Самолікуючий вірний цілитель - секрет доктора
Schmidtea mediterranea любить його холодним і темним. Коли Вітторіо Себастьяно виймає миску зі своїми лабораторними тваринами з холодильника на денне світло, створюється суєта втікаючих черв’яків, точніше плоских червів, яких також називають планаріями. Але не всі можуть втекти. Погляд через мікроскоп розкриває поле бою понівечених тіл. Голови, відокремлені від хвоста, важко повзуть вперед. Інші пеньки з відрізаними головами валяються нерухомо. Вони не можуть сприймати світло через брак сенсорних клітин, а без мозку рух неможливий.
Відвідувач Інституту молекулярної біомедицини імені Макса Планка в Мюнстері не повинен хвилюватись. Тому що забій - це не різанина: через кілька днів з пеньків розміром в міліметр виростають нові хвости, голови, очі, цілий мозок та всі інші органи.
Відчайдушно ставиться до сили самовідновлення лабораторних тварин
Ця реконструкція пошкоджених планарій, яка і сьогодні викликає загадку, спочатку зачарувала німецького натураліста. У 1766 році Пітер Саймон Паллас повідомив про дивовижні здібності плоских червів. Чарльз Дарвін також був зачарований безхребетними, які поновлюють до 40 різних типів клітин після ампутації. Деякі види навіть розмножуються за допомогою регенерації, а не за допомогою статі. Для того, щоб перетворити одного на два, хвіст чіпляється за землю, тоді як голова тягне решту тіла до тих пір, поки може, поки мати не розривається посередині. Потім кожен із двох - не чутливих до болю - осіб швидко закриває свої рани та повторює відсутні частини шляхом самообновлення.
Блискучий біолог Томас Хант Морган вперше спробував розкрити приховані правила цієї п'єси - своїми знаменитими спробами ампутації на початку 20 століття. Чим далі він відділяв голову планаріїв від решти тіла, тим довше потрібно було їх повністю відновити. Але Морган лише синхронізував розділяючих плоских черв’яків, якщо нарізав їх тонкими пластинками до самого хвоста. Тільки з цих крихітних торців несподівано виросли дві голови замість звичної голови та хвоста. Але як міг кінчик хвоста знати, в якому положенні він знаходився у тварини до ампутації? Морган задався цим питанням і запідозрив градієнт - градієнт концентрації сигнальної речовини - вздовж осі тіла, який, як правило, заважає хробакам формувати голови на кінці хвостів. Але коли навіть шматочки тканини з боку тварин змогли продукувати цілі організми, які були в 279 разів меншими за норму, кмітливий Морган зневірився у силах самовідновлення своїх експериментальних тварин.
Плоскі черв’яки: більше ніж лише курйозні цікавинкиa
Відтоді він присвятив себе плодової мухи дрозофіли і зробив її улюбленцем генетика. З ним генетика розвитку пережила свої тріумфи, які вона повторила на миші, а згодом і на нематоді Caenorhabditis elegans. Розвиток його 959 клітин можна було спостерігати в прямому ефірі під мікроскопом. Геном хробака, який не пов'язаний з планаріями, був розшифрований в 1998 році як перший із багатоклітинних організмів. На той час планарії все ще виявляють своє існування як курйозні цікавинки. Правила їх відродження досліджували лише сторонні люди.
У них було лише блискуче повернення протягом декількох років. Оскільки у плодових мух, нематод чи мишей немає значної регенерації. Коли біологи розвитку задавали собі питання, як мишу можна зробити з ембріона, а печінку - із шматочка тканини печінки, вони натрапили на регенеративні зони з резервуаром власних стовбурових клітин організму. Оскільки ембріональні та дорослі стовбурові клітини повинні допомагати лікувати хвороби в майбутньому віці регенеративної медицини, планарії тепер повертаються до лабораторій. У дорослих тварин до 30 відсотків усіх клітин - це стовбурові клітини. Ці необласти універсальні, як ембріональні стовбурові клітини, але можуть не тільки виробляти м’язи, мозок та кишкові клітини, а також будь-який інший тип клітин, необхідних в організмі для життя хробака.
"Ці прості організми є ідеальними модельними системами для розуміння механізмів плюрипотентності стовбурових клітин", - говорить Вітторіо Себастьяно, який досліджує планарії в лабораторії дослідника стовбурових клітин Ганса Шелера. Рушійною силою повернення є Алехандро Санчес Альварадо з Університету Юти в Солт-Лейк-Сіті. Вибравши Schmidtea mediterranea в якості зразкового організму, він здійснив переворот. Цей вид, який вперше був виведений в Барселоні в 1970-х роках, зараз генетично перевіряється приблизно в 30 лабораторіях по всьому світу.
Маленький черв’ячок, велика фарма
"В даний час сфера регенерації знаходиться там, де біологія розвитку була на початку 20 століття", - говорить співробітник Говард Хьюз, лабораторія якого в даний час дає безліч захоплюючих результатів досліджень. Його ентузіазм заразний. Оскільки, незважаючи на 250 років досліджень регенерації, навіть фундаментальні явища ще не зрозумілі. Чому планарії взагалі можуть регенерувати цілі частини тіла, а інші, іноді тісно пов’язані групи тварин, не можуть? Також абсолютно незрозуміло, чи дотримуються механізми регенерації ампутованих ніг у саламандр, обрізаних пазурів у омарів або зростання нових голів у планарій подібним молекулярним правилам: «Ми навіть не знаємо, чому явище регенерації здається таким випадковим у цілому Він розподіляється серед ряду тварин », - говорить Альварадо. Завдяки планаріям дослідники можуть вперше застосувати весь спектр інструментів молекулярної біології до питань регенерації.
За допомогою дослідників Центру секвенування геномів Університету Вашингтона Альварадо в даний час складає частини головоломки, які щойно розшифрували з чотирьох різних хромосом Шмідтеї. Приблизно за рік дослідники з усього світу повинні мати можливість порівняти весь геном цього виду з геномом людини. Попередні фрагментарні уявлення вже змусили експертів сісти і звернути увагу: активний геном планарій набагато більше схожий на геном людей, ніж на нематод. Він навіть знайшов споріднені гени факторів росту, які були загублені як у плодової мухи, так і у Ценоргабдиті. Лише лабораторія Альварадо вилучила 240 генів з генетичного матеріалу плоского черв’яка, які відіграють центральну біологічну роль на різних фазах регенерації. Один з них, очевидно, досі робить це на людях і на людях: при загоєнні ран. Тепер це робить планарії привабливими навіть для фармацевтичних компаній, що базуються на наукових дослідженнях. За словами Альварадо, щонайменше 40 генів, нещодавно відкритих минулого року, особливо цікаві, оскільки вони "активні лише тоді, коли тварині ампутують".
Вони самі копіюють мозок
У листопаді Альварадо описав ген piwi у планарій у Science. Це вже було відомо із статевих клітин дрозофіли, але їх біологічна функція викликає дивовиж. Якщо під час ампутації молекулярним трюком піві на короткий час вимикається, з швидко ділиться необластів створюються нові дочірні клітини, які також мігрують у пошкоджену тканину. Однак там остаточне перетворення в диференційовані клітини, оскільки вони там потрібні, блокується. Клітини, що відроджуються, вже не пам’ятають, якими вони повинні стати. Тварини гинуть. В даний час робляться спроби експериментально підійти до механізму, що стоїть за цим.
Ще одне ключове питання досі не вирішене: дослідники можуть вирізати з хвоста планарії крихітний шматочок менше 10 000 клітин. У цій частині немає ні мозку, ні кишечника, ні очей, просто "більше немає органу", говорить Альварадо. Але як цей крихітний шматочок тканини знає після ампутації, в якому положенні повинні виникнути зниклі органи? "Чесна відповідь - ми не знаємо", - говорить Альварадо. Очевидно, тварина постійно гарантує, що всі осі тіла активно відчувають, де в космосі вони знаходяться в даний час. У епоху сучасної генетики навіть Морган знову мав би задоволення від планарій.
Невизначений дослідницький ландшафт в області плоских червів також сподобався Себастьяно та його італійському колезі Луці Джентіле. У Мюнстері її цікавлять різнобічні необласти тварин. У своєму геномі вони шукають гени, які роблять їх такими дивовижними схожими на ембріональні стовбурові клітини. У своїх перших експериментах вони намагались відновити ядра клітин миші до їх ембріонального стану за допомогою клітинної плазми необластів, тобто стану, в якому цілий організм може розвиватися з цієї клітини. Це спочатку не вийшло. Два дослідники Мюнстера впевнені, що в клітинах глистів є ті фактори, які повертають цю всебічну якість. В даний час вони ловлять на так звані мікроРНК у стовбурових клітинах. Ці регулятори, які також відомі людям, можуть "швидко активувати або блокувати гени, необхідні для швидких процесів регенерації", вважає Джентіл. Зрештою, клітини, що нещодавно створені після ампутації, вже через дванадцять годин знають, що з ними стане згодом. Язичник завжди вражений тим, що "крихітні глисти допомагають людям розкрити все про свою біологію".