzy z kontrolnej skupiny a 19.7 % ± 2.0 % u medúz s CH4N2O2 (4D-4G и 4H). Nematocyty sú teda aj po vyčerpaní naďalej aktívne zásobované proliferačnými progenitorovými bunkami, čo potvrdzuje vplyv tohto procesu nielen na vývoj tykadiel, ale aj na nematogenézu v nich.
Najzaujímavejšou etapou bolo štúdium regeneračných schopností medúz. Vzhľadom na vysokú koncentráciu proliferatívnych buniek v cibuľke chápadla zrelej medúzy Cladonema, sa vedci rozhodli študovať regeneráciu chápadiel.
Obrázok č.5: vplyv proliferácie na regeneráciu chápadiel.
Po disekcii chápadiel na báze bol pozorovaný proces regenerácie (5A-5D). Počas prvých 24 hodín došlo k zahojeniu v oblasti rezu (5B). Na druhý deň pozorovania sa hrot začal predlžovať a objavili sa konáre (5S). Na piaty deň bolo chápadlo úplne rozvetvené (5D), preto regenerácia chápadiel môže nasledovať po normálnej morfogenéze chápadiel po predĺžení.
Na lepšie štúdium počiatočného štádia regenerácie vedci analyzovali distribúciu proliferujúcich buniek pomocou farbenia PH3 na vizualizáciu mitotických buniek.
Zatiaľ čo deliace sa bunky boli často pozorované v blízkosti amputovanej oblasti, mitotické bunky boli rozptýlené v nerozrezaných kontrolných cibuľkách chápadiel (5E и 5F).
Kvantifikácia PH3-pozitívnych buniek prítomných v cibuľkách chápadiel odhalila významný nárast PH3-pozitívnych buniek v cibuľkách chápadiel pacientov po amputácii v porovnaní s kontrolami (5G). Záverom možno povedať, že počiatočné regeneračné procesy sú sprevádzané aktívnym zvýšením bunkovej proliferácie v cibuľkách chápadiel.
Vplyv proliferácie na regeneráciu bol testovaný blokovaním buniek pomocou CH4N2O2 po odrezaní chápadla. V kontrolnej skupine došlo k predĺženiu chápadiel po amputácii normálne, ako sa očakávalo. Ale v skupine, na ktorú bol aplikovaný CH4N2O2, k predĺženiu nedošlo, napriek normálnemu hojeniu rán (5H). Inými slovami, k uzdraveniu dôjde v každom prípade, ale pre správnu regeneráciu chápadiel je nevyhnutné proliferácia.
Nakoniec sa vedci rozhodli študovať šírenie u iných druhov medúz, a to Cytaeis и Rathkea.
Obrázok č. 6: Porovnanie proliferácie u medúz Cytaeis (vľavo) a Rathkea (vpravo).
У Cytaeis medusa EdU-pozitívne bunky boli pozorované v manubriu, cibulkách chápadiel a hornej časti dáždnika (6А и 6V). Umiestnenie identifikovaných PH3-pozitívnych buniek v Cytaeis veľmi podobný Cladonemaexistujú však určité rozdiely (6C и 6D). Ale pri Rathkea EdU-pozitívne a PH3-pozitívne bunky sa našli takmer výlučne v oblasti manubria a cibuliek tykadiel (6E-6H).
Je tiež zvláštne, že proliferujúce bunky boli často detegované v obličkách medúz Rathkea (6E-6G), čo odráža asexuálny typ rozmnožovania tohto druhu.
Berúc do úvahy získané informácie, možno predpokladať, že k proliferácii buniek v cibuľkách chápadiel dochádza nielen u jedného druhu medúzy, aj keď existujú rozdiely v dôsledku rozdielov vo fyziológii a morfológii.
Pre podrobnejšie oboznámenie sa s nuansami štúdie odporúčam pozrieť .
Epilóg
Jednou z mojich obľúbených literárnych postáv je Hercule Poirot. Dômyselný detektív vždy venoval osobitnú pozornosť malým detailom, o ktorých si ostatní mysleli, že nie sú dôležité. Vedci sú ako detektívi, zhromažďujú všetky dôkazy, ktoré môžu nájsť, aby odpovedali na všetky otázky vyšetrovania a zistili „vinníka“.
Bez ohľadu na to, aké zrejmé to môže znieť, regenerácia buniek medúzy priamo súvisí s proliferáciou - integrálnym procesom vo vývoji buniek, tkanív a v dôsledku toho celého organizmu. Dôkladnejšie štúdium tohto komplexného procesu nám umožní lepšie pochopiť molekulárne mechanizmy, ktoré sú jeho základom, čo následne rozšíri nielen rozsah našich vedomostí, ale priamo ovplyvní aj naše životy.
Piatok mimo:
Pochod medúzy druhu Aurelia, vyrušený predátorom s nezvyčajným názvom „medúza smaženého vajíčka“, t.j. medúza zo smaženého vajíčka (Planet Earth, voice-over by David Attenborough).
Nie je to medúza, ale tento hlbokomorský tvor (pelikánovitý veľkoústy) nie je často fotografovaný (reakcia výskumníkov je jednoducho dojemná).
Ďakujeme za sledovanie, buďte zvedaví a prajeme všetkým pekný víkend! 🙂
Ďakujeme, že ste zostali s nami. Páčia sa vám naše články? Chcete vidieť viac zaujímavého obsahu? Podporte nás zadaním objednávky alebo odporučením priateľom, 30% zľava pre užívateľov Habr na unikátny analóg serverov základnej úrovne, ktorý sme pre vás vymysleli: (k dispozícii s RAID1 a RAID10, až 24 jadier a až 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2 krát lacnejší? Len tu v Holandsku! Dell R420 – 2x E5-2430 2.2 GHz 6C 128 GB DDR3 2 x 960 GB SSD 1 Gb/s 100 TB – od 99 USD! Čítať o
Zdroj: hab.com