Зелені білки розкрили таємницю відродження саламандри

Нові уроки відрощування кінцівок дав ученим мексиканський аксолотль (Ambystoma mexicanum). Це створення - один з найвидатніших прикладів самовідновлення у тваринному світі.

Що там хвіст, як у деяких ящірок: аксолотль успішно відрощує нову повністю функціональну лапку, натомість відтятою, скрупульозно відтворюючи всі кісточки, всі м`язи, шкіру, судини, нервові волокна ... На це йде лише три тижні. Пошкоджені легкі або спинний мозок також у даних саламандр (та й у ряду інших), реконструюються чудово. І шрамів не залишається. От би і нам так.

Давно відомо, що починається відновлення органа з появи бластеми - схожого на пухлину скупчення клітин, які потім розмножуються і перетворюються в різні тканини. Ці нові клітини породжуються звичайними клітками на місці пошкодження, але при цьому клітини бластеми - недиференційовані. Однак вони якимось чином дізнаються, у що їм потім перетворюватися. Так що замість втраченої ноги жодним чином не може з`явитися хвіст. Ця система управління - справжня загадка, завісу таємниці над якою підняли нові досліди.

Загальна схема експериментів: трансгенну тварина синтезує флуоресцентний білок у всіх своїх тканинах. Цікавий вчених конкретний тип клітин від цього примірника пересаджують звичайному тварині, у якого потім відрізають кінцівку. Після проходження стадії бластеми кінцівку відрощувати заново, а флуоресціюючі маркери дозволяють точно встановити - в який тип клітин перетворилися пересаджені "прибульці" (Фото Martin Kragl et.al.).

Раніше біологи припускали, що клітини бластеми - плюрипотентні, тобто кожна з них може стати кліткою шкіри, м`язової тканини і так далі, даючи початок росту тієї чи іншої тканини. Група дослідників з Німеччини і США, яка опублікувала статтю в Nature, показала - це уявлення помилкове.

Щоб з`ясувати тонкощі регенерації, вчені впровадили ген, який відповідає за синтез зеленого флуоресцентного білка (знаменитий "нобелівський GFP", настільки важливий для підводних організмів) в аксолотлів.

Далі біологи по черзі брали у трансгенних тварин ті чи інші клітини і впроваджували їх немодифікованим саламандрам в район майбутньої травми. А оскільки генетична інформація про GFP зберігалася у всіх клітин - нащадків клітин запозичених, їхнє становище в організмі, в тому числі - в заново вирощеному органі, можна було з високою точністю відстежити.

Так відкрився дивовижний секрет.

Клітини бластеми - не ідентичні, хоча ще і не є клітинами тих чи інших тканин. Але вони пам`ятають - від яких клітин вони походять і таким чином колишні клітини м`язової тканини виробляють тільки м`язи, клітини нервових волокон - нові нерви, клітини шкіри - шкіру і так далі (за рідкісними винятками, про них - трохи нижче).

"У багатьох людей склалося враження, що ці самі клітини бластеми були всі одним і тим же", - Говорить Танака. Однак вийшло, що бластема - це не однорідна клітинна маса, а скупчення прогениторов, породжених різними тканинами, які, в свою чергу, породжують кожен свою специфічну тканину.

Тобто, незважаючи на стадію бластеми, ці стовбурові клітини залишаються по суті різними протягом усього процесу регенерації.

Після того, як кінцівка виросла заново, раніше запозичені шванновские клітини, що несуть ген GFP, поширюються і множаться точно уздовж нервових волокон, створюючи їх оболонки. І до того ж ніякі інші клітини вихідних тканин трохи перетворюються в шванновские (фото D.Knapp / E.Tanaka).

Зокрема експерименти показали, що шванновские клітини (складові захисну оболонку периферичних нервових волокон), отримані піддослідним земноводним від трансгенного екземпляра (а тому - що світяться зеленим), після стадії нібито плюрипотентних стовбурових клітин (як вважали раніше) породжують в вирощеної заново нозі тільки шванновские клітини.

Винятки відносяться до внутрішнього шару шкіри, де колишні клітки шкіри можуть в новій кінцівки звернеться хрящовими клітинами (і мігрувати до правильної позиції) або клітинами сухожилля. Але м`язами, допустимо, їм не стати.

Колишні до бластеми клітини м`язів в новій кінцівки тварини не стануть клітинами шкіри або хрящів, клітини хрящів - не стануть мускулами і так далі, - пояснюють біологи суть відкриття. Точно також, як ніякі клітки, крім клітин Шванна, пройшовши недиференційовані фазу, коли вони не навернулися клітинами Шванна в новому органі.

Цей результат суперечив раніше отриманим даним самих дослідників. Еллі зокрема вже показувала, що єдине м`язове волокно в регенерируемой кінцівки може звернутися в клітини різних типів. А це змусило вчених задуматися: яке ж складне перепрограмування самою природою йде в таких клітинах?

А виявилося - ніякого глибокого перепрограмування немає і все набагато простіше і витонченіше. Попередні дослідження застосовували набагато менш точні методи відстеження переміщення клітин, зокрема барвники, які могли "втекти" до інших клітин - так пояснюють автори нового досвіду свою колишню помилку.

Аксолотль, зокрема показаний тут мексиканський, як і виходять з них дорослі амбістоми, нерідко зустрічається в акваріумах. Цих земноводних розводять в багатьох країнах (фотографії wikipedia.org, Grzegorz Z., Dot Stasny, Andrew Little, chinabreed.com, patries71/flickr.com).

Дослідники також виявили, що деякі клітини, пам`ятають не тільки свою ідентичність, а й положення в організмі. Клітини хряща, наприклад, пам`ятають, що раніше вони утворювали плече, або нижню частину кінцівки, і мігрують туди ж в новому органі, в той час як всі клітини Шванна без розбору просто переміщаються в будь-яке місце, де вони потрібні.

Танака каже, що ця робота спровокує великий зсув у мисленні про вимоги до регенерації. Пояснюючи, чому саламандри можуть відновлювати кінцівки, а люди ні, вона пояснює: "Гіпотеза полягала в тому, що саламандри можуть сильно змінювати ідентичність кліток".

Але насправді, їх клітини ніколи не втрачають своєї "самобутності", - Випливає з нових експериментів, - навпаки, саламандри, як видається, використовують "обмежені" в своїх можливостях стовбурні клітини від конкретних тканин, здатні генерувати лише певну частину нової кінцівки.

Регенерована кінцівку саламандри. Клітини Шванна флуоресцируют зеленим, показуючи, що вони оточують нерви (червоний колір). В інших клітинах (синій), цього зёлёного білка не спостерігається, а значить шванновские клітини не перетворюються в клітини інших типів (фото D. Knapp / E. Tanaka).

Танака вказує на те, що люди також мають стовбуровими клітинами конкретних тканин, які замінюють відповідні види тканин. Тільки у нас таке загоєння йде повільно. "Саламандри не роблять щось набагато складніше, ніж здатні робити стовбурові клітини людини", - Радіє дослідниця.

А значить, підштовхування людських клітин до регенерації, можливо, не зажадає настільки радикального кроку, як перетворення клітин в плюрипотентні, ніж навперебій займаються в багатьох університетах та інститутах, демонструючи часом приголомшливі результати.

Але тепер виходить, що патент природи не передбачає повернення "клітинних годин" на настільки багато кроків назад, а відбувається лише невеликий "відкат". І процес цей більше нагадує експерименти з прямим перепрограмуванням одних типів клітин в інші, минаючи плюрипотентні стадію.

Вгорі: поширення шванновских клітин на 3-й, 7-й, 18-й і 25-й день після ампутації. Внизу: різні маркери і методи візуалізації дозволили вченим чітко відокремити одні типи клітин від інших (фото Martin Kragl et.al.).

Алехандро Санчес Альварадо (Alejandro Sanchez Alvarado), Дослідник з університету Юти і медичного інституту Говарда Хьюза, також вивчає феномен регенерації кінцівок у земноводних, визнає, що метод генетичної "татуювання" пересаджуваних клітин - чудовий новий спосіб дослідження регенерації тканин. І він, мовляв, показує, що гіпотеза про неоднорідність клітин бластеми вірна. (До речі, в тому ж журналі Nature Альварадо опублікував власну роботу на дану тему).

Але він попереджає, що вченим ще необхідно визначити, чи є цей принцип вірним і для дорослих аксолотлів, і для тритонів? Якщо той же самий механізм лежить в основі інших прикладів регенерації, це в корені змінить уявлення вчених про умови даного чудового процесу, - говорить Алехандро.

Але залишається без відповіді основне питання: якщо люди вже мають стовбурові клітини від різних диференційованих тканин, що все ж становить різницю між нашими клітинами і клітинами саламандр? І ширше - інших тварин?

Відкривали ж біологи небачену регенерацію тканин у мишей, домагалися регенерації крила у курчати, з геном відновлення хробака розібралися - Виходить - є приховані резерви.

Танака і її колеги мають намір розібратися з цим питанням: вони ще будуть проводити досліди в надії з`ясувати, які саме гени включаються на тих чи інших стадіях процесу і які молекулярні сигнали спонукають клітини на місці рани формувати бластів і слідувати по всьому подальшому шляху до відтворення кінцівки.