Що спільного між Росомахою, Дедпулом та медузою? Всі вони мають дивовижну особливість — регенерацію. Звичайно в коміксах і кіно ця здатність, поширена серед вкрай обмеженої кількості реальних живих організмів, трохи (а іноді й сильно) перебільшена, проте вона залишається цілком реальною. А те, що реально можна пояснити, чим і вирішили зайнятися у своєму новому дослідженні вчені з університету Тохоку (Японія). Які клітинні процеси в тілі медузи пов'язані з регенерацією, як протікає цей процес, і які ще супер-здібності мають ці желеподібні істоти? Про це розповість доповідь дослідницької групи. Поїхали.
Основа дослідження
Насамперед учені пояснюють, чому вони вирішили сконцентрувати свою увагу саме на медузах. Справа в тому, що більшість досліджень в галузі біології проводяться за участю про модельних організмів: мишей, фруктових мушок, черв'яків, риб і т.д. Але на нашій планеті мешкають мільйони видів, кожен з яких має ті чи інші унікальні здібності. Отже, не можна повноцінно оцінити процес клітинної регенерації, вивчаючи лише одне вид, і припускати, що вивчений механізм буде загальним всім істот Землі.
Щодо медуз, то ці істоти одним своїм зовнішнім виглядом говорять про свою унікальність, що не може не привернути увагу вчених. Тому, перш ніж розпочати диссекцію самого дослідження, познайомився з його головним героєм.
Словом «медуза», яким ми звикли називати істоту як таку, насправді називають лише стадію життєвого циклу, що стрекає з підтипу medusozoa. Ті, хто бажає, отримали таке незвичайне ім'я за рахунок наявності в їх організмі жагучих клітин (кнідоцит), які застосовуються для полювання та самозахисту. Простіше кажучи, коли вас вжалила медуза, можете подякувати за біль та страждання саме ці клітини.
Кнідоцити містять кнідоцист — внутрішньоклітинну органелу, відповідальну за ефект, що «жалить». За своїм зовнішнім виглядом і, відповідно, методикою застосування розрізняють кілька типів кнідоцитів, серед яких можна виділити:
- пенетранти - нитки із загостреними кінцями, які встромляються в тіло жертви або кривдника, як списи, впорскуючи нейротоксин;
- глютинанти - липкі та довгі нитки, які обволікають жертву (не найприємніші обіймашки);
- вольвенти – короткі нитки, в яких жертва може легко заплутатися.
Таке нестандартне озброєння пояснюється тим, що медузи, хоч і граціозні, але не дуже спритні істоти. Нейротоксин, що потрапляє в тіло видобутку, моментально паралізує її, що дає медузі багато часу для обідньої перерви.
Медуза після успішного полювання.
Крім незвичайного методу полювання та оборони у медуз вельми незвичайне розмноження. Самці продукують сперматозоїди, а самки - яйцеклітини, після злиття яких формуються планули (личинки), що осідають на дні. Через деякий час з личинки виростає поліп, від якого після досягнення його зрілості буквально відколюються молоді медузи (за фактом відбувається брунькування). Таким чином, є кілька стадій життєвого циклу, однією з яких є медуза або медузоїдне покоління.
Волосиста ціанея, також відома як «левова грива».
Якби волосисту ціанію запитали, як збільшити ефективність полювання, вона відповіла б — більше щупалець. Усього їх близько 60 (кластери з 15 щупалець на кожному розі купола). Крім того, цей вид медуз вважається найбільшим, бо діаметр купола може досягати 2 метрів, а щупальця під час полювання можуть витягуватися до 20 метрів. Добре, що цей вид не відрізняється особливою «отруйністю», тому не смертельний для людини.
Морська оса у свою чергу до кількості додала б ще й якість. У цього виду медуз теж по 15 щупалець (3 м у довжину) на кожному з чотирьох кутів бані, але їх отрута набагато сильніша, ніж у великогабаритної родички. Вважається, що нейротоксину в організмі морської оси достатньо, щоб убити 60 людей за 3 хвилини. Мешкає ця гроза морів у прибережній зоні північної Австралії та Нової Зеландії. За даними за період з 1884 по 1996 роки в Австралії загинуло 63 особи, але ці дані можуть бути неточними, а кількість фатальних зустрічей людини та морської оси може бути набагато більшою. Проте за даними за 1991-2004 роки серед 225 випадків лише 8% постраждалих було госпіталізовано, серед яких був один летальний кінець (трирічна дитина).
морська оса
А тепер повернемося до дослідження, яке ми розглядаємо сьогодні.
З погляду клітин найважливішим процесом життя будь-якого організму є клітинна проліферація — процес зростання тканин організму у вигляді розмноження клітин поділом. Під час зростання організму цей процес регулює збільшення розмірів тіла. А коли організм повністю сформований, то клітини, що проліферують, регулюють фізіологічний обмін клітин і заміну пошкоджених на нові.
Мистецтво, будучи родинною групою білатеральних і ранніх гілок розвитку багатоклітинних організмів, використовувалися для вивчення еволюційних процесів уже багато років. Тому такі, що зустрічаються, не є винятком в аспекті проліферації. Наприклад, під час ембріонального розвитку морського анемону Nematostella vectensis проліферація клітин координується з організацією епітелію та бере участь у розвитку щупалець.
Nematostella vectensis
Окрім іншого, такі, як ми вже знаємо, відомі своїми регенеративними здібностями. Найпопулярнішими серед дослідників ось уже сотні років вважаються поліпи гідри (рід прісноводних сидячих кишковопорожнинних із класу гідроїдних). Проліферація, що активується вмираючими клітинами, запускає процес регенерації базальної голівки гідри. Сама назва цієї істоти натякає на міфічне створення, відоме своєю регенерацією — Лернейська гідра, перемогу над якою зміг здобути Геракл.
Хоча регенеративні здібності і вдалося прив'язати до проліферації, залишається неясно, як саме цей процес відбувається в нормальних умовах на різних етапах розвитку організму.
Медузи, що мають складний життєвий цикл, що складається з двох етапів розмноження (вегетативне та статеве), є відмінною моделлю для вивчення проліферації.
У цьому праці роль головної досліджуваної особини зіграла медуза типу Cladonema pacificum. Мешкає цей вид біля берегів Японії. Спочатку у цієї медузи є 9 основних щупалець, які починають розгалужуватися і збільшуватися в розмірі (як і все тіло) під час розвитку до дорослої особини. Ця особливість дозволяє детально вивчити всі механізми, що беруть участь у цьому процесі.
до того ж до Cladonema pacificum у дослідженні розглядалися також інші види медуз: Cytaeis uchidae и Rathkea octopunctata.
Результати дослідження
Щоб зрозуміти просторову закономірність проліферації клітин у Cladonema medusa, вчені застосували фарбування 5-етиніл-2'-дезоксиуридином (EdU), яке маркує клітини в S-фазі* або клітини, що вже її минули.
S-фаза* - Фаза клітинного циклу, в якій відбувається реплікація ДНК.
Враховуючи, що Cladonema різко збільшується у розмірах та демонструє розгалуження щупалець під час розвитку (1A-1C), розподіл проліферуючих клітин може змінюватися протягом усього дозрівання.
Зображення №1: особливості клітинної проліферації у молодих Cladonema.
За рахунок цієї особливості вдалося вивчити механізм проліферації клітин як у молодих (день 1), так і у статевозрілих (день 45) медуз.
У молодих медуз EdU-позитивні клітини були виявлені у великому числі у всьому тілі, включаючи парасольку, манубріум (опорний орган ротової порожнини у медуз) та щупальця, незалежно від часу впливу EdU (1D-1K и 1N-1O, EdU: 20 мкМ (мікромоляр) після 24 годин)
У манубріумі виявили досить мало EdU-позитивних клітин (1F и 1G), а ось у парасольці їх розподіл був дуже рівномірний, особливо у зовнішній оболонці парасольки (exumbrella, 1H-1K). У щупальцях EdU-позитивні клітини були сильно кластеризовані (1N). Застосування мітотичного маркера (антитіла PH3) дозволило переконатися, що EdU-позитивні клітини це саме пролиферирующие клітини. PH3-позитивні клітини були виявлені як у парасольці, так і в цибулини щупальця (1L и 1P).
У щупальцях мітотичні клітини були виявлені в основному в ектодермі (1P), тоді як у парасольці проліферуючі клітини були розташовані в поверхневому шарі (1М).
Зображення №2: особливості клітинної проліферації у статевозрілих Cladonema.
Як і у молодих особин, так і у статевозрілих EdU-позитивні клітини були у великій кількості виявлені по всьому тілу. У парасольці EdU-позитивні клітини частіше знаходилися в поверхневому шарі, ніж у нижньому, що аналогічно до спостережень у молодих особин (2A-2D).
А ось у щупальцях ситуація була дещо інша. EdU-позитивні клітини накопичувалися біля основи щупальця (цибулина), де було виявлено два кластери по обидва боки цибулини (2E и 2F). У молодих особин подібні скупчення також спостерігалися (1N), тобто. цибулини щупалець можуть бути основною зоною проліферації протягом усієї медузоїдної стадії. Цікаво, що у манубріумі дорослих особин число EdU-позитивних клітин було значно більше, ніж молодих (2G и 2H).
Проміжний результат полягає в тому, що проліферація клітин може відбуватися поступово в парасольці медузи, а в щупальцях цей процес дуже локалізований. Отже, можна припустити, що рівномірна проліферація клітин може контролювати зростання тіла і гомеостаз тканин, а от скупчення клітин проліферують біля цибулин щупалець беруть участь у морфогенезі щупалець.
В аспекті розвитку тіла, проліферація відіграє важливу роль у зростанні тіла.
Зображення №3: важливість проліферації у процесі зростання тіла медузи.
Щоб перевірити це практично, вчені простежили зростанням тіла медуз, починаючи з молодих особин. Визначати розміри тіла медузи найлегше по її куполу, оскільки він росте рівномірно і прямо пропорційно до всього тіла.
За нормального годування в лабораторних умовах розмір купола різко збільшується на 54.8% протягом перших 24 годин – з 0.62±0.02 мм2 до 0.96±0.02 мм2. Наступні 5 днів спостережень розмір збільшувався повільно та плавно до 0.98 ± 0.03 мм2 (3А-3С).
Медузи з іншої групи, які були позбавлені їжі, не зростали, а зменшувалися (червона лінія на графіку 3С). Клітинний аналіз голодуючих медуз показав наявність вкрай малої кількості EdU-клітин: 1240.6 ± 214.3 у медуз із контрольної групи та 433.6 ± 133 у голодуючих (3D-3H). Це спостереження може бути доказом того, що харчування безпосередньо впливає на процес проліферації.
Щоб перевірити цю гіпотезу, вчені провели фармакологічний аналіз, під час якого заблокували прогресування клітинного циклу з використанням гідроксикарбаміду (CH4N2O2) – інгібітора клітинного циклу, що викликає зупинку G1. Внаслідок такого втручання S-фазні клітини, виявлені раніше за допомогою EdU, зникли (3I-3L). Таким чином, медузи, яких піддали впливу CH4N2O2, не продемонстрували зростання тіла, на відміну від контрольної групи (3М).
Наступним етапом дослідження стало детальне вивчення розгалужених щупалець медуз, щоб підтвердити припущення, що локальна проліферація клітин у щупальцях сприяє їх морфогенезу.
Зображення №4: вплив локальної проліферації на зростання та розгалуження щупалець медуз.
Щупальці молодої медузи мають одну гілку, але з часом їхня кількість збільшується. У лабораторних умовах розгалуження збільшилося в 3 рази на дев'ятий день спостережень (4А и 4С).
Знову ж таки, при використанні CH4N2O2 розгалуження щупалець не спостерігалося, а була лише одна гілка (4B и 4C). Цікаво, що видалення CH4N2O2 з організму медуз відновлювало процес розгалуження щупалець, що говорить про оборотність медикаментозного втручання. Ці спостереження чітко вказують на важливість проліферації для розвитку щупалець.
Квітучі не були б такими, що цвітуть без нематоцитів (кнідоцит, тобто стікають клітин). У медузи виду Clytia hemisphaerica стовбурові клітини в цибулинах щупалець постачають нематоцисти на кінчики щупалець саме за рахунок проліферації клітин. Звичайно, вчені вирішили перевірити і це твердження.
Для виявлення будь-якого зв'язку між нематоцистами і проліферацією був застосований барвник, що забарвлює ядро, який може відзначати полі-γ-глутамат, синтезований в стінці нематоцисти (DAPI, тобто 4',6-диамидино-2-фенилиндол).
Фарбування полі-γ-глутамату дозволило оцінити розмір нематоцитів, що варіюється від 2 до 110 мкм2 (4D-4G). Також було виявлено деяку кількість порожніх нематоцистів, тобто такі нематоцити були виснажені (4D-4G).
Активність проліферації у щупальцях медуз була перевірена за допомогою вивчення порожнин у нематоцитах після блокування клітинного циклу за рахунок CH4N2O2. Частка порожніх нематоцитів у медуз після медикаментозного втручання була вищою, ніж у контрольної групи: 11.4% ± 2.0% у медуз з контрольної групи та 19.7% ± 2.0% у медуз з CH4N2O2 (4D-4G и 4H). Отже, навіть після виснаження нематоцити продовжують активно забезпечуватися клітинами-попередниками проліферацією, що підтверджує вплив цього процесу як на розвиток щупалець, а й у нематогенез у яких.
Найцікавішим же був етап дослідження регенеративних здібностей медуз. Враховуючи високу концентрацію проліферативних клітин у цибулини щупальця у зрілих медуз Cladonema, вчені вирішили вивчити регенерацію саме щупалець
Зображення №5: вплив проліферації на регенерацію щупалець.
Після проведення диссекції щупалець біля основи спостерігався процес регенерації (5A-5D). Протягом перших 24 годин загоєння відбувалося в області надрізу (5B). На другий день спостережень кінчик почав подовжуватися і з'явилися розгалуження (5С). На п'ятий день щупальце було повністю розгалужене (5D), отже, регенерація щупальця може йти за нормальним морфогенезом щупальця після подовження.
Щоб краще вивчити початковий етап регенерації, вчені проаналізували розподіл проліферуючих клітин з використанням фарбування PH3 для візуалізації мітотичних клітин.
У той час як клітини, що діляться, часто спостерігалися поблизу ампутованої області, мітотичні клітини були дисперговані в нерозрізаних контрольних цибулинах з щупальцями (5E и 5F).
Кількісна оцінка PH3-позитивних клітин, присутніх у цибулинах щупальців, дозволила виявити значне збільшення PH3-позитивних клітин у цибулинах щупалець у особин з ампутованими кінцівками порівняно з контрольною групою (5G). Як висновок, початкові регенеративні процеси супроводжуються активним збільшенням проліферації клітин у цибулинах щупалець.
Перевірити вплив проліферації на регенерацію дозволило блокування клітин за допомогою CH4N2O2 після відсікання щупальця. У контрольної групи подовження щупальця після його ампутації відбувалося нормально, як і очікувалося. А ось у групи, на якій був застосований CH4N2O2, подовження не відбувалося, незважаючи на нормальне загоєння рани (5H). Іншими словами, загоєння відбуватиметься у будь-якому випадку, але для правильної регенерації щупальця потрібна проліферація.
Насамкінець вчені вирішили вивчити проліферацію в інших видів медуз, а саме у Cytaeis и Rathkea.
Зображення №6: порівняння проліферації у медуз виду Cytaeis (ліворуч) та Rathkea (праворуч).
У Cytaeis medusa EdU-позитивні клітини спостерігалися в манубріумі, цибулинах щупалець та у верхній частині парасольки (6А и 6В). Розташування виявлених PH3-позитивних клітин у Cytaeis дуже схоже з Cladonema, проте існують деякі відмінності (6C и 6D). А ось у Rathkea EdU-позитивні та PH3-позитивні клітини були виявлені практично виключно в області манубріуму та цибулин щупалець (6E-6H).
Цікаво також і те, що клітини, що проліферують, часто виявлялися в нирках медузи. Rathkea (6E-6G), що відбиває безстатевий тип розмноження цього виду.
Враховуючи отриману інформацію, можна припустити, що проліферація клітин протікає в цибулинах щупалець далеко не тільки в одного виду медуз, хоча є відмінності, зумовлені різницею у фізіології та морфології.
Для більш детального ознайомлення з нюансами дослідження рекомендую заглянути у .
Епілог
Один із моїх улюблених літературних персонажів є Еркюль Пуаро. Проникливий детектив завжди звертав особливу увагу на дрібні деталі, які іншим здавались поганими. Вчені багато нагадують детективів, які збирають усі докази, які тільки можна знайти, щоб відповісти на всі питання розслідування та обчислити «винуватця».
Як би це не звучало, але регенерація клітин медуз безпосередньо пов'язана з проліферацією — невід'ємним процесом у розвитку клітин, тканин і, як наслідок, всього організму. Більш скрупульозне вивчення цього всеосяжного процесу дозволить краще розуміти молекулярні механізми, що лежать в його основі, що дозволить, у свою чергу, розширити не тільки спектр наших знань, а й безпосередньо вплинути на наше життя.
П'ятничний офф-топ:
Марш медуз виду аурелію, потривожений хижаком з незвичним назвою «fried egg jellyfish», тобто. медуза-яєчня (Planet Earth, голос за кадром - Девід Аттенборо).
До медуз не відноситься, але це глибоководне істота (пеліканоподібний большерот) не так часто вдається зняти (реакція дослідників просто зворушлива).
Дякую за увагу, залишайтесь цікавими та відмінними всім вихідними, хлопці! 🙂
Дякую, що залишаєтеся з нами. Вам подобаються наші статті? Бажаєте бачити більше цікавих матеріалів? Підтримайте нас, оформивши замовлення або порекомендувавши знайомим, 30% знижка для користувачів Хабра на унікальний аналог entry-level серверів, який був винайдений нами для Вас: (Доступні варіанти з RAID1 і RAID10, до 24 ядер і до 40GB DDR4).
Dell R730xd у 2 рази дешевше? Тільки в нас у Нідерландах! Dell R420 – 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB – від $99! Читайте про те
Джерело: habr.com