Vad har Wolverine, Deadpool och Jellyfish gemensamt? Alla har en fantastisk funktion - regenerering. Naturligtvis, i serier och filmer är denna förmåga, vanlig bland ett extremt begränsat antal verkliga levande organismer, något (och ibland kraftigt) överdriven, men den förblir väldigt verklig. Och vad som är verkligt kan förklaras, vilket är vad forskare från Tohoku University (Japan) bestämde sig för att göra i sin nya studie. Vilka cellulära processer i kroppen på en manet är förknippade med regenerering, hur fortgår denna process och vilka andra superkrafter har dessa geléliknande varelser? Forskningsgruppens rapport kommer att berätta om detta. Gå.
Forskningsunderlag
Först och främst förklarar forskare varför de bestämde sig för att fokusera sin uppmärksamhet på maneter. Faktum är att den mesta forskningen inom biologin utförs med deltagande av så kallade modellorganismer: möss, fruktflugor, maskar, fiskar etc. Men vår planet är hem för miljontals arter, som var och en har en eller annan unik förmåga. Följaktligen är det omöjligt att helt utvärdera processen för cellulär regenerering genom att studera endast en art, och anta att den studerade mekanismen kommer att vara gemensam för alla varelser på jorden.
När det gäller maneter talar dessa varelser, genom sitt utseende, om sin unika karaktär, som inte kan annat än att dra till sig forskarnas uppmärksamhet. Därför, innan jag började dissektionen av själva forskningen, träffade jag dess huvudperson.
Ordet "manet", som vi är vana vid att kalla varelsen som sådan, hänvisar faktiskt bara till stadiet av livscykeln för den cnidarian subtypen medusozoa. Cnidarians fick ett så ovanligt namn på grund av närvaron av stickande celler (cnidocyter) i deras kroppar, som används för jakt och självförsvar. Enkelt uttryckt, när du blir stucken av en manet kan du tacka dessa celler för smärtan och lidandet.
Cnidocyter innehåller cnidocyster, en intracellulär organell som ansvarar för den "stickande" effekten. Beroende på deras utseende och följaktligen appliceringsmetod urskiljs flera typer av cnidocyter, bland vilka är:
- penetranter - trådar med spetsiga ändar som genomborrar offrets eller gärningsmannens kropp som spjut, injicerar ett neurotoxin;
- glutinanter - klibbiga och långa trådar som omsluter offret (inte den mest trevliga kramen);
- volvents är korta trådar där offret lätt kan trassla in sig.
Sådana icke-standardiserade vapen förklaras av det faktum att maneter, även om de är graciösa, inte är särskilt kvicka varelser. Neurotoxinet som kommer in i byteskroppen förlamar det omedelbart, vilket ger maneterna mycket tid för en lunchrast.
Maneter efter en lyckad jakt.
Förutom deras ovanliga jakt- och försvarsmetod har maneter mycket ovanlig reproduktion. Hanar producerar spermier och honor producerar ägg, efter sammansmältningen av vilka planulae (larver) bildas, som sätter sig på botten. Efter ett tag växer en polyp från larven, från vilken unga maneter bokstavligen bryter av när de når mognad (i själva verket sker knoppning). Det finns alltså flera stadier av livscykeln, varav en är manet- eller medusoidgenerationen.
Hårig cyanea, även känd som lejonman.
Om den håriga cyanean tillfrågades hur man kan öka effektiviteten i jakten, skulle den svara - fler tentakler. Det finns cirka 60 av dem totalt (kluster med 15 tentakler i varje hörn av kupolen). Dessutom anses denna typ av maneter vara den största, eftersom kupolens diameter kan nå 2 meter, och tentaklerna kan sträcka sig upp till 20 meter under jakt. Lyckligtvis är denna art inte särskilt "giftig" och därför inte dödlig för människor.
Havsgetingen skulle i sin tur lägga till kvalitet till kvantitet. Den här typen av maneter har också 15 tentakler (3 m långa) på vart och ett av de fyra hörnen av kupolen, men deras gift är många gånger starkare än dess stora släkting. Man tror att havsgetingen har tillräckligt med nervgift för att döda 60 personer på 3 minuter. Detta åskväder av haven lever i kustzonen i norra Australien och Nya Zeeland. Enligt uppgifter från 1884 till 1996 dog 63 personer i Australien, men dessa uppgifter kan vara felaktiga, och antalet dödliga möten mellan människor och havsgetingar kan vara mycket högre. Men enligt uppgifter för 1991-2004, bland 225 fall, var endast 8 % av offren inlagda på sjukhus, inklusive ett dödsfall (ett tre år gammalt barn).
Havsvete
Låt oss nu gå tillbaka till studien vi tittar på idag.
Ur cellers synvinkel är den viktigaste processen i hela livet för någon organism cellproliferation - processen för tillväxt av kroppsvävnader genom cellreproduktion genom delning. Under kroppens tillväxt reglerar denna process ökningen av kroppsstorleken. Och när kroppen är helt bildad reglerar de prolifererande cellerna det fysiologiska utbytet av celler och ersättandet av skadade med nya.
Cnidarians, som en systergrupp av bilaterianer och tidiga metazoaner, har använts för att studera evolutionära processer i många år. Därför är cnidarians inget undantag när det gäller spridning. Till exempel under den embryonala utvecklingen av havsanemonen Nematostella vectensis cellproliferation koordineras med epitelial organisation och är involverad i tentakelutveckling.
Nematostella vectensis
Bland annat är cnidarians, som vi redan vet, kända för sina regenerativa förmågor. Hydrapolyper (ett släkte av fastsittande kolenterater i sötvatten från hydroidklassen) har ansetts vara den mest populära bland forskare i hundratals år. Proliferation, aktiverad av döende celler, utlöser processen för regenerering av hydras basala huvud. Själva namnet på denna varelse anspelar på en mytisk varelse känd för sin förnyelse - Lernaean Hydra, som Hercules kunde besegra.
Även om regenerativa förmågor har kopplats till spridning, är det fortfarande oklart exakt hur denna cellulära process sker under normala förhållanden vid olika stadier av organismens utveckling.
Maneter, som har en komplex livscykel som består av två stadier av reproduktion (vegetativ och sexuell), fungerar som en utmärkt modell för att studera spridning.
I detta arbete spelades rollen som den huvudsakliga studerade individen av maneter av arten Cladonema pacificum. Denna art lever utanför Japans kust. Inledningsvis har denna manet 9 huvudsakliga tentakler, som börjar förgrena sig och öka i storlek (som hela kroppen) under utvecklingen till en vuxen. Denna funktion låter oss studera i detalj alla mekanismer som är involverade i denna process.
Dessutom Cladonema pacificum Studien tittade också på andra typer av maneter: Cytaeis uchidae и Rathkea octopunctata.
Forskningsresultat
För att förstå det rumsliga mönstret av cellproliferation i Cladonema medusa använde forskarna 5-etynyl-2'-deoxiuridin (EdU) färgning, som märker celler i S-fas* eller celler som redan har passerat det.
S-fas* - den fas i cellcykeln i vilken DNA-replikation sker.
Med tanke på det Cladonema ökar dramatiskt i storlek och uppvisar tentakelförgrening under utveckling (1A-1C), kan fördelningen av prolifererande celler förändras under mognad.
Bild nr 1: egenskaper hos cellproliferation hos unga Cladonema.
På grund av denna funktion var det möjligt att studera mekanismen för cellproliferation hos både unga (dag 1) och könsmogna (dag 45) maneter.
Hos unga maneter hittades EdU-positiva celler i stort antal i hela kroppen, inklusive skärmbilden, manubrium (det stödjande organet i munhålan hos maneter) och tentakler, oavsett tidpunkten för exponeringen av EdU (1D-1K и 1N-1O, EdU: 20 µM (mikromolär) efter 24 timmar).
Ganska många EdU-positiva celler hittades i manubrium (1F и 1G), men i paraplyet var deras fördelning mycket enhetlig, särskilt i det yttre skalet av paraplyet (exumply, 1H-1K). I tentaklerna var EdU-positiva celler mycket klustrade (1N). Användningen av en mitotisk markör (PH3-antikropp) gjorde det möjligt att verifiera att EdU-positiva celler är prolifererande celler. PH3-positiva celler hittades i både paraplyet och tentakeln (1L и 1P).
I tentaklerna fanns mitotiska celler främst i ektodermen (1P), medan de prolifererande cellerna i paraplyet var belägna i ytskiktet (1M).
Bild nr 2: egenskaper hos cellproliferation i mogen Cladonema.
Hos både unga och mogna individer hittades EdU-positiva celler i stort antal i hela kroppen. I skärmbilden hittades EdU-positiva celler oftare i det ytliga skiktet än i det nedre skiktet, vilket liknar observationer hos ungdomar (2A-2D).
Men i tentaklerna var situationen något annorlunda. EdU-positiva celler ackumulerades vid basen av tentakeln (glödlampan), där två kluster hittades på vardera sidan av glödlampan (2E и 2F). Hos unga individer observerades också liknande ansamlingar (1N), dvs. tentakellökarna kan vara huvudområdet för spridning under medusoidstadiet. Det är märkligt att i manubrium hos vuxna individer var antalet EdU-positiva celler betydligt större än hos ungdomar (2G и 2H).
Det mellanliggande resultatet är att cellproliferation kan ske jämnt i paraplyet på en manet, men i tentaklerna är denna process mycket lokaliserad. Därför kan det antas att enhetlig cellproliferation kan kontrollera kroppstillväxt och vävnadshomeostas, men kluster av prolifererande celler nära tentakellökarna är involverade i tentakelmorfogenes.
När det gäller kroppsutvecklingen i sig spelar proliferation en viktig roll i kroppstillväxten.
Bild #3: Vikten av spridning i processen för kroppstillväxt hos en manet.
För att testa detta i praktiken övervakade forskare kroppstillväxten hos maneter, och började med unga individer. Det är lättast att bestämma storleken på en manets kropp genom sin kupol, eftersom den växer jämnt och i direkt proportion till hela kroppen.
Med normal utfodring i laboratorieförhållanden ökar kupolstorleken kraftigt med 54.8 % under de första 24 timmarna - från 0.62 ± 0.02 mm2 till 0.96 ± 0.02 mm2. Under de kommande 5 dagarna av observationer ökade storleken långsamt och jämnt till 0.98 ± 0.03 mm2 (3А-3S).
Maneter från en annan grupp, som var berövade på mat, växte inte utan krympte (röd linje på grafen 3S). Cellanalys av svältande maneter visade närvaron av ett extremt litet antal EdU-celler: 1240.6 ± 214.3 i maneter från kontrollgruppen och 433.6 ± 133 i 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 cellcykelprogression med hjälp av hydroxiurea (CH4N2O2), en cellcykelhämmare som orsakar G1-stopp. Som ett resultat av denna intervention försvann de S-fasceller som tidigare upptäckts med EdU (3I-3L). Således visade maneter som exponerades för CH4N2O2 inte kroppstillväxt, till skillnad från kontrollgruppen (3M).
Nästa steg i studien var en detaljerad studie av maneternas förgrenade tentakler för att bekräfta antagandet att lokal proliferation av celler i tentaklerna bidrar till deras morfogenes.
Bild nr 4: effekten av lokal spridning på tillväxt och förgrening av manetentakler.
Tentaklerna hos en ung manet har en gren, men med tiden ökar deras antal. Under laboratorieförhållanden ökade förgreningen 3 gånger på den nionde observationsdagen (4А и 4S).
Återigen, när CH4N2O2 användes, observerades ingen förgrening av tentaklerna, utan endast en gren (4B и 4C). Det är märkligt att avlägsnandet av CH4N2O2 från kroppen av maneter återställde processen för förgrening av tentaklerna, vilket indikerar reversibiliteten av läkemedelsinterventionen. Dessa observationer visar tydligt vikten av spridning för tentakelutveckling.
Cnidarians skulle inte vara cnidarians utan nematocyter (cnidocyter, d.v.s. cnidarians). Hos manetarten Clytia hemisphaerica levererar stamceller i tentakellökarna nematocyster till tentakelspetsarna just på grund av cellproliferation. Naturligtvis beslutade forskare att testa detta uttalande också.
För att upptäcka något samband mellan nematocyster och proliferation användes ett nukleärt färgningsfärgämne som kan markera poly-y-glutamat syntetiserat i nematocystväggen (DAPI, dvs 4',6-diamidino-2-fenylindol).
Poly-γ-glutamatfärgning gjorde det möjligt för oss att uppskatta storleken på nematocyter, från 2 till 110 μm2 (4D-4G). Ett antal tomma nematocyster identifierades också, det vill säga sådana nematocyter var utarmade (4D-4G).
Proliferationsaktivitet i manettentakler testades genom att studera tomrum i nematocyter efter cellcykelblockering med CH4N2O2. Andelen tomma nematocyter hos maneter efter läkemedelsintervention var högre än i kontrollgruppen: 11.4 % ± 2.0 % i maneter från kontrollgruppen och 19.7 % ± 2.0 % i maneter med CH4N2O2 (4D-4G и 4H). Följaktligen, även efter utmattning, fortsätter nematocyter att aktivt förses med proliferationsfaderceller, vilket bekräftar inverkan av denna process inte bara på utvecklingen av tentakler utan också på nematogenes i dem.
Det mest intressanta steget var studiet av maneternas regenerativa förmågor. Med tanke på den höga koncentrationen av proliferativa celler i tentakeln hos mogna maneter Cladonema, beslutade forskare att studera regenereringen av tentakler.
Bild nr 5: effekten av spridning på tentakelregenerering.
Efter dissektion av tentaklerna vid basen observerades en regenereringsprocess (5A-5D). Under de första 24 timmarna inträffade läkning i snittområdet (5B). Den andra observationsdagen började spetsen förlängas och grenar dök upp (5S). På den femte dagen var tentakeln helt grenad (5D), därför kan tentakelregenerering följa normal tentakelmorfogenes efter förlängning.
För att bättre studera det inledande stadiet av regenerering, analyserade forskarna fördelningen av prolifererande celler med PH3-färgning för att visualisera mitotiska celler.
Medan delande celler ofta observerades nära det amputerade området, spreds mitotiska celler i oskurna kontrolltentakler (5E и 5F).
Kvantifiering av PH3-positiva celler som finns i tentakellamporna avslöjade en signifikant ökning av PH3-positiva celler i tentakellampor hos amputerade jämfört med kontroller (5G). Som en slutsats åtföljs de initiala regenerativa processerna av en aktiv ökning av cellproliferation i tentakellökarna.
Effekten av proliferation på regenerering testades genom att blockera celler med CH4N2O2 efter att ha klippt av tentakeln. I kontrollgruppen skedde tentakelförlängning efter amputation normalt, som förväntat. Men i gruppen som CH4N2O2 applicerades på inträffade ingen förlängning, trots normal sårläkning (5H). Med andra ord kommer läkning att ske i alla fall, men spridning är nödvändig för korrekt tentakelregenerering.
Slutligen beslutade forskare att studera spridning hos andra arter av maneter, nämligen Cytaeis и Rathkea.
Bild #6: Jämförelse av spridning i Cytaeis (vänster) och Rathkea (höger) maneter.
У Cytaeis medusa EdU-positiva celler observerades i manubrium, tentakellökar och den övre delen av paraplyet (6А и 6V). Plats för identifierade PH3-positiva celler i Cytaeis väldigt lik Cladonemamen det finns vissa skillnader (6C и 6D). Men kl Rathkea EdU-positiva och PH3-positiva celler hittades nästan uteslutande i regionen av manubrium och tentakellökar (6E-6H).
Det är också intressant att prolifererande celler ofta upptäcktes i njurarna hos maneter Rathkea (6E-6G), vilket återspeglar den asexuella typen av reproduktion av denna art.
Med hänsyn till den information som erhållits kan det antas att cellproliferation sker i tentakellökarna inte bara hos en art av maneter, även om det finns skillnader på grund av skillnader i fysiologi och morfologi.
För en mer detaljerad bekantskap med studiens nyanser rekommenderar jag att titta på .
Epilog
En av mina litterära favoritkaraktärer är Hercule Poirot. Den skarpsinnige detektiven ägnade alltid särskild uppmärksamhet åt små detaljer som andra tyckte var oviktiga. Forskare är mycket som detektiver och samlar in alla bevis de kan hitta för att svara på alla frågor i utredningen och ta reda på "den skyldige".
Oavsett hur uppenbart det kan låta, är regenereringen av manetceller direkt relaterad till spridning - en integrerad process i utvecklingen av celler, vävnader och, som en konsekvens, hela organismen. En mer grundlig studie av denna omfattande process kommer att tillåta oss att bättre förstå de molekylära mekanismerna som ligger bakom den, vilket i sin tur kommer att utöka inte bara omfånget av vår kunskap, utan också direkt påverka våra liv.
Fredag off-top:
Marsch av maneter av arten Aurelia, störd av ett rovdjur med det ovanliga namnet "stekt äggmanet", d.v.s. stekta äggmaneter (Planet Earth, voice-over av David Attenborough).
Det är inte en manet, men denna djuphavsvarelse (den pelikanliknande stormunnen) fotograferas inte ofta (forskarnas reaktion är helt enkelt rörande).
Tack för att du läser, håll dig nyfiken och ha en trevlig helg grabbar! 🙂
Tack för att du stannar hos oss. Gillar du våra artiklar? Vill du se mer intressant innehåll? Stöd oss genom att lägga en beställning eller rekommendera till vänner, 30 % rabatt för Habr-användare på en unik analog av nybörjarservrar, som uppfanns av oss för dig: (tillgänglig med RAID1 och RAID10, upp till 24 kärnor och upp till 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2 gånger billigare? Bara här i Nederländerna! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - från $99! Läs om
Källa: will.com