Kaj imajo skupnega Wolverine, Deadpool in Jellyfish? Vsi imajo neverjetno lastnost - regeneracijo. Seveda je v stripih in filmih ta sposobnost, ki je pogosta pri izjemno omejenem številu resničnih živih organizmov, nekoliko (in včasih zelo) pretirana, vendar ostaja zelo resnična. In tisto, kar je resnično, je mogoče razložiti, kar so se odločili znanstveniki z univerze Tohoku (Japonska) v svoji novi študiji. Kateri celični procesi v telesu meduze so povezani z regeneracijo, kako ta proces poteka in katere druge supermoči imajo ta medu podobna bitja? O tem nam bo povedalo poročilo raziskovalne skupine. pojdi
Raziskovalna osnova
Najprej znanstveniki pojasnjujejo, zakaj so se odločili svojo pozornost usmeriti na meduze. Dejstvo je, da se večina raziskav na področju biologije izvaja s sodelovanjem tako imenovanih modelnih organizmov: miši, vinske mušice, črvi, ribe itd. Toda naš planet je dom milijonom vrst, od katerih ima vsaka eno ali drugo edinstveno sposobnost. Posledično je nemogoče v celoti ovrednotiti proces celične regeneracije s proučevanjem samo ene vrste in domnevati, da bo proučevani mehanizem skupen vsem bitjem na Zemlji.
Kar se tiče meduz, ta bitja že s svojim videzom govorijo o svoji edinstvenosti, kar ne more pritegniti pozornosti znanstvenikov. Zato sem se pred začetkom seciranja same raziskave srečal z njenim glavnim junakom.
Beseda "meduza", ki smo jo navajeni imenovati bitje kot tako, se dejansko nanaša le na stopnjo življenjskega cikla podtipa žarnjakov. medusozoa. Cnidarians so dobili tako nenavadno ime zaradi prisotnosti žarečih celic (cnidocytes) v njihovih telesih, ki se uporabljajo za lov in samoobrambo. Preprosto povedano, ko vas piči meduza, se lahko tem celicam zahvalite za bolečino in trpljenje.
Cnidocite vsebujejo cnidociste, znotrajcelične organele, ki so odgovorne za "pekoč" učinek. Glede na njihov videz in s tem način uporabe ločimo več vrst cnidocitov, med katerimi so:
- penetranti - niti s koničastimi konci, ki kot sulice prebadajo telo žrtve ali storilca in vbrizgajo nevrotoksin;
- glutinants - lepljive in dolge niti, ki ovijajo žrtev (ni najbolj prijeten objem);
- volventi so kratke niti, v katere se žrtev zlahka zaplete.
Tako nestandardno orožje je razloženo z dejstvom, da meduze, čeprav so graciozne, niso posebej spretna bitja. Nevrotoksin, ki vstopi v telo plena, ga takoj paralizira, kar meduzi daje veliko časa za odmor za kosilo.
Meduze po uspešnem lovu.
Meduze imajo poleg nenavadnega načina lova in obrambe zelo nenavadno razmnoževanje. Samci proizvajajo spermo, samice pa jajca, po zlitju katerih nastanejo planule (ličinke), ki se usedejo na dno. Čez nekaj časa iz ličinke zraste polip, iz katerega se, ko dozorijo, mlade meduze dobesedno odlomijo (pravzaprav pride do brstenja). Tako obstaja več stopenj življenjskega cikla, ena od njih je generacija meduz ali meduzoidov.
Dlakava cianea, znana tudi kot levja griva.
Če bi dlakavi cyanea vprašali, kako povečati učinkovitost lova, bi odgovorila - več lovk. Skupaj jih je približno 60 (skupine 15 lovk na vsakem vogalu kupole). Poleg tega se ta vrsta meduz šteje za največjo, saj lahko premer kupole doseže 2 metra, lovke pa se lahko med lovom raztegnejo do 20 metrov. Na srečo ta vrsta ni posebej "strupena" in zato ni usodna za ljudi.
Morska osa pa bi kvantiteti dodala kakovost. Ta vrsta meduze ima tudi 15 lovk (dolžine 3 m) na vsakem od štirih vogalov kupole, vendar je njihov strup mnogokrat močnejši od strupa velikega sorodnika. Menijo, da ima morska osa dovolj nevrotoksina, da v 60 minutah ubije 3 ljudi. Ta nevihta morja živi v obalnem območju severne Avstralije in Nove Zelandije. Po podatkih od leta 1884 do 1996 je v Avstraliji umrlo 63 ljudi, vendar so ti podatki morda netočni, število usodnih srečanj med ljudmi in morskimi osami pa je lahko veliko večje. Vendar pa je bilo po podatkih za leta 1991–2004 med 225 primeri le 8% žrtev hospitaliziranih, vključno z eno smrtjo (triletni otrok).
Morja osa
Zdaj pa se vrnimo k študiji, ki si jo ogledujemo danes.
Z vidika celic je najpomembnejši proces v celotnem življenju vsakega organizma celična proliferacija – proces rasti telesnih tkiv z razmnoževanjem celic z delitvijo. Med rastjo telesa ta proces uravnava povečanje telesne velikosti. In ko je telo popolnoma oblikovano, celice, ki se razmnožujejo, uravnavajo fiziološko izmenjavo celic in zamenjavo poškodovanih z novimi.
Cnidarians, kot sestrska skupina dvostrancev in zgodnjih metazoanov, se že vrsto let uporabljajo za preučevanje evolucijskih procesov. Zato žarnjaki niso nobena izjema glede širjenja. Na primer med embrionalnim razvojem morske vetrnice Nematostella vectensis celična proliferacija je usklajena z epitelno organizacijo in je vključena v razvoj lovk.
Nematostella vectensis
Med drugim so žarnjaki, kot že vemo, znani po svojih regenerativnih sposobnostih. Polipi Hydra (rod sladkovodnih sesilnih koelenteratov iz razreda hidroidov) že več sto let veljajo za najbolj priljubljene med raziskovalci. Proliferacija, ki jo aktivirajo odmirajoče celice, sproži proces regeneracije bazalne glave hidre. Samo ime tega bitja namiguje na mitsko bitje, znano po svoji regeneraciji - Lernejsko hidro, ki jo je Herkul uspel premagati.
Čeprav so bile regenerativne sposobnosti povezane s proliferacijo, ostaja nejasno, kako natančno poteka ta celični proces v normalnih pogojih na različnih stopnjah razvoja organizma.
Meduze, ki imajo zapleten življenjski cikel, sestavljen iz dveh stopenj razmnoževanja (vegetativne in spolne), so odličen model za proučevanje proliferacije.
V tem delu je vlogo glavne proučevane osebke odigrala meduza vrste Cladonema pacificum. Ta vrsta živi ob obali Japonske. Na začetku ima ta meduza 9 glavnih lovk, ki se med razvojem do odrasle osebe začnejo vejati in povečevati (kot celotno telo). Ta funkcija nam omogoča podrobno preučevanje vseh mehanizmov, ki so vključeni v ta proces.
Poleg Cladonema pacificum Študija je preučevala tudi druge vrste meduz: Cytaeis uchidae и Rathkea octopunctata.
Rezultati raziskav
Da bi razumeli prostorski vzorec celične proliferacije pri Cladonema medusa, so znanstveniki uporabili barvanje s 5-etinil-2'-deoksiuridinom (EdU), ki označuje celice v S-faza* ali celice, ki so jo že prestale.
S-faza* - faza celičnega cikla, v kateri pride do replikacije DNA.
Glede na to Cladonema močno poveča velikost in med razvojem kaže razvejanje lovk (1A -1C), se lahko porazdelitev proliferirajočih celic spreminja med zorenjem.
Slika št. 1: Značilnosti celične proliferacije pri mladici Cladonema.
Zaradi te lastnosti je bilo mogoče preučiti mehanizem celične proliferacije tako pri mladih (1. dan) kot pri spolno zrelih (45. dan) meduzah.
Pri mladih meduzah so bile EdU-pozitivne celice najdene v velikem številu po celem telesu, vključno s senčnikom, manubrijem (podporni organ ustne votline pri meduzah) in lovkami, ne glede na čas izpostavljenosti EdU (1D-1K и 1N-1O, EdU: 20 µM (mikromolarno) po 24 urah).
V manubriju so našli kar nekaj EdU pozitivnih celic (1F и 1G), v dežniku pa je bila njihova porazdelitev zelo enakomerna, zlasti v zunanji lupini dežnika (eksumbrella, 1H -1K). V lovkah so bile EdU-pozitivne celice zelo strnjene (1N). Z uporabo mitotskega markerja (protitelesa PH3) je bilo mogoče preveriti, ali so EdU-pozitivne celice proliferirajoče celice. PH3-pozitivne celice so bile najdene tako v dežniku kot v čebulici lovke (1L и 1P).
V lovkah so bile mitotične celice večinoma v ektodermu (1P), medtem ko so bile v dežniku proliferirajoče celice v površinski plasti (1M).
Slika št. 2: Značilnosti celične proliferacije pri zreli kladonemi.
Pri mladih in zrelih posameznikih so bile EdU-pozitivne celice najdene v velikem številu po vsem telesu. V senčnici so bile EdU-pozitivne celice pogosteje najdene v površinski plasti kot v spodnji plasti, kar je podobno opazovanju pri mladičih (2A -2D).
Toda v lovkah je bila situacija nekoliko drugačna. EdU-pozitivne celice so se nakopičile na dnu lovke (bulbusa), kjer sta bila najdena dva grozda na obeh straneh čebulice (2E и 2F). Podobna kopičenja so opazili tudi pri mladih posameznikih (1N), tj. čebulice lovk so lahko glavno območje proliferacije v celotni medusoidni fazi. Zanimivo je, da je bilo v manubriju odraslih osebkov število EdU-pozitivnih celic bistveno večje kot pri mladičih (2G и 2H).
Vmesni rezultat je, da lahko pride do celične proliferacije enakomerno v dežniku meduze, v lovkah pa je ta proces zelo lokaliziran. Zato lahko domnevamo, da lahko enakomerna celična proliferacija nadzoruje rast telesa in homeostazo tkiva, vendar so grozdi proliferirajočih celic v bližini čebulic lovk vključeni v morfogenezo lovk.
Kar zadeva sam razvoj telesa, ima proliferacija pomembno vlogo pri rasti telesa.
Slika #3: Pomen proliferacije v procesu telesne rasti meduze.
Da bi to preizkusili v praksi, so znanstveniki spremljali telesno rast meduz, začenši z mladimi posamezniki. Velikost telesa meduze je najlažje določiti po njeni kupoli, saj raste enakomerno in premosorazmerno s celotnim telesom.
Pri normalnem hranjenju v laboratorijskih pogojih se velikost kupole v prvih 54.8 urah močno poveča za 24% - z 0.62 ± 0.02 mm2 na 0.96 ± 0.02 mm2. V naslednjih 5 dneh opazovanj se je velikost počasi in gladko povečala na 0.98 ± 0.03 mm2 (3А -3S).
Meduze iz druge skupine, ki so bile prikrajšane za hrano, niso rasle, ampak se skrčile (rdeča črta na grafu 3S). Celična analiza sestradanih meduz je pokazala prisotnost izjemno majhnega števila EdU celic: 1240.6 ± 214.3 pri meduzah iz kontrolne skupine in 433.6 ± 133 pri sestradanih (3D -3H). Ta ugotovitev je lahko neposreden dokaz, da prehrana neposredno vpliva na proces širjenja.
Da bi preizkusili to hipotezo, so znanstveniki izvedli farmakološki test, v katerem so blokirali napredovanje celičnega cikla z uporabo hidroksisečnine (CH4N2O2), inhibitorja celičnega cikla, ki povzroči zaustavitev G1. Zaradi tega posega so celice S-faze, ki so bile predhodno odkrite z uporabo EdU, izginile (3I -3L). Tako meduze, ki so bile izpostavljene CH4N2O2, niso pokazale telesne rasti, za razliko od kontrolne skupine (3M).
Naslednja stopnja študije je bila podrobna študija razvejanih lovk meduz, da bi potrdili domnevo, da lokalna proliferacija celic v lovkah prispeva k njihovi morfogenezi.
Slika št. 4: vpliv lokalne proliferacije na rast in razvejanje lovk meduz.
Lovke mlade meduze imajo eno vejo, vendar se sčasoma njihovo število poveča. V laboratorijskih pogojih se je razvejanje povečalo 3-krat deveti dan opazovanja (4А и 4S).
Tudi pri uporabi CH4N2O2 ni bilo opaziti razvejanja lovk, ampak samo eno vejo (4B и 4C). Zanimivo je, da je odstranitev CH4N2O2 iz telesa meduz obnovila proces razvejanja lovk, kar kaže na reverzibilnost posega zdravila. Ta opažanja jasno kažejo na pomen širjenja za razvoj lovk.
Cnidarians ne bi bili cnidarians brez nematocitov (cnidocytes, t.j. žarnjakov). Pri meduzah vrste Clytia hemisphaerica izvorne celice v čebulicah lovk oskrbujejo nematociste na konicah lovk prav zaradi celične proliferacije. Seveda so se znanstveniki odločili preizkusiti tudi to trditev.
Za odkrivanje kakršne koli povezave med nematocistami in proliferacijo je bilo uporabljeno barvilo za jedrsko obarvanje, ki lahko označi poli-γ-glutamat, sintetiziran v steni nematociste (DAPI, tj. 4',6-diamidino-2-fenilindol).
Barvanje s poli-γ-glutamatom nam je omogočilo oceno velikosti nematocitov v razponu od 2 do 110 μm2 (4D -4G). Identificiranih je bilo tudi nekaj praznih ogorčic, to je, da so bile takšne ogorčice izčrpane (4D -4G).
Aktivnost proliferacije v lovkah meduz je bila testirana s proučevanjem praznin v nematocitih po blokadi celičnega cikla s CH4N2O2. Delež praznih nematocitov v meduzah po posegu z zdravili je bil večji kot v kontrolni skupini: 11.4 % ± 2.0 % pri meduzah iz kontrolne skupine in 19.7 % ± 2.0 % pri meduzah s CH4N2O2 (4D -4G и 4H). Posledično se nematociti tudi po izčrpanju še naprej aktivno oskrbujejo s proliferacijskimi matičnimi celicami, kar potrjuje vpliv tega procesa ne le na razvoj lovk, temveč tudi na nematogenezo v njih.
Najbolj zanimiva faza je bila študija regenerativnih sposobnosti meduz. Glede na visoko koncentracijo proliferativnih celic v čebulici lovke zrelih meduz Cladonema, so se znanstveniki odločili preučiti regeneracijo lovk.
Slika št. 5: učinek proliferacije na regeneracijo lovk.
Po disekciji lovk na dnu so opazili proces regeneracije (5A-5D). V prvih 24 urah je na območju reza prišlo do celjenja (5B). Drugi dan opazovanja se je konica začela podaljševati in pojavile so se veje (5S). Peti dan je bila lovka popolnoma razvejana (5D), zato lahko regeneracija lovke sledi normalni morfogenezi lovke po podaljšanju.
Da bi bolje preučili začetno stopnjo regeneracije, so znanstveniki analizirali porazdelitev proliferirajočih celic z uporabo obarvanja PH3 za vizualizacijo mitotičnih celic.
Medtem ko so bile deleče celice pogosto opažene v bližini amputiranega območja, so bile mitotične celice razpršene v neobrezanih kontrolnih čebulicah z lovkami (5E и 5F).
Kvantifikacija PH3-pozitivnih celic, prisotnih v čebulicah lovk, je pokazala znatno povečanje PH3-pozitivnih celic v čebulicah lovk amputirancev v primerjavi s kontrolami (5G). Skratka, začetne regenerativne procese spremlja aktivno povečanje celične proliferacije v čebulicah lovk.
Učinek proliferacije na regeneracijo smo testirali z blokiranjem celic s CH4N2O2 po odrezovanju lovke. V kontrolni skupini je do podaljšanja lovk po amputaciji prišlo normalno, kot je bilo pričakovano. Toda v skupini, na kateri je bil nanesen CH4N2O2, kljub normalnemu celjenju ran ni prišlo do podaljšanja (5H). Z drugimi besedami, v vsakem primeru bo prišlo do celjenja, vendar je proliferacija potrebna za pravilno regeneracijo lovk.
Nazadnje so se znanstveniki odločili proučiti širjenje pri drugih vrstah meduz, namreč Cytaeis и Rathkea.
Slika #6: Primerjava proliferacije meduz Cytaeis (levo) in Rathkea (desno).
У Cytaeis Medusa EdU-pozitivne celice so opazili v manubriju, čebulicah lovk in zgornjem delu dežnika (6А и 6V). Lokacija identificiranih PH3-pozitivnih celic v Cytaeis zelo podoben Cladonemavendar je nekaj razlik (6C и 6D). Toda pri Rathkea EdU-pozitivne in PH3-pozitivne celice so bile najdene skoraj izključno v predelu čebulic manubrija in lovk (6E -6H).
Zanimivo je tudi, da so proliferirajoče celice pogosto odkrili v ledvicah meduz Rathkea (6E -6G), kar odraža nespolno vrsto razmnoževanja te vrste.
Ob upoštevanju pridobljenih informacij lahko domnevamo, da se celična proliferacija pojavlja v čebulicah lovk ne le pri eni vrsti meduz, čeprav obstajajo razlike zaradi razlik v fiziologiji in morfologiji.
Za podrobnejšo seznanitev z odtenki študije priporočam ogled .
Epilog
Eden mojih najljubših literarnih likov je Hercule Poirot. Pronicljivi detektiv je vedno posvečal posebno pozornost majhnim podrobnostim, ki so se drugim zdele nepomembne. Znanstveniki so podobni detektivom, saj zbirajo vse dokaze, ki jih lahko najdejo, da odgovorijo na vsa vprašanja preiskave in ugotovijo "krivca".
Ne glede na to, kako očitno se sliši, je regeneracija celic meduz neposredno povezana s proliferacijo - sestavnim procesom v razvoju celic, tkiv in posledično celotnega organizma. Poglobljena študija tega celovitega procesa nam bo omogočila boljše razumevanje molekularnih mehanizmov, ki so v njegovi osnovi, kar bo posledično razširilo ne le obseg našega znanja, temveč tudi neposredno vplivalo na naša življenja.
petek off-top:
Pohod meduz vrste Aurelia, ki jih vznemirja plenilec z nenavadnim imenom “ocvrta jajčna meduza”, tj. ocvrta jajčna meduza (Planet Zemlja, glas preko Davida Attenborougha).
Ne gre za meduzo, a to globokomorsko bitje (velikousti pelikanu) ni pogosto fotografirano (reakcija raziskovalcev je preprosto ganljiva).
Hvala za branje, ostanite radovedni in lep vikend fantje! 🙂
Hvala, ker ste ostali z nami. So vam všeč naši članki? Želite videti več zanimivih vsebin? Podprite nas tako, da oddate naročilo ali priporočite prijateljem, 30% popust za uporabnike Habr na edinstvenem analogu začetnih strežnikov, ki smo ga izumili za vas: (na voljo z RAID1 in RAID10, do 24 jeder in do 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2-krat cenejši? Samo tukaj na Nizozemskem! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2 Ghz 6C 128 GB DDR3 2x960 GB SSD 1 Gbps 100 TB - od 99 $! Preberite o
Vir: www.habr.com