У гидры регенерация происходит за счет клеток: Регенерация у гидры это — ответ на Uchi.ru

Ученые построили генеалогическое древо всех клеток гидры

Биологи построили карту всех стадий дифференцировки клеток обыкновенной гидры (Hydra vulgaris). Они отследили траектории развития предшественников нейронов, мышц и других клеток и получили подробные сведения об устройстве нервной системы этого организма. Эти данные помогут лучше понять механизмы регенерации различных тканей и эволюцию нервных систем. Статья об исследовании опубликована в Science.

Пресноводное кишечнополостное гидра получило свое название от мифической Лернейской гидры, чьи головы отрастали после того, как их отрубали. Этот полип умеет регенерировать даже лучше своей несуществующей тезки и после разрезания способен отращивать не только верхнюю часть тела, но и нижнюю. Гидра делает это за счет всех трех имеющихся у нее линий стволовых клеток: эктодермальной, энтодермальной и интерстициальной. Более того, и цельные гидры постоянно обновляют свое тело и делают это настолько эффективно, что потенциально бессмертны. Однако молекулярные механизмы, лежащие в основе такой выдающейся способности к восстановлению, во многом неясны.

Ученые из нескольких американских исследовательских организаций во главе с Селиной Джулиано (Celina E. Juliano) из Калифорнийского университета в Дэвисе секвенировали РНК 24 985 клеток обыкновенной гидры (транскриптом каждой клетки анализировали отдельно). Клетки принадлежали взрослым полипам, которым при жизни не наносили крупных повреждений — то есть регенерация у них шла в обычном, не экстренном режиме. Особое внимание уделили нервной системе.

Исследователи отмечали, какие гены часто экспрессируются одновременно, и на основании этого делили клетки гидры на группы. Также они искали регуляторные последовательности, управляющие экспрессией нескольких генов сразу. Они, предположительно, определяют стадию дифференцировки клеток и в целом траекторию этой дифференцировки (то есть клеткам какого типа даст начало та или иная стволовая).

Авторы нашли несколько генов (одни из наиболее важных — Hy-icell1 и HvSoxC), которые помогут в будущем визуализировать интерстициальные стволовые клетки, находящиеся на определенных стадиях дифференцировки, и прицельно изучать молекулярные процессы, сопутствующие дифференцировке, только в них. Также они выяснили, что нейроны и железистые клетки (выделяют пищеварительные ферменты) гидры имеют общего предшественника и он относится к интерстициальным стволовым клеткам. Этот предшественник, в свою очередь, происходит от клетки, дающей начало и предшественникам стрекательных клеток — нематоцитов.

Нейроны обыкновенной гидры, как выяснилось, можно поделить на 12 групп в зависимости от того, какие гены в них экспрессируются. Они также отличаются положением в теле животного. Зная, какие особенности работы генов присущи клеткам каждой группы, исследователи смогут управлять их численностью. А поскольку нервная система кишечнополостных и нервная система человека, вероятно, произошли независимо друг от друга, интересно выделить различия между ними.

Кроме того, авторы работы рассчитывают, что полученные ими данные о молекулярных особенностях каждого пути дифференцировки ускорят детализацию механизмов, лежащих в основе регенерации тканей у гидры. Их можно будет сравнить с тем, что известно о регенерации у людей и у популярного модельного объекта в биологии развития — шпорцевой лягушки Xenopus laevis. Ее головастики способны заново отрастить хвост, хрусталик или лапу.

В последние десятилетия активно изучаются и стволовые клетки человека, притом такие, которые уже были дифференцированы, но под воздействием определенных факторов свою дифференцировку потеряли. Они называются ИПСК, индуцированные плюрипотентные стволвоые клетки. Из них пробуют получать предшественники клеток различных типов, в том числе нервных и половых, и лечить различные заболевания, пересаживая полученные предшественники пациентам.

Светлана Ястребова

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.

Гидра

Общее строение

Тело гидры имеет вид продолговатого мешочка, стенки которого состоят из двух слоёв клеток — эктодермы и энтодермы.

Между ними лежит тонкая студенистая неклеточная прослойка — мезоглея, служащая опорой.

Эктодерма формирует покров тела животного и состоит из нескольких видов клеток: эпителиально-мускульные, промежуточные и стрекательные.

Самые многочисленные из них — эпителиально-мускульные.

Эктодерма

эпителиально-мускульная клетка

За счёт мускульных волоконец, лежащих в основании каждой клетки, тело гидры может сокращаться, удлиняться и изгибаться.

Между эпителиально-мускульными клетками находятся группы мелких, округлых, с большими ядрами и небольшим количеством цитоплазмы клеток, называемых промежуточными.

При повреждении тела гидры, они начинают усиленно расти и делиться. Они могут превращаться в остальные типы клеток тела гидры, кроме эпителиально-мускульных.

В эктодерме находятся стрекательные клетки, служащие для нападения и защиты. В основном они расположены на щупальцах гидры. Каждая стрекательная клетка содержит овальную капсулу, в которой свёрнута стрекательная нить.

Строение стрекательной клетки со свернутой стрекательной нитью

Если добыча или враг прикоснётся к чувствительному волоску, который расположен снаружи стрекательной клетки, в ответ на раздражение стрекательная нить выбрасывается и вонзается в тело жертвы.

Строение стрекательной клетки с выброшенной стрекательной нитью

По каналу нити в организм жертвы попадает вещество, способное парализовать жертву.

Существует несколько типов стрекательных клеток. Нити одних пробивают кожные покровы животных и вводят в их тело яд. Нити других обвиваются вокруг добычи. Нити третьих — очень клейкие и прилипают к жертве. Обычно гидра «стреляет» несколькими стрекательными клетками. После выстрела стрекательная клетка погибает. Новые стрекательные клетки формируются из промежуточных.

Строение внутреннего слоя клеток

Энтодерма выстилает изнутри всю кишечную полость. В её состав входят пищеварительно-мускульные и железистые клетки.

Энтодерма

Пищеварительная система

Пищеварительно-мускульных клеток больше других. Мускульные волоконца их способны к сокращению. Когда они укорачиваются, тело гидры становится более тонким. Сложные движения (передвижение «кувырканием»), происходит за счёт сокращений мускульных волоконцев клеток эктодермы и энтодермы.

Каждая из пищеварительно-мускульных клеток энтодермы имеет 1-3 жгутика. Колеблющиеся жгутики создают ток воды, которым пищевые частички подгоняются к клеткам. Пищеварительно-мускульные клетки энтодермы способны образовывать ложноножки, захватывать и переваривать в пищеварительных вакуолях мелкие пищевые частицы.

Строение пищеварительно-мускульной клетки

Имеющие в энтодерме железистые клетки выделяют внутрь кишечной полости пищеварительный сок, который разжижает и частично переваривает пищу.

Строение желистой клетки

Добыча захватывается щупальцами с помощью стрекательных клеток, яд которых быстро парализует мелких жертв. Координированными движениями щупалец добыча подносится ко рту, а затем с помощью сокращений тела гидра «надевается» на жертву. Пищеварение начинается в кишечной полости (полостное пищеварение), заканчивается внутри пищеварительных вакуолей эпителиально-мускульных клеток энтодермы (внутриклеточное пищеварение). Питательные вещества распределяются по всему телу гидры.

Когда в пищеварительной полости оказываются остатки жертвы, которые невозможно переварить, и отходы клеточного обмена, она сжимается и опорожняется.

Дыхание

Гидра дышит растворённым в воде кислородом. Органов дыхания у неё нет, и она поглощает кислород всей поверхностью тела.

Кровеносная система

Отсутствует.

Выделение

Выделение углекислого газа и других ненужных веществ, образующихся в процессе жизнедеятельности, осуществляется из клеток наружного слоя непосредственно в воду, а из клеток внутреннего слоя — в кишечную полость, затем наружу.

Нервная система

Под кожно-мускульными клетками располагаются клетки звездчатой формы. Это нервные клетки (1). Они соединяются между собой и образуют нервную сеть (2).

Нервная система и раздражимость гидры

Если дотронутся до гидры (2), то в нервных клетках возникает возбуждение (электрические импульсы), которое мгновенно распространяется по всей нервной сети (3) и вызывает сокращение кожно-мускульных клеток и всё тело гидры укорачивается (4). Ответная реакция организма гидры на такое раздражение — безусловный рефлекс.

Половые клетки

С приближением холодов осенью в эктодерме гидры из промежуточных клеток образуются половые клетки.

Различают два вида половых клеток: яйцевые, или женские половые клетки, и сперматозоиды, или мужские половые клетки.

Яйца находятся ближе к основанию гидры, сперматозоиды развиваются в бугорках, расположенных ближе к ротовому отверстию.

Яйцевая клетка гидры похожа на амёбу. Она снабжена ложноножками и быстро растет, поглощая соседние промежуточные клетки.

Строение яйцевой клетки гидры

Строение сперматозоида гидры

Сперматозоиды по внешнему виду напоминают жгутиковых простейших. Они покидают тело гидры и плавают с помощью длинного жгутика.

Оплодотворение. Размножение

Сперматозоид подплывает к гидре с яйцевой клеткой и проникает внутрь нее, причем ядра обеих половых клеток сливаются. После этого ложноножки втягиваются, клетка округляется, на ее поверхности выделяется толстая оболочка — образуется яйцо. Когда гидра погибает и разрушается, яйцо остается живым и падает на дно. С наступлением тёплой погоды живая клетка, находящаяся внутри защитной оболочки, начинает делиться, образующиеся клеточки располагаются в два слоя. Из них развивается маленькая гидра, которая выходит наружу через разрыв оболочки яйца. Таким образом, многоклеточное животное гидра в начале своей жизни состоит всего из одной клетки — яйца. Это говорит о том, что предки гидры были одноклеточными животными.

Бесполое размножение гидры

При благоприятных условиях гидра размножается бесполым путём. На теле животного (обычно в нижней трети туловища) образуется почка, она растет, затем формируются щупальца и прорывается рот. Молодая гидра отпочковывается от материнского организма (при этом материнский и дочерний полипы прикрепляются щупальцами к субстрату и тянут в разные стороны) и ведет самостоятельный образ жизни. Осенью гидра переходит к половому размножению. На теле, в эктодерме закладываются гонады — половые железы, а в них из промежуточных клеток развиваются половые клетки. При образовании гонад гидр формируется медузоидный узелок. Это позволяет предполагать, что гонады гидры — сильно упрощенные споросаки, последний этап в ряду преобразования утраченного медузоидного поколения в орган. Большинство видов гидр раздельнополы, реже встречается гермафродитизм. Яйцеклетки гидр быстро растут, фагоцитируя окружающие клетки. Зрелые яйцеклетки достигают диаметра 0,5—1 мм. Оплодотворение происходит в теле гидры: через специальное отверстие в гонаде сперматозоид проникает к яйцеклетке и сливается с ней. Зигота претерпевает полное равномерное дробление, в результате которого образуется целобластула. Затем в результате смешанной деламинации (сочетание иммиграции и деламинации) осуществляется гаструляция. Вокруг зародыша формируется плотная защитная оболочка (эмбриотека) с выростами-шипиками. На стадии гаструлы зародыши впадают в анабиоз. Взрослые гидры погибают, а зародыши опускаются на дно и зимуют. Весной продолжается развитие, в паренхиме энтодермы путем расхождения клеток образуется кишечная полость, затем формируются зачатки щупалец, и из-под оболочки выходит молодая гидра. Таким образом, в отличие от большинства морских гидроидных, у гидры отсутствуют свободноплавающие личинки, развитие у неё прямое.

Регенерация

Гидра обладает очень высокой способностью к регенерации. При разрезании поперек на несколько частей каждая часть восстанавливает «голову» и «ногу», сохраняя исходную полярность — рот и щупальца развиваются на той стороне, которая была ближе к оральному концу тела, а стебелек и подошва — на аборальной стороне фрагмента. Целый организм может восстанавливаться из отдельных небольших кусочков тела (менее 1/100 объёма), из кусочков щупалец, а также из взвеси клеток. При этом сам процесс регенерации не сопровождается усилением клеточных делений и представляет собой типичный пример морфаллаксиса.

Передвижение

В спокойном состоянии щупальца вытягиваются на несколько сантиметров. Животное медленно водит ими из стороны в сторону, подстерегая добычу. При необходимости гидра может медленно передвигаться.

«Шагающий» способ передвижения

«Шагающий» способ передвижения гидры

Изогнув своё тело (1) и прикрепившись щупальцами к поверхности предмета (субстрата), гидра подтягивает к переднему концу тела подошву (2). Затем шагающее движение гидры повторяется (3,4).

«Кувыркающий» способ передвижения

«Кувыркающий» способ передвижения гидры

В другом случае она словно через голову кувыркается, поочерёдно прикрепляясь к предметам то щупальцами, то подошвой (1-5).

Регенерация — Биология развития — Книжная полка NCBI

Регенерация — реактивация развития в более позднем возрасте для восстановления недостающих тканей — настолько «нечеловеческая», что с самого начала биологической науки привлекала внимание людей. Трудно наблюдать за феноменом регенерации конечностей у тритонов или морских звезд, не задаваясь вопросом, почему мы не можем отрастить собственные руки и ноги. Что дает саламандрам эту способность, которой нам так не хватает? Экспериментальная биология родилась в результате попыток натуралистов восемнадцатого века задокументировать регенерацию и ответить на этот вопрос. Регенерационные эксперименты Тремблея (гидры), Реомюра (ракообразные) и Спалланцани (саламандры) установили стандарты экспериментальных исследований и интеллектуального обсуждения полученных данных (см. Динсмор 19).91). Реомюр, например, заметил, что раки обладают способностью регенерировать свои конечности, потому что их конечности легко ломаются в суставах. Человеческие конечности, писал он, не так уязвимы, поэтому Природа предоставила нам не регенерируемые конечности, а «прекрасную возможность восхититься ее предвидением». Совет Тремблея исследователям, которые хотят войти в эту новую область, уместно прочитать даже сегодня. Он говорит нам идти прямо к природе и избегать предрассудков, которые дало нам наше образование. ^* Более того, «не следует впадать в уныние из-за отсутствия успеха, а следует заново пробовать то, что не удалось. Полезно даже несколько раз повторить успешные эксперименты. Все, что можно увидеть, не обнаруживается и часто не может быть обнаружено с первого раза».

Спустя более двух столетий мы начинаем находить ответы на великую проблему регенерации, и, возможно, вскоре мы сможем изменить человеческое тело так, чтобы наши конечности, нервы и органы могли регенерировать. Это означало бы, что отрубленные конечности можно было бы восстановить, что больные органы можно было бы удалить и вырастить заново, и что нервные клетки, измененные возрастом, болезнью или травмой, могли бы снова нормально функционировать. Чтобы принести эти преимущества человечеству, мы сначала должны понять, как происходит регенерация у тех видов, которые обладают этой способностью. Наши новые знания о роли паракринных факторов в формировании органов и наша способность клонировать гены, производящие эти факторы, способствовали тому, что Сьюзан Брайант (1999) назвал «возрождение возрождения». Поскольку «возрождение» буквально означает «возрождение» и поскольку возрождение можно рассматривать как возвращение к эмбриональному состоянию, этот термин подходит во многих отношениях.

Существует три основных способа регенерации. Первый механизм включает дедифференцировку взрослых структур с образованием недифференцированной массы клеток, которая затем становится респецифицированной. Этот тип регенерации называется эпиморфозом и характерен для регенерирующих конечностей. Второй механизм называется морфаллаксис . Здесь регенерация происходит за счет перестройки существующих тканей, а новый рост практически отсутствует. Такая регенерация наблюдается у гидр. Третий тип регенерации является промежуточным типом, и его можно рассматривать как компенсационную регенерацию . Здесь клетки делятся, но сохраняют свои дифференцированные функции. Они производят клетки, подобные себе, и не образуют массу недифференцированной ткани. Этот тип регенерации характерен для печени млекопитающих. Ранее в книге мы обсуждали регенерацию плоских червей (глава 3) и глаза земноводных (глава 4). Здесь мы сосредоточимся на конечностях саламандры, гидрах и регенерации печени млекопитающих.

Эпиморфная регенерация конечностей саламандры

При ампутации конечности взрослой саламандры оставшиеся клетки способны полностью реконструировать конечность со всеми ее дифференцированными клетками, расположенными в правильном порядке. Другими словами, новые клетки строят только недостающие структуры и не более того. Например, при ампутации запястья саламандра формирует новое запястье, а не новый локоть (1). В некотором роде конечность саламандры «знает», где была разорвана проксимально-дистальная ось, и способна регенерировать с этой точки.

Рисунок 18.25

Регенерация передней конечности саламандры. Ампутация, показанная слева, была сделана ниже локтя; ампутация, показанная справа, разрезала плечевую кость. В обоих случаях корректная позиционная информация переопределяется. (Из Goss 1969; фотография (подробнее…)

Формирование апикальной эктодермальной шапочки и регенерация бластемы

Саламандры совершают этот подвиг путем дедифференцировки и респецификации. При ампутации конечности образуется сгусток плазмы, и в течение 6–12 часов, эпидермальные клетки из оставшейся культи мигрируют, покрывая раневую поверхность, образуя эпидермис раны . Эта однослойная структура необходима для регенерации конечности, и она пролиферирует, образуя апикальный эктодермальный колпачок . Таким образом, в отличие от заживления ран у млекопитающих, рубцов не образуется, и дерма не смещается вместе с эпидермисом, чтобы покрыть место ампутации. Нервы, иннервирующие конечность, дегенерируют на небольшом расстоянии проксимальнее плоскости ампутации (см. Chernoff and Stocum, 1995). В течение следующих 4 дней клетки под развивающейся шапочкой претерпевают резкую дедифференцировку: костные клетки, хрящевые клетки, фибробласты, миоциты и нервные клетки теряют свои дифференцированные характеристики и отделяются друг от друга. Гены, которые экспрессируются в дифференцированных тканях (таких как MRF4 и гены myf5 , экспрессируемые в мышечных клетках), подавляются, в то время как наблюдается резкое увеличение экспрессии генов, таких как msx1, , которые связаны с пролиферирующей мезенхимой зоны прогресса эмбриональной конечности (Simon и др., 1995). Ранее хорошо структурированная область конечности на краю разреза культи, таким образом, образует пролиферирующую массу неразличимых, дедифференцированных клеток прямо под апикальным эктодермальным колпачком. Эта дедифференцированная клеточная масса называется регенерация бластема . Эти клетки будут продолжать размножаться и, в конце концов, редифференцируются, образуя новые структуры конечности (Butler, 1935).

Рисунок 18.26

Регенерация личиночной передней конечности пятнистой саламандры Ambystoma maculatum. (А) Продольный срез плеча через 2 дня после ампутации. Кожа и мышцы оттянулись от кончика плечевой кости. (B) Через 5 дней после ампутации тонкая (подробнее…)

Образование бластемы зависит от образования одиночных мононуклеарных клеток. Вполне вероятно, что макрофаги, выбрасываемые в рану, секретируют металлопротеиназы, расщепляющие внеклеточный матрикс, скрепляющий эпителиальные клетки (Yang et al. 19).99). Но многие из этих клеток дифференцировались и вышли из клеточного цикла. Как они восстанавливают способность делиться? Исследования с помощью микроскопии и индикаторных красителей показали, что при введении в бластему многоядерных мышечных трубочек (ядра которых удалены из клеточного цикла: см. главу 14) образуются меченые одноядерные клетки, которые пролиферируют и могут дифференцироваться во многие ткани регенерированной конечности. (Хей, 1959; Ло и др. , 1993). Похоже, что ядра мышечных трубок вынуждены вступать в клеточный цикл сывороточным фактором, создаваемым тромбином, той же самой протеазой, которая участвует в формировании сгустков. Тромбин высвобождается при ампутации, и когда сыворотка подвергается воздействию тромбина, он образует фактор, способный индуцировать культивируемые мышечные трубки тритона для вступления в клеточный цикл. Мышиные миотрубочки, однако, не реагируют на это химическое вещество. Эта разница в реакции может быть напрямую связана с разницей в регенеративной способности саламандр и млекопитающих ^† (Танака и др., 1999).

Пролиферация клеток бластемы: потребность в нервах

Пролиферация бластемы регенерации конечностей саламандры зависит от наличия нервов. Зингер (1954) продемонстрировал, что для осуществления регенерации необходимо присутствие минимального количества нервных волокон. Считается, что нейроны высвобождают факторы, стимулирующие митоз, которые увеличивают пролиферацию клеток бластемы (Singer and Caston, 1972; Mescher and Tassava, 19). 75). Есть несколько кандидатов на эти нейральные митотические факторы, и каждый из них может быть важен. Известно, что Глиальный фактор роста ( GGF ) продуцируется нервными клетками тритона, присутствует в бластеме и теряется при денервации. Когда этот пептид добавляется к денервированной бластеме, митотически арестованные клетки снова могут делиться (Brockes and Kinter 1986). Также может быть задействован фактор роста фибробластов. FGF, введенные в денервированные бластемы, способны восстанавливать митоз (Mescher and Gospodarowicz 19).79). Другим важным нервным агентом, необходимым для клеточного цикла, является трансферрин , железотранспортный белок, который необходим для митоза во всех делящихся клетках (поскольку рибонуклеотидредуктаза, фермент, ограничивающий скорость синтеза ДНК, нуждается в ионе трехвалентного железа в своем активном центре). . Когда задняя конечность отрубается, седалищный нерв транспортирует трансферрин вдоль аксона и высвобождает большое количество этого белка в бластему (Munaim and Mescher 1986; Mescher 1992). Нервные экстракты и трансферрин способны стимулировать деление клеток в денервированных конечностях, а хелатирование ионов трехвалентного железа из нервных экстрактов отменяет их митотическую активность (Munaim and Mescher 19).86; Альберт и Бойи, 1988).

Паттерн формирования бластемы регенерации

Бластема регенерации во многом напоминает зону прогресса развивающейся конечности. Дорсо-вентральная и передне-задняя оси между культей и регенерирующей тканью сохраняются, а клеточные и молекулярные исследования подтвердили, что механизмы формирования паттерна развивающихся и регенерирующих конечностей очень похожи. Пересаживая регенерирующие бластемы конечностей в развивающиеся зачатки конечностей, Мунеока и Брайант (1982) показали, что клетки бластемы могут реагировать на сигналы зачатков конечностей и вносить свой вклад в развитие конечностей. На молекулярном уровне, точно так же, как Sonic hedgehog наблюдается в задней области мезенхимы зоны прогресса развивающейся конечности, он наблюдается в бластеме ранней задней регенерации (Imokawa and Yoshizato 1997; Torok et al. 1999). Исходный паттерн экспрессии гена Hox в регенерирующих конечностях не такой, как в развивающихся конечностях. Однако вложенный шаблон Hoxa и Экспрессия гена Hoxd , характерная для развития конечностей, устанавливается по мере регенерации конечностей (Torok et al. 1998).

Ретиноевая кислота, по-видимому, играет важную роль как в дедифференцировке клеток с образованием регенерационной бластемы, так и в процессах респецифики по мере редифференцировки клеток. Если регенерирующих животных обработать достаточными концентрациями ретиноевой кислоты (или других ретиноидов), их регенерированные конечности будут иметь дупликации вдоль проксимально-дистальной оси (Niazi and Saxena 19).78; Маден 1982). Этот ответ зависит от дозы и при максимальной дозе может привести к полной регенерации новой конечности (начиная с самой проксимальной кости), независимо от исходного уровня ампутации. Более высокие дозы приводят к торможению регенерации. По-видимому, ретиноевая кислота вызывает изменение спецификации клеток в более проксимальное положение (Crawford and Stocum 1988b; Pecorino et al. 1996).

Рисунок 18.27

Влияние витамина А (ретиноид) на регенерацию конечностей саламандры. (A) Нормальная регенерированная конечность аксолотля (9×) с плечевой костью, парными лучевой и локтевой костью, запястьями и пальцами. Пунктирная линия показывает плоскость ампутации в области запястья. (B) Регенерация (подробнее…)

Рисунок 18.28

Проксимализация респецификации бластемы ретиноевой кислотой. (A) Когда бластему запястья из недавно отрезанной передней конечности аксолотля помещают на заднюю конечность хозяина, отрезанную на уровне середины бедра, образуется только запястье. Хозяин (у которого была удалена собственная нога) (подробнее…)

Ретиноевая кислота синтезируется в регенерирующем эпидермисе раны конечности и, как видно, образует градиент вдоль проксимально-дистальной оси бластемы (Brockes 1992; Скэддинг и Маден, 1994 г.; Вивиано и др. 1995). Считается, что этот градиент ретиноевой кислоты по-разному активирует гены в бластеме, что приводит к спецификации паттерна в регенерирующей конечности. Одним из таких генов, чувствительных к ретиноевой кислоте, является ген msx1 , который связан с пролиферацией мезенхимы (Shen et al. 1994). Другой набор генов, который может быть изменен ретиноевой кислотой, — это гены Hoxa . Гардинер и его коллеги (1995) показали, что характер экспрессии некоторых Гены Hoxa в дистальных клетках регенерационной бластемы изменяются экзогенной ретиноевой кислотой на паттерн экспрессии, характерный для более проксимальных клеток. Вероятно, что во время нормальной регенерации раневой эпидермис/апикальный эктодермальный колпачок секретирует ретиноевую кислоту, которая активирует гены, необходимые для клеточной пролиферации, подавляет гены, специфичные для дифференцированных клеток, и активирует набор Hox-генов, который сообщает клеткам, где они в конечности и сколько они должны расти. Механизм, с помощью которого гены Hox делают это, неизвестен, но наблюдались изменения межклеточной адгезии и других свойств поверхности клеток (Nardi and Stocum 19). 83; Стокум и Кроуфорд, 1987 г.; Брайант и Гардинер, 1992). Таким образом, при регенерации конечности саламандры взрослые клетки могут отправиться «назад в будущее», вернувшись в «эмбриональное» состояние, чтобы заново начать формирование конечности.

ВЕБ-САЙТ

18.5 Модель в полярных координатах . Явления эпиморфной регенерации можно формально рассматривать как события, восстанавливающие непрерывность между тканями, разорванными ампутацией. Модель полярных координат пытается объяснить многочисленные явления регенерации конечностей. http://www.devbio.com/chap18/link1805.shtml

ВЕБ-САЙТ

18.6 Регенерация кольчатых червей. Несложное лабораторное упражнение поможет обнаружить правила, по которым черви регенерируют свои сегменты. На этом веб-сайте подробно описаны некоторые из этих экспериментов. http://www.devbio.com/chap18/link1806.shtml

Компенсаторная регенерация в печени млекопитающих

Способность печени к регенерации известна с древних времен. Согласно греческой мифологии, наказание Прометея (за то, что он дал людям цивилизацию) заключалось в том, что его приковали цепью к скале и каждый день заставляли орла съедать порцию его печени. Его печень восстановилась после этого частичная гепатэктомия каждую ночь, тем самым постоянно снабжая орла пищей и вечным наказанием Прометея. Стандартный анализ регенерации печени заключается в удалении (после анестезии) определенных долей печени, оставляя остальные нетронутыми. Удаленная доля не восстанавливается, но оставшиеся доли увеличиваются, чтобы компенсировать потерю отсутствующей ткани печени (Higgins and Anderson, 1931). Даже у человека количество регенерированной печени эквивалентно количеству удаленной печени.

Печень регенерирует путем пролиферации существующих тканей. Удивительно, но регенерирующие клетки печени не полностью дедифференцируются, когда они снова вступают в клеточный цикл. Бластема не образуется. Скорее всего, пять типов клеток печени — гепатоциты, клетки протоков, клетки, накапливающие жир (Ito), эндотелиальные клетки и макрофаги Купфера, — начинают делиться, чтобы произвести больше самих себя (). Каждый тип клеток сохраняет свою клеточную идентичность, а печень сохраняет способность синтезировать специфичные для печени ферменты, необходимые для регуляции уровня глюкозы, деградации токсинов, синтеза желчи, продукции альбумина и других функций печени (Michalopoulos and DeFrances 19).97).

Рис. 18.29

Кинетика синтеза ДНК в четырех основных типах клеток печени млекопитающих. Возможно, поскольку быстрее всего реагируют гепатоциты, они секретируют паракринные факторы, индуцирующие репликацию ДНК в других клетках. (По Michalopoulos и DeFrances (далее…)

Как и в регенерирующей конечности саламандры, в регенерирующей печени происходит возврат к эмбриональному состоянию. Вырабатываются транскрипционные факторы и продукты плода, а также циклины, контролирующие клеточное деление. Но возврат в эмбриональное состояние происходит не так полно, как в конечности земноводных.Хотя для регенерации печени необходимы и другие паракринные и эндокринные факторы, одним из важнейших белков для возвращения клеток печени в клеточный цикл является фактор роста гепатоцитов ( HGF ). Этот белок, также известный и упомянутый ранее в книге как фактор рассеяния, индуцирует многие эмбриональные белки. В течение часа после частичной гепатэктомии уровень HGF в крови повышается в 20 раз (Lindroos et al., 1991). Однако гепатоциты, которые все еще связаны друг с другом в эпителии, не могут реагировать на HGF. Травма частичной гепатэктомии может активировать металлопротеиназы, которые расщепляют внеклеточный матрикс и позволяют гепатоцитам разделяться и пролиферировать. Эти ферменты также могут расщеплять HGF до его активной формы (Mars et al. 19).95). Механизмы, с помощью которых взаимодействуют факторы и по которым печень прекращает регенерацию после достижения соответствующего размера, еще предстоит выяснить.

Морфаллактическая регенерация у гидр

Гидра ^‡ — род пресноводных кишечнополостных. Большинство гидр имеют длину около 0,5 см. Гидра имеет трубчатое тело с «головой» на дистальном конце и «ступней» на проксимальном конце. «Нога», или базальный диск , позволяет гидре прилипать к камням. «Голова» состоит из конической область гипостома (содержащая рот), окруженная кольцом щупалец (которые ловят пищу). Гидры имеют только два слоя эпителиальных клеток без настоящей мезодермы. Они могут размножаться половым путем, но делают это только в неблагоприятных условиях, например, при сильной скученности. Обычно они размножаются, отпочковываясь от новой особи (Martin 1997; ). Почки формируются примерно на две трети пути вниз по оси тела.

Рисунок 18.30

Бутонизация Hydra. Новые отдельные почки с правой стороны взрослой Гидра. (Фотография © Biophoto/Photo Researchers Inc.)

Когда гидру разрезают пополам, половина, содержащая голову, регенерирует новый базальный диск, а половина, содержащая базальный диск, регенерирует новую голову. Более того, если гидру разрезать на несколько частей, средние части регенерируют как головы, так и базальные диски на соответствующих концах. Для этого не требуется никакого деления клеток, и в результате получается маленькая гидра. Эта регенерация является морфаллактической.

Градиент активатора головы

Приведенные выше эксперименты показывают, что каждая часть гидры вдоль апикально-базальной оси потенциально способна образовывать базальный диск, голову или даже целую гидру. Однако полярность гидры координируется серией морфогенетических градиентов, которые позволяют формировать голову только в одном месте, а диск — только в другом. Доказательства наличия таких градиентов у гидр были впервые получены в ходе экспериментов по прививке, начатых Этель Браун в начале 1900-х годов. Когда ткань гипостомы одной гидры пересаживают в середину другой гидры, она образует новую апикально-базальную ось, при этом гипостома выходит наружу (). Когда базальный диск прививается к середине гидры-хозяина, также формируется новая ось, но с противоположной полярностью, продолжающая базальный диск (). Когда клетки с обоих концов трансплантируют одновременно в середину хозяина, новая ось не образуется или новая ось имеет небольшую полярность (Браун 19). 09; Ньюман 1974). Эти эксперименты были интерпретированы как указывающие на существование градиента головного активатора (наибольшего в гипостоме) и базального градиента активатора (наибольшего в базальном диске).

Рисунок 18.31

Эксперименты по прививке, демонстрирующие различные морфогенетические возможности в разных областях оси Hydra . (A) Ткань гипостома, трансплантированная в ствол хозяина, индуцирует вторичную ось с расширенным гипостомом. (B) Ткань базального диска, трансплантированная в ствол хозяина, индуцирует (подробнее…)

Градиент активатора головы можно измерить путем имплантации колец ткани с различных уровней донорской гидры в определенную область туловища хозяина (MacWilliams 1983b). Чем выше уровень активатора головы в донорской ткани, тем больший процент имплантатов будет индуцировать образование новых гипостомов. Обнаружено, что фактор активации головы концентрируется в голове и линейно уменьшается по направлению к базальному диску.

Головка ингибитора градиента

В 1926, Rand показал, что нормальная регенерация гипостомы подавляется, когда интактный гипостом пересаживается рядом с местом ампутации. Это открытие предполагает, что один гипостом может ингибировать образование другого. Дополнительные головы у гидры не образуются, потому что наличие гипостомы препятствует образованию любой другой гипостомы. Градиент ингибитора головы можно измерить, вставив субгипостомальную область (область чуть ниже гипостома, имеющую относительно высокую концентрацию активатора головы) в различные области вдоль ствола гидры-хозяина. Эта область не будет образовывать головку при имплантации в апикальную область интактной гидры-хозяина. Однако он сформирует голову, если голова хозяина была удалена. Более того, эта подгипостомальная область будет индуцировать голову, если ее поместить ниже на хозяине. Таким образом, по-видимому, существует градиент ингибитора головы, а также активатора головы (Wilby and Webster 19).70; МакВильямс, 1983а).

Рис. 18.32

Эксперименты по прививке, подтверждающие наличие градиента ингибитора головки. (A) Подгипостомальная ткань не создает новую головку, если ее поместить рядом с существующей головкой. (B) Подгипостомальная ткань образует головку, если удалить существующую. Голова также (подробнее…)

Градиенты активатора и ингибитора базального диска

Базальный диск также обладает свойствами, позволяющими предположить, что он является источником градиента ингибитора стопы и градиента активатора стопы (Hicklin and Wolpert 1973; Шмидт и Шаллер, 1976; Мейнхардт 1993; Гренс и др. 1999). Градиенты ингибитора для головки и ножки могут быть важны для определения того, где и когда может образоваться почка. У молодых взрослых гидр градиенты ингибиторов головы и ног, по-видимому, блокируют образование почек. Однако по мере роста гидры источники этих лабильных веществ отдаляются друг от друга, создавая область ткани примерно на две трети ниже туловища, где градиенты обоих ингибиторов минимальны. Вот где образуется почка (; Шостак 1974; Боде и Боде 1984; Шилиро и др. 1999). Некоторые мутанты Hydra имеют дефекты в их способности образовывать почки, и эти дефекты могут быть объяснены изменениями градиентов морфогена. Мутант L4 Hydra magnipapillata, , например, образует бутоны очень медленно и только после достижения размера примерно в два раза больше, чем особи дикого типа. Было обнаружено, что количество вещества, подавляющего головку, у этих мутантов намного больше, чем у Hydra дикого типа (Takano and Sugiyama 19).83).

Рис. 18.33

Градиенты ингибитора головы (синяя линия) и ингибитора ноги (красная линия) у только что отпавших почек гидры, молодых имаго и почкующихся взрослых особей. (По Боде и Боде, 1984.)

Градиенты ингибитора и активатора также информируют гидру о том, «какой конец вверху», и определяют позиционные значения вдоль апикально-базальной оси. Когда голова удаляется, ингибитор головы больше не создается, и это заставляет активатор головы индуцировать новую голову. Область с наибольшим головным активатором сформирует головку. Как только голова сделана, она делает голову ингибитором, и равновесие восстанавливается.

Box

Медицинские достижения в области регенерации.

Сноски

*

Традиция оставлять свои книги и классы и идти прямо на природу очень сильна в биологии развития. Есть вывеска Морской биологической лаборатории Вудс-Хоул, где проводятся одни из самых важных эмбриологических исследований в Америке. Надпись, приписываемая Луи Агассису, гласит: «Изучайте природу, а не книги». Он висит у входа в библиотеку.

†

Этот фактор, продуцирующий тромбин, еще не выделен. Но это не единственное различие между конечностями уроделе и млекопитающих. Еще одно отличие состоит в том, что саламандры сохраняют экспрессию гена Hox в своих придатках даже во взрослом возрасте. Следует отметить, что, хотя большая часть регенерации бластемы происходит за счет дедифференцировки ткани по краю культи, возможен и другой источник клеток. В то время как многоядерная скелетная мышечная ткань дедифференцируется и снабжает бластему незафиксированными одноядерными клетками, конечность также содержит мышечные сателлитные клетки — одноядерные клетки, прикрепленные к мышечному клону, — которые могут использоваться во время регенерации. Таким образом, регенерированные мышцы конечности могут происходить как из бластемы, так и из этих резервных клеток.

‡

Гидра — еще один персонаж из греческой мифологии. Всякий раз, когда одна из многих голов этого змея была отрублена, он регенерировал две новые. В конце концов Геракл победил гидру, прижигая культи ее голов огнем. Геракл давно интересовался регенерацией, поскольку он также был героем, который, наконец, освободил связанного Прометея, тем самым остановив его ежедневные гепатэктомии.

Картирование ячеек в «Бессмертной», регенерирующей гидре

Краткий обзор

• Исследователи использовали методы секвенирования отдельных клеток для отслеживания траектории развития 25 000 клеток Hydra
• Исследование дает исследователям «молекулярную карту одной клетки» с высоким разрешением трех линий развития стволовых клеток Hydra
• Стволовые клетки гидры находятся в состоянии непрерывного обновления, придавая организму биологическое бессмертие и способность к регенерации

В отличие от стволовых клеток взрослого человека, стволовые клетки взрослой гидры — небольшого пресноводного беспозвоночного, родственного медузам и кораллам, — находятся в постоянном состоянии обновления, что наделяет их удивительными регенеративными способностями и почти биологическим бессмертием. Около 100 000 клеток составляют тело гидры, и, что удивительно, эти клетки обновляются каждые 20 дней благодаря бездонному колодцу стволовых клеток гидры.

Но как эти стволовые клетки производят специализированные клетки у животных, такие как нейроны или клетки кожи? Какие деревья генетических решений используют стволовые клетки Hydra?

В исследовании, опубликованном в журнале Science, доцент кафедры молекулярной и клеточной биологии Селина Джулиано и ее коллеги использовали методы секвенирования отдельных клеток для изучения генетической траектории почти 25 000 клеток Гидры. Исследованием руководил Стефан Зиберт, научный сотрудник лаборатории Джулиано, в сотрудничестве с Джеффом Фарреллом, постдоком Гарвардского университета.

«Прелесть секвенирования отдельных клеток и то, почему это так важно для биологов развития, заключается в том, что мы можем фактически захватить гены, которые экспрессируются, когда клетки дифференцируются из стволовых клеток в их различные типы клеток», — сказал Джулиано.

Исследование дает специалистам по биологии развития «молекулярную карту одной клетки» с высоким разрешением трех линий развития стволовых клеток гидры.

Гидра «занимает информативное положение на древе жизни животных», — сказал Зиберт. «Наборы данных, подобные нашим, помогут нам лучше понять важные сети регуляции генов, которые существовали на ранних этапах эволюции и которые являются общими для животных и нас».

Исследование также предоставляет первую карту экспрессии генов нервной системы Гидры. Понимание того, как гидра восстанавливает всю свою нервную систему, может помочь нам лучше понять нейродегенеративные заболевания у людей и открыть дверь для новых методов лечения.

Исследованием руководил Стефан Зиберт, научный сотрудник лаборатории доцента Селины Джулиано. Дэвид Слайфер/Калифорнийский университет в Дэвисе

Три источника вечной молодости

Гидра — это небольшое пресноводное беспозвоночное, родственное медузам и кораллам.