Det vil gro før bryllupet: celleproliferasjon og regenerativ kapasitet hos maneter

Vad har Wolverine, Deadpool och maneter gemensamt? Alla har de en extraordinär egenskap - regenerering. Visst, i serier och filmer är denna förmåga, som är vanlig bland ett mycket begränsat antal verkliga levande organismer, något överdriven (ibland kraftigt), men den är fortfarande helt verklig. Det som är verkligt kan förklaras, och det var vad forskarna från Tohoku-universitetet (Japan) bestämde sig för att göra i sin nya studie. Vilka cellprocesser i manetens kropp är kopplade till regenerering, hur går denna process till, och vilka andra superkrafter har dessa geléartade varelser? Det kommer forskargruppen att berätta om. Låt oss börja.

Forskningsgrund

Först förklarar forskarna varför de valt att fokusera på just maneter. Anledningen är att de flesta studier inom biologi genomförs med så kallade modellorganismer: möss, fruktflugor, maskar, fiskar, osv. Men på vår planet finns miljontals arter, var och en med sina egna unika förmågor. Därför går det inte att fullt ut värdera cellregenereringsprocessen genom att studera endast en art och förutsätta att den mekanismen är gemensam för alla varelser på jorden.

Vad gäller maneter så ger dessa varelser med sitt utseende ett tydligt tecken på sin unikhet, vilket är svårt att ignorera för forskarna. Därför, innan man påbörjar själva dissektionen av forskningen, lärde jag känna dess huvudkaraktär.

Ordet "manet", som vi är vana vid att kalla varelser som sådana, syftar faktiskt bara på en livsstadium av en nässeldjur av underklassen Medusozoa. Nässeldjuren fick sitt ovanliga namn på grund av närvaron av nässelceller (cnidocyter) i deras kroppar, vilka används för jakt och självförsvar. Enkelt uttryckt, när du blir stucken av en manet kan du tacka just dessa celler för smärtan och lidandet.

Cnidocyter innehåller cnidocyst - en intracellulär organell som ansvarar för den "stickande" effekten. Beroende på deras utseende och därmed metodiken för tillämpning finns det flera typer av cnidocyter, bland vilka utmärkande exempel är:

• Penetranter är trådar med spetsiga ändar som tränger in i kroppen på bytet eller angriparen, likt spjut, och injicerar en neurotoxin.
• Glutinerande är klibbiga och långa trådar som omger bytet (inte direkt de mest behagliga kramarna).
• Volventer är korta trådar där bytet lätt kan bli fångat.

Denna ovanliga beväpning förklaras av att maneter, även om de är graciösa, inte är särskilt snabba varelser. Neurotoxinet som kommer in i bytet förlamar det omedelbart, vilket ger maneten gott om tid för en lunchrast.

Maneten efter en lyckad jakt.

Förutom den ovanliga metoden för jakt och försvar har maneter en mycket ovanlig reproduktion. Hanarna producerar spermier medan honorna producerar äggceller, vars sammanslagning formar planuler (larver) som sätter sig på havsbotten. Efter en tid växer larven till en polyps, från vilken, när den når sin mognad, bokstavligen avknoppas unga maneter (det sker faktiskt en avknoppning). På så sätt finns det flera stadier i livscykeln, varav en är medusan eller medusoidegenerationen.

Håriga cyanea, också känd som "lejonman."

Om den håriga cyanean skulle tillfrågas hur man ökar jakteffektiviteten skulle den svara — fler tentakler. Sammanlagt har de cirka 60 (kluster av 15 tentakler i varje hörn av kupolen). Dessutom anses denna art av maneter vara den största, då kupolens diameter kan nå upp till 2 meter, och tentaklerna under jakten kan sträckas upp till 20 meter. Som tur är är denna art inte särskilt "giftig", så den är inte dödlig för människor.

Havssmedizin, å sin sida, skulle också lägga till kvalitet till mängden. Denna art av maneter har också 15 tentakler (3 m långa) på varje av de fyra hörnen av kupolen, men deras gift är mycket starkare än det hos den mer voluminösa släktingen. Det sägs att neurotoxinet i havssmedins kropp är tillräckligt för att döda 60 människor på 3 minuter. Detta skräkskapare av haven finns i kustområdena i norra Australien och Nya Zeeland. Enligt data från perioden 1884 till 1996 dog 63 människor i Australien, men dessa data kan vara ofullständiga, och antalet dödliga möten mellan människa och havssmedin kan vara mycket större. Men enligt data från 1991-2004, bland 225 fall, var endast 8% av de drabbade inlagda på sjukhus, varav det fanns en dödsfall (ett treårigt barn).

Havssmedin

Och nu vänder vi tillbaka till den studie vi diskuterar idag.

Ur cellernas perspektiv är den mest viktiga processen i varje organisms liv cellproliferation — processen för kroppens vävnadtillväxt genom cellernas delning. Under tillväxten av organismen reglerar denna process ökning av kroppens storlek. När organismen är helt formad, reglerar de prolifererande cellerna den fysiologiska cellutbytet och ersätter skadade med nya.

Hydroider, som en släktgrupp av bilaterala och tidiga utvecklingsgrenar av flercelliga organismer, har använts för att studera evolutionära processer i många år. Därför är hydroider inget undantag vad gäller proliferation. Till exempel, under embryonal utveckling av sjöanemonen Nematostella vectensis koordineras cellproliferationen med organisationen av epitelet och deltar i utvecklingen av tentakler.

Nematostella vectensis

Dessutom är hydroider, som vi redan vet, kända för sina regenerativa förmågor. De mest populära bland forskarna i hundratals år har varit hydrapolypen (en släkt av sötvattensanka som tillhör klassen hydroider). Proliferationen, som aktiveras av döende celler, startar regenereringsprocessen av hydras basala huvud. Själva namnet på denna varelse antyder ett mytiskt skapelse, känd för sin regeneration — Lernaeiska hydran, som Herakles lyckades besegra.

Även om de regenerativa förmågorna har kopplats till proliferation, är det fortfarande oklart hur denna cellulära process fungerar under normala förhållanden vid olika utvecklingsstadier av organismen.

Maneter med en komplex livscykel, bestående av två reproduktionsstadier (vegetativt och sexuellt), utgör en utmärkt modell för studiet av proliferation.

I denna studie spelade manetarten Cladonema pacificum huvudrollen som den undersökta arten. Denna art finns vid kusten av Japan. Ursprungligen har denna medusa 9 huvudtentakler som börjar förgrena sig och öka i storlek (liksom hela kroppen) under utvecklingen till en vuxen individ. Denna egenskap möjliggör en detaljerad studie av alla mekanismer som är involverade i denna process.

Dessutom Cladonema pacificum i undersökningen beaktades även andra manetarter: Cytaeis uchidae och Rathkea octopunctata.

Forskningsresultat

För att förstå den rumsliga mönstret av cellproliferation i Cladonema medusan, använde forskarna märkningsmetoden 5-ethynyl-2'-deoxyruridin (EdU), som markerar celler i S-fasen* eller celler som redan har passerat den.

S-fasen* — en fas i cellcykeln där DNA-replikation äger rum.

Med tanke på att Cladonema ökar snabbt i storlek och visar förgrening av tentakler under utvecklingen (1A—1C), kan fördelningen av prolifererande celler förändras under hela mognadsprocessen.

Bild №1: egenskaper av cellproliferation hos unga Cladonema.

Tack vare denna egenskap kunde mekanismen för cellproliferation studeras både hos unga (dag 1) och könsmogna (dag 45) maneter.

Hos unga maneter upptäcktes EdU-positiva celler i stort antal i hela kroppen, inklusive kupan, manubrium (stödorganet för munhålan hos maneter) och tentakler, oavsett tidpunkten för EdU-exponering (1D–1K och 1N–1O, EdU: 20 µM (mikromolar) efter 24 timmar).

I manubrium hittades relativt få EdU-positiva celler (1F och 1G), medan fördelningen av dessa i kupan var mycket jämn, särskilt i den yttre strukturen av kupan (exumbrella, 1H—1K). I tentaklerna var EdU-positiva celler starkt klusterade (1N). Användningen av mitotisk markör (antikropp PH3) gjorde det möjligt att bekräfta att EdU-positiva celler faktiskt är prolifererande celler. PH3-positiva celler upptäcktes både i paraplyet och i lökdelen av tentakeln (1L och 1P).

I tentaklerna upptäcktes mitotiska celler främst i ektodermet (1P), medan prolifererande celler i paraplyet var belägna i det ytliga skiktet (1M).

Bild №2: egenskaper av cellproliferation hos könsmogna Cladonema.

Precis som hos unga individer var det många EdU-positiva celler som upptäcktes i hela kroppen. I paraplyet fanns EdU-positiva celler oftare i det ytliga skiktet än i det nedre, vilket är i linje med observationerna hos unga individer (2A—2D).

Men situationen var något annorlunda i tentaklerna. EdU-positiva celler samlades vid basen av tentakeln (löken), där två kluster upptäcktes på båda sidor av löken (2E och 2F). Hos unga individer observerades också liknande ansamlingar (1N), dvs. lökarna av tentaklerna kan vara det huvudsakliga området för proliferation under hela medusoiden. Intressant nog var antalet EdU-positiva celler i manubrium hos vuxna betydligt fler än hos unga (2G och 2H).

Sammanfattningen är att cellproliferation kan ske jämt i medusans paraply, medan denna process i tentaklerna är mycket lokaliserad. Därför kan man anta att jämn cellproliferation kan kontrollera kroppstillväxt och vävnadshomeostas, medan ansamlingarna av prolifererande celler vid tentakellökarna deltar i tentaklarnas morfogenes.

När det gäller kroppens utveckling som sådan spelar proliferation en viktig roll för kroppstillväxt.

Bild №3: betydelsen av proliferation i processen av kroppstillväxt hos medusa.

För att testa detta i praktiken följde forskarna medusans kroppstillväxt, utgående från unga individer. Att mäta medusans kroppsstorlek är enklast att göra genom dess kupol, eftersom den växer jämnt och direkt proportionellt till hela kroppen.

Vid normal fodring under laborationsförhållanden ökar kupolens storlek kraftigt med 54,8% under de första 24 timmarna — från 0,62 ± 0,02 mm² till 0,96 ± 0,02 mm². Under de följande 5 dagarna av observation ökade storleken långsamt och jämnt till 0,98 ± 0,03 mm² (3A—3C).

Maneter från en annan grupp, som inte fått mat, växte inte utan minskade (den röda linjen i grafen 3C). Cellanalysen av de svältande maneterna visade närvaron av ett extremt lågt antal EdU-celler: 1240,6 ± 214,3 för maneter i kontrollgruppen och 433,6 ± 133 för svältande (3D—3H). Denna observation kan vara ett direkt bevis på att näring direkt påverkar proliferationsprocessen.

För att testa denna hypotes genomförde forskarna en farmakologisk analys där de blockerade framsteg i cellcykeln med hjälp av hydroxikarbamid (CH4N2O2) — en cellcykelinhibitor som orsakar stopp i G1. Som en följd av denna intervention försvann S-fas-cellerna som tidigare upptäcktes med hjälp av EdU (3I—3L). Därmed visade maneter som utsattes för CH4N2O2 ingen kroppstillväxt, till skillnad från kontrollgruppen (3M).

Nästa steg i forskningen var en detaljerad studie av maneternas grenade tentakler för att bekräfta antagandet att lokal cellproliferation i tentaklerna bidrar till deras morfogenes.

Bild nr 4: påverkan av lokal cellproliferation på tillväxt och förgrening av maneternas tentakler.

Tentaklerna hos en ung manet har en gren, men med tiden ökar antalet. Under laboratorieförhållanden ökade förgreningarna tre gånger på den nionde observationsdagen (4A och 4C).

). Återigen, med användning av CH4N2O2 observerades ingen förgrening av tentaklerna, utan bara en gren (4B och 4C). Intressant nog återställdes processen för tentakelförgreningar när CH4N2O2 togs bort från maneternas kropp, vilket indikerar att den farmakologiska interventionen är reversibel. Dessa observationer indikerar tydligt vikten av proliferation för tillväxten av tentakler.

Nässelmedlemmar skulle inte vara nässelmedlemmar utan nematocyster (knydocyt, dvs. nässelceller). Hos maneten Clytia hemisphaerica förser stamceller i tentaklarnas lökar nematocyster till spetsarna på tentaklerna just genom cellproliferation. Naturligtvis beslutade forskarna att även kontrollera detta påstående.

För att upptäcka någon koppling mellan nematocyster och proliferation användes ett kärnfärgämne som kan markera poly-γ-glutamat, som syntetiseras i väggen av nematocysten (DAPI, dvs. 4’,6-diamidino-2-fenylindol).

Färgning av poly-γ-glutamat möjliggjorde bedömningen av storleken på nematocystor, som varierar från 2 till 110 µm² (4D—4G). Det upptäcktes också ett visst antal tomma nematocystor, vilket innebär att sådana nematocyter var uttömda (4D—4G).

Proliferationsaktiviteten i maneterna testades genom att studera tomrummen i nematocystorna efter blockering av cellcykeln genom CH4N2O2. Andelen tomma nematocystor hos maneterna efter medicinsk intervention var högre än hos kontrollgruppen: 11,4 % ± 2,0 % hos maneter från kontrollgruppen och 19,7 % ± 2,0 % hos maneter med CH4N2O2 (4D—4G och 4H). Därmed fortsätter nematocyterna att aktivt tillföras med stamceller som prolifererar även efter uttömning, vilket bekräftar påverkan av denna process inte bara på utvecklingen av tentakler utan även på nematogenes i dem.

Det mest intressanta var dock fasen av undersökningen av maneternas regenerativa förmåga. Med hänsyn till den höga koncentrationen av proliferativa celler i tentakelhårsäcken hos mogna maneter Cladonema, beslutade forskarna att studera regenereringen av just tentaklar.

Bild Nr 5: påverkan av proliferation på regenereringen av tentaklar.

Efter dissektion av tentaklarna vid basen observerades en regenereringsprocess (5A–5D). Under de första 24 timmarna skedde läkning i skärningsområdet (5B). På den andra observationsdagen började toppen förlängas och grenar dök upp (5С). På den femte dagen var tentakeln helt förgrenad (5D), därmed kan regenereringen av tentakeln följa den normala morfogenesen av tentakeln efter förlängning.

För att bättre undersöka det inledande stadiet av regenerering analyserade forskarna distributionen av prolifererande celler med hjälp av PH3-färgning för att visualisera mitotiska celler.

Medan delande celler ofta observerades nära den amputerade zonen, var mitotiska celler spridda i de oskurna kontrollsäcken med tentaklar (5E och 5F).

). En kvantitativ bedömning av PH3-positiva celler i tentakelhåsen visade en signifikant ökning av PH3-positiva celler i tentakelhåsen hos individer med amputerade extremiteter jämfört med kontrollgruppen (5G). Som slutsats åtföljs de initiala regenerativa processerna av en aktiv ökning av cellproliferationen i tentakelhåsen.

Att undersöka påverkan av proliferation på regeneration möjliggjordes genom blockering av celler med CH4N2O2 efter avskärning av tentakel. I kontrollgruppen förekom förväntad förlängning av tentakeln efter amputation, precis som förväntat. Men i gruppen som behandlades med CH4N2O2 skedde ingen förlängning, trots normal sårläkning (5H). Med andra ord kommer läkning att ske oavsett, men för korrekt regeneration av tentakeln är proliferation nödvändig.

Till sist bestämde sig forskarna för att studera proliferation hos andra arter av maneter, nämligen hos Cytaeis och Rathkea.

Bild nr 6: jämförelse av proliferation hos maneter av arten Cytaeis (till vänster) och Rathkea (till höger).

Hos Cytaeis medusa observerades EdU-positiva celler i manubrium, tentakelbulber och i den övre delen av kappen (6A och 6B). Placeringen av de identifierade PH3-positiva cellerna hos Cytaeis är mycket lik Cladonema, men det finns vissa skillnader (6C och 6D). Hos Rathkea upptäcktes EdU-positiva och PH3-positiva celler nästan uteslutande i området för manubrium och tentakelbulber (6E—6H).

Det är också intressant att prolifererande celler ofta identifierades i könsparas av medusan Rathkea (6E—6G), vilket reflekterar den könlösa reproduktionstypen av denna art.

Med hänsyn till den information som erhållits kan man anta att cellproliferation sker i tentakelbulberna långt ifrån bara en art av maneter, även om det finns skillnader baserade på fysiologi och morfologi.

För en mer detaljerad förståelse av forskningsdetaljerna rekommenderar jag att du tittar in i forskares rapport.

Epilog

En av mina favoritlitterära karaktärer är Hercule Poirot. Den skarpsynte detektiven fokuserade alltid på små detaljer som andra ansåg oviktiga. Forskare påminner mycket om detektiver som samlar alla ledtrådar som går att finna för att svara på alla frågor i utredningen och spåra 'den skyldige'.

Hur uppenbart det än kan låta är regenereringen av maneternas celler direkt kopplad till proliferation - en oundviklig process i utvecklingen av celler, vävnader och, som följd, hela organismen. En noggrannare studie av denna omfattande process kommer att möjliggöra en bättre förståelse av de molekylära mekanismerna som ligger till grund för den, vilket i sin tur kommer att påverka inte bara vår kunskap utan även direkt påverka våra liv.

Fredags-off-topic:

Tack för er uppmärksamhet, förbli nyfikna och ha en fantastisk helg, grabbar! 🙂

Tack för att ni stannar kvar hos oss. Gillar ni våra artiklar? Vill ni se fler intressanta material? Stöd oss genom att göra en beställning eller rekommendera oss till era vänner, 30% rabatt för Habr-användare på vårt unika alternativ till entry-level servrar, som vi har designat för er: Allt om VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 kärnor) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps från $20, eller hur man korrekt delar upp en server? (alternativ med RAID1 och RAID10 finns tillgängliga, upp till 24 kärnor och upp till 40GB DDR4).

Dell R730xd till halva priset? Bara hos oss 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100TB från $199 i Nederländerna! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — från $99! Läs om Hur man bygger en företagsinfrastruktur med Dell R730xd E5-2650 v4-servrar som kostar 9000 euro för en bråkdel?

Källa: habr.com