Но восхищение — это другое дело, потому что многие виды планарий восстанавливаются чудесным образом, а именно, будучи разделенными на четыре части, они воссоздают себя из кусков. Прорезанные через «талию», они регенерируют недостающий хвост или голову; разделенные пополам, черви дублируют свое зеркальное отображение. В этой способности нет ничего удивительного, поскольку биологи знают, что 30% клеток их тела — стволовые клетки.
Вопрос в том, как стволовые клетки во фрагменте планарии знают, как генерировать то, что отсутствует?В выпуске онлайн-журнала eLife от 15 апреля 2014 года исследователь Института медицинских исследований Стоуэрса Алехандро Санчес Альварадо и его коллеги обращаются к этой проблеме, определяя гены, которые черви используют для восстановления ампутированного глотки. Они сообщают, что на вершине иерархии регенерации глотки находится главный регулятор, называемый FoxA.
Эти находки подтверждают эволюционно законсервированную роль белков FoxA в создании органов, происходящих из энтодермы, и показывают, как стволовые клетки ощущают потерю определенной структуры на молекулярном уровне.Млекопитающие могут использовать взрослые стволовые клетки для замены, в частности, клеток кожи или иммунной системы. Но когда дело доходит до воссоздания целых структур, первыми являются земноводные, рыбы и планарии. «Когда млекопитающие получают серьезные травмы, они просто залечивают рану и на этом не останавливаются», — говорит Санчес Альварадо, который также является следователем Медицинского института Говарда Хьюза. «Но если саламандра потеряет конечность, она сначала залечит рану, а затем начнет собирать недостающие части.
Прямо сейчас механизмы, которые используют клетки, чтобы понять, какая структура отсутствует, а затем восстановить ее, остаются совершенно загадочными».Чтобы разгадать тайну, команда провела два «экрана». Во-первых, они ампутировали глотку червя, которая запрещает кормление около недели, пока планария восстанавливает новую.
Примерно на третий день после ампутации команда провела анализ микроматрицы, чтобы идентифицировать любой ген, включенный в результате ампутации, и собрала около 350 кандидатов. Чтобы проверить их, они затем скармливали ингибиторной РНК, предназначенной для подавления экспрессии каждого гена отдельно, новым партиям червей, повторяли ампутации и наблюдали, восстановили ли черви способность к питанию. Это сузило список до 20 кандидатов, которые в случае потери затрудняли кормление и в большинстве случаев мешали формированию глотки.По словам Кэрри Адлер, доктора философии, научного сотрудника лаборатории Санчеса Альварадо, руководившего исследованием, анализ показал, что большинство из 20 факторов либо имеют общую функцию в стволовых клетках (что было интересно, но не то, что им было нужно), либо были специально необходимы для регенерации глотки.
Среди последних одним из факторов, демонстрирующих особенно сильный эффект, был ДНК-связывающий белок под названием FoxA. «Нацеливание на FoxA полностью заблокировало регенерацию глотки, но не повлияло на регенерацию других органов», — говорит Адлер.Микроскопический анализ с высоким разрешением показал, что стволовые клетки усилили экспрессию FoxA вскоре после того, как они собрались в месте ампутации. «В настоящее время мы думаем, что FoxA запускает каскад экспрессии генов, который заставляет стволовые клетки производить все различные клетки глотки, включая мышцы, нейроны и эпителиальные клетки», — говорит Адлер. «Следующий вопрос заключается в том, как FoxA стимулируется в первую очередь только в некоторых стволовых клетках».
Исследователи ранее знали, что во время эмбриогенеза FoxA инициирует формирование органов, происходящих из энтодермы, у таких разнообразных видов, как мыши и круглые черви. Новая работа предполагает, что регенерирующие ткани используют эти эволюционно древние пути экспрессии генов. «Поглощение пищи — это одно из отличительных свойств животного», — говорит Санчес Альварадо. «Это означает, что организмы, от людей до плоских червей, используют общий набор инструментов для построения пищеварительной системы, такой же, как и с тех пор, как животные стали многоклеточными».Случайная (в ретроспективе) неудача облегчила работу.
Будучи аспирантом, изучающим аскариды C. elegans, Адлер решил проверить действие анестетиков против круглых червей на плоских червей. Одна, ванна с азидом натрия, усыпила планарий, но заставила их глотки опускаться.
В ужасе Адлер вскоре понял, что раствор азида (который выжил планарии) оставил однородное, минимально деструктивное поражение. Так родился «метод селективной химической ампутации», позволяющий проводить крупномасштабный анализ и надежную количественную оценку результатов и избавляя исследователей от утомительных часов за препаровальным микроскопом.
Но зачем тратить столько усилий, чтобы стать первопроходцем в исследованиях регенерации на моделях мелких животных? Ответ очевиден как для Адлера, так и для Санчеса Альварадо. «Потому что регенерация ограничена и ее трудно изучать на людях и мышах», — говорит Адлер. «Планарии обладают безграничной способностью восстанавливать все органы. Понимая эту расширенную способность, мы можем узнать, как ускорить регенерацию млекопитающих».
Санчес Альварадо заключает, что эта работа укрепляет место планарии как поддающейся обработке модельной системы для анализа регенерации или активности стволовых клеток. «Простота Planaria — это то, что делает ее такой плодотворной для ответов на вопросы, относящиеся к регенерации», — говорит он. «Если бы мы использовали саламандр для этих исследований, на проведение эксперимента ушло бы 90 дней. Я хочу получить ответы на эти вопросы вчера, а не через годы».