Дослідження стовбурових клітин плоского черв'яка планарії дозволило вченим з MIT довести, що деякі клітини дорослого хробака, так звані необласти, зберігають плюрипотентні. Іншими словами, вони здатні давати генерації будь-яких типів клітин, а не тільки клітин певного типу тканини. У всіх інших груп тварин плюрипотентні бувають тільки клітини ранніх зародкових стадій, але ніяк не дорослих організмів. Експериментально було показано, що тварина може повністю регенерувати, маючи лише одну живу стволову клітку. Крім того, триває розшифровка генетичних каскадів, що визначають передньо-задню полярність тіла планарії. По всій видимості, ці регуляторні каскади є одними із найбільш базових механізмів формування тіла багатоклітинних тварин.

Регенерація – відновлення загублених або пошкоджених тканин – одна з найважливіших функцій тканин багатоклітинних організмів, будь то безхребетне тварина або людина. Природно, для людей набагато важливіше усвідомити, як відбувається регенерація в тканинах людини – адже це шлях до швидкого загоєнню ран або навіть реконструированию втрачених ділянок тих чи інших тканин або органів. Проте до масового практичного використання цих найважливіших у медичному відношенні відомостей ще далеко. Поки ж учені намагаються вибудувати механізм – генетичний і фізіологічний – регенерації тканин. І найкращим чином тут підходять найпростіші модельні організми, такі як плоскі черв'яки планарії. Давно відома їх воістину фантастична здатність до відновлення тіла навіть з невеликого залишився шматочки (тут можна подивитися чудові картинки з регенерації планарий).

Саме планарії і стали об'єктом нового дослідження механізмів регенерації. Під керівництвом Пітера Редден (Peter Reddien) з Массачусетського технологічного інституту (MIT, Кембридж, США) були виконані два взаємодоповнюючих дослідження. Перше присвячено динаміці поділу так званих необластов – клітин, з яких у планарії формуються всі інші типи клітин і які зберігають здатність до поділу протягом усього життя хробака. Тобто необласти можна розглядати як аналог стовбурових клітин. В іншій роботі розібраний процес регенерації переднього і заднього кінців тіла планарії. Тут акцент зроблено на біохімічних механізмах, що регулюють «рішення» тканини, який з кінців тіла відрощувати – хвіст або голову. Потрібно відзначити, що в світі тварин з відрощуванням нових хвостів справляються багато груп тварин, а от з відрощуванням голови – майже ніхто. Так що планарій в цьому відношенні – видатний геній.

Отже, необласти. У тілі планарії є близько 30 різних типів клітин,залишають енто-екто-і мезодерми; необласти – лише один з них.

Анатомічна будова планарії. Малюнок з сайту www.geochembio.com

Необласти розподілені більш-менш рівномірно по всьому тілу, дещо більше їх сконцентровано в передньому кінці тіла попереду глотки. Перед дослідниками стояло питання: чи є необласти плюрипотентні або мультипотентних. Перше означає здатність генерувати будь-які типи клітин, друге – лише клітини того чи іншого органу або тканини. Так, клітини бластули є плюрипотентні – з них формується весь організм з усіма своїми спеціалізованими клітинами; а клітини, наприклад, кісткового мозку – мультипотентних. З них формуються всі різні клітини крові, але не інших тканин. Якщо необласти – це приклад плюріпотентних клітин, що функціонують протягом всього життя дорослої тварини, то планарій перетворюється на об'єкт першорядної важливості для вивчення всіх питань, пов'язаних зі стовбуровими клітинами, – свого роду муха дрозофіла або E. coli для науки про стовбурові клітини. Якщо ж необласти – це мультипотентних клітини, то планарій – всього лише один із зручних, але дуже численних об'єктів для дослідження біології розвитку. Ученим вдалося довести, що необласти – це все ж плюрипотентні клітини, що зберігають здатність до будь-якої диференціації протягом дорослого життя.

Щоб це довести, вчені відстежували динаміку розподілу необластов після опромінення смертельними дозами іонізуючої радіації. Клітини необластов і тільки вони експресують ген smedwi-1 (Schmidtea mediterranea – така назва планарії, взятої дослідниками, і перші літери гена, що працює в необластах, повторюють початкові літери видового і родового назви); щоб «побачити» клітини необластов, вчені відзначали продукти експресії саме цього гена. Велика частина необластов перестає працювати (тобто smedwi-1 перестає експресуватися) після опромінення дозою 500 рад, при обробці дозою 6000 радий помирають усі необласти. Вчені використовували дозу 1750 радий, щоб залишити мінімальну, але не нульову ймовірність необластіческого відновлення. Як показали експерименти, деяке число необластов дійсно виживали після опромінення такий дозою і починали ділитися. Вони були розташовані на черевній стороні тварини. На 4-й день після опромінення у 22% тварин з'являються сліди роботи одного-двох необластов, а через тиждень вже можна бачити цілі кластери необластов. Близько 16% тварин мають один кластер, а 4% – за два кластери. З плином часу кількість клітин в кластері збільшувалася експоненціально (необмежений ріст), і на 20-й день планарій вже була повністю забезпечена цимиівітельнимі клітинами – їх була вже тисяча. Число самих кластерів при цьому не збільшується. Відтак усі необласти були нащадками клітин – родоначальниця кластерів, а не інших вижили клітин тіла.

Кластери необластов на сьомий день після опромінення. Марковані синім продукти експресії smedwi-1. Фото з обговорюваної статті Clonogenic Neoblasts Are Pluripotent Adult Stem Cells That Underlie Planarian Regeneration в Science

Вчені простежили і подальшу долю колоній необластов. Вони в результаті дали попередників різних типів клітин, зокрема нейронів і клітин кишечника. Це було доведено демонстрацією експресії генів, специфічних для цих типів клітин. Це означає, що необласти здатні спеціалізуватися в будь-якому напрямку – і в клітини кишечника, і в нервові клітини. Трьох необластов, наприклад, ніколи не бракує, щоб відновити головний відділ хробака, відновлюються навіть очі-фоторецептори на головному кінці.

Був проведений також виключно витончений експеримент щодо пожвавлення опроміненого хробака за допомогою трансплантації в відмираючих тканин одного єдиного необласта. Планарії опромінили смертельною дозою в 6000 радий, після чого загинули всі необласти і почалася дегенерація тканин. Дегенерація тканин у планарій походить від головного кінця до хвостового, саме це і спостерігали дослідники в експерименті після опромінення. Через 6 тижнів після опромінення гинуть всі без винятку планарії. Але якщо опроміненому черв'якові пересадити один (один!) необласт, то і через 7 тижнів він не загине. І більше того, тканини у нього почнуть регенерацію. Через 8 тижнів регенерація закінчиться: планарій вижила, сформувалися ковтка, очі … Які клітини послужили джерелом оновлення? Це можна перевірити: дослідники протестували деякі гени донора трансплантованого необласта та аналогічні гени у щасливо врятованої планарії. Ці гени виявилися однаковими. Це означає, що єдиний пересаджений необласт дав початок усім клітинам вижив хробака. Вчені отримали живий клон. Цей клон міг розмножуватися безстатевим шляхом. Таким чином, експеримент з трансплантації служить чудовим доказом плюрипотентні необластов.

Після опромінення дозою в 6000 радий починається дегенерація тканин, і хробак з усією неминучістю вмирає: зірочками показані місця з відмерлої тканиною. Однак, якщо йому пересадити один необласт, то почнеться регенерація відмерлих тканин, тканини відновлюються і черв'як оживає після своєї «клінічної» смерті: стрілки показують місця з регенерує тканиною і нові очі в ожилого хробака. Фото з обговорюваної статті «Clonogenic Neoblasts Are Pluripotent Adult Stem Cells That Underlie Planarian Regeneration »в Science

Тепер, покладемо, хробак має здорові необласти, може легко відновити втрачені частини тіла (або навіть повністю оновити мертві тканини), але як клітини дізнаються, в якому напрямі їм спеціалізуватися? Природно, існує безліч механізмів, що діють тут і зараз, обумовлених безпосереднім біохімічним оточенням формується клітини. Але це лише загальний принцип, конкретика залишається найчастіше невідомою. Для планарії вдалося показати, як клітини дізнаються, де передній, а де задній відділ. Іншими словами, вчені з'ясували, які біохімічні команди вказують клітинам, спеціалізуватися їм в передній або в задній відділ тіла, відрощувати голову або хвіст. У процесі регенерації тканин включається цілком певний генно-регуляторний каскад, що запускається експресією гена wnt1. Він через посередництво специфічних поверхневих білків регулює кількість бета-Катенін, контролюючого експресію ядерних генів. Експресія wnt1 відслідковано по краях розрізів, будь вони в передньому чи задньому кінці тварини, звернені вперед або назад.

Проте ген notum експресується тільки з того краю надрізу (рани), який спрямований уперед, до головного кінця. Аналог гена notum відомий у дрозофіли; у мух він грає важливу роль в ембріональному розвитку, придушуючи експресію wnt, у ссавців цей ген працює, контролюючи процес зростання. У планарії, як з'ясувалося, notum також руйнує поверхневі білки, з якими зв'язується wnt1, і в такий спосіб інгібує його роботу. У результаті там, де експресується notum, формується голова з очима-фоторецепторами, а там, де він не експресується, виростає хвіст. Так що notum якимось чином – прямо або побічно – пов'язаний з визначенням передньо-задньої полярності тіла.

Планарії, регенеровані в умовах обробки різними інгібіторами: зліва – схема планарії з місцем ампутації переднього кінця; на лівій фотографії – інгібування wnt1: планарій відростила другого голову з двома фоторецепторами, у центрі – інгібування notum: планарій відростила другий хвіст; на правій фотографії – інгібування бета-Катенін і notum: тварина відростив друга голову. Фото з обговорюваної статті Polarized notum Activation at Wounds Inhibits Wnt Function to Promote Planarian Head Regeneration в Science

Ось чудові експерименти, в яких вчені маніпулювали роботою notum. У даному випадку використовувалося інгібування за допомогою РНК-інтерференції. Якщо придушити експресію wnt1, то у тварини не виросте хвіст, а замість цього з'явиться зайва голова (ліва фотографія). Якщо придушити експресію notum, то приблизно у половини тварин замість голови виросте хвіст (середня фотографя), а у другої половини відросте дефектна голова з одним фоторецептором замість двох, і в цьому дефектному передньому відділі з'являться характерні для хвостового відділу біохімічні маркери та морфологічні риси. Участь у робочій схемі бета-Катенін підтверджується подвійним інгібуванням бета-Катенін і notum. У цьому випадку регенерація йде так, як якщо б ингибировал тільки бета-Катенін: відростає голова з фоторецепторами (сама права малюнок).

Потрібно відзначити, що визначення передньо-задньої полярності тіла навіть у таких простих тварин, як планарії, здійснюється набагато більш складною і заплутаною системою каскадних регуляцій, ніж зворотній зв'язок через notum. Так, виростити планарії з двома головами або двома хвостами можна за допомогою інгібування та іншого гена – Smed-prep. Так що і цей ген разом з усім своїм каскадом підключений до спільного рішення, де хвіст, а де голова.

Робота гена Smed-prep придушувалася за допомогою РНК-інтерференції. У результаті після ампутації переднього відділу у планарії відростало дефектний передній відділ з одним оком (A) або другий хвіст (В). Фото зі статті Daniel A. Felix, A. Aziz Aboobaker, 2010

Біохімічна схема визначення передньо-задньої полярності тіла тварин, по всій видимості, досить однакова для багатоклітинних тварин. Учені продемонстрували її роботу у плоского черв'яка, підкресливши високу схожість з мухами і ссавцями. Але біохімічні механізми регенерації, так само як і цитологічні механізми, набагато ефективніше вивчати на плоских хробаків, ніж на ссавців. Тому у білої планарії, мабуть, велике наукове майбутнє: вона стане чудовим модельним об'єктом для дослідження базових принципів відновлення клітин і тканин у багатоклітинних.

За матеріалами: elementy.ru

Tweet

Заможні регіони: Для чого насправді Потрібні вибори?