Регенерация органов

Двухголовая планария



Биологи из американского университета Тафтса отправили червей Dugesia japonica в космос, и убедились, что их поведение, метаболизм и микробиом подвергаются при отсутствии гравитации и воздействии геомагнитных полей значительным изменениям. Кроме того, в космосе черви чаще делились бесполым путем, а один беспрецедентным образом регенерировал в двухголовую особь. Исследование опубликовано в Regeneration.

Dugesia japonica — плоский червь из семейства планариевые класса ресничных червей. Это одни из самых примитивных свободноживущих червей — они не имеют кровеносной системы, пищеварительная система их замкнута (у них нет анального отверстия), и выделительная и нервная система тоже крайне примитивны. Планарии славятся своими способностями к регенерации. Во-первых, им свойственно бесполое размножение, когда взрослая особь делится поперек, в результате чего получается две одинаковые дочерние особи. Во-вторых, планарии способны отращивать недостающие части тела после их ампутации, в том числе — голову.

Регенеративные процессы регулируются не только химическими, но и физическими сигналами. Каким образом на них влияют отсутствие гравитации и геомагнитные поля до сих пор было не вполне ясно. Чтобы изучить этот вопрос, ученые отправили червей с ампутированными головами и хвостами и целых червей на Международную космическую станцию на пять недель. Животные содержались в темноте, в пробирках с водой и воздухом. После этого их вернули на Землю и в течение двадцати месяцев наблюдали за их жизнедеятельностью.

Один из 15 червей-ампутантов регенерировал в двухголовую особь - ученые отмечают, что за пять лет работы ни одна из пятнадцати тысяч подопытных планарий таких способностей не проявляла. Согласно этой статистике, вероятность случайного возникновения двухголовости составляет меньше сотой доли процента. После того, как обе головы вновь ампутировали, планария еще раз отрастила две, что говорит о том, что характеристики строения тела ее поменялись существенным образом.

Кроме того, по сравнению с контрольными планариями, оставшимися на Земле, космические особи много занимались бесполым делением. Ученые отмечают, что это, однако, могло быть связано с температурными изменениями на станции.

Целые черви, вернувшись из космоса, при помещении их в «домашние» условия и свежую воду сначала скрутились и оставались неподвижными в течение часа, но затем постепенно вернулись к нормальной жизнедеятельности. По-видимому, чтобы перестроиться на прежние условия, их организму требовалось некоторое время. Однако даже спустя двадцать месяцев поведение этих червей отличалось от контрольных. Они реже размножались, кроме того, такие черви предпочитали находиться на свету дольше, чем контрольные особи (тридцать процентов времени против обычных пяти).

Микробиом (бактериальные симбионты) их подверглись значительным изменениям. Возросло число колоний Chryseobacterium и снизилось число Variovorax, Herminiimonas и некоторых других. При этом микробиом не возвращался к исходному состоянию с течением времени. Химический состав воды, в которой они жили, показал, что и метаболизм и состав продуктов секреции их также существенно изменились. У космических червей в окружающей среде наблюдалось больше жирных кислот и таких белков, как фибриллин, миозин и тубулин.

В следующем эксперименте ученые планируют учитывать температурные изменения и повторять их в контрольной группе, а также проводить ампутации не на Земле, а на космической станции (сейчас это запрещал протокол безопасности космонавтов), чтобы иметь возможность проследить регенерацию в космосе от начала и до конца. Ученые полагают, что исследования такого типа помогут лучше понять, что происходит с организмами более высокоорганизованных существ в космосе, в том числе, как работают процессы регенерации у самих космонавтов.

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/ful ... 02/reg2.79
https://nplus1.ru/news/2017/06/10/space-worms

Живучие беспозвоночные губки, протертые через сито



Представьте: вас растерли на мелкой терке, получившийся фарш положили в тазик с водой на неделю, а потом, примерно через неделю, вы из этого клеточного месива собрались в нормального человека. Теперь представьте, что вас с лучшим другом пропустили через эту же терку, фарш тщательно перемешали и положили в корытце побольше… И через неделю образуется не ужасный Франкенштейн (и даже не сиамские близнецы), а вы с другом, целые и исходные, как ни в чем не бывало вылезаете из корытца. Думаете, это галлюцинаторный бред воспаленного сознания? А вот нет, древние морские беспозвоночные губки как раз способны на такое.

Губки живут во всех водоемах нашей планеты, за исключением разве что подледных озер Антарктиды или экстремальных термальных источников. Однако чаще всего губки остаются незаметными для человека, потому что выглядят как непримечательные наросты на водорослях, камнях и других подводных субстратах. И так же непримечательно они проводят свою взрослую жизнь: сидят себе неподвижно на камушках, да фильтруют воду для питания и дыхания.

Устроены губки предельно просто, что наделяет их невероятной способностью к регенерации. Они могут восстанавливать не только потерянные части, но и полностью регенерировать из небольшого фрагмента тела. Хотя для беспозвоночных животных это не является чем-то уникальным, например, высокой регенерацией обладают также медузы, кораллы, морские звезды и многие другие организмы. Однако все они не ровня губкам, которые могут восстановить свое тело даже из отдельных клеток (а этот процесс называется реагрегацией).

Протирая кусочки тканей губки через мелкоячеистое сито в воду, можно получить клеточную суспензию — взвесь одиночных, не соединенных друг с другом клеток. Клетки в суспензии, оставшись без нормального для них тканевого окружения, не погибают, а начинают активно перемещаться в поисках своих соседей. Причем двигаются клетки губок почти как амебы, используя ложноножки.

При встрече блуждающие клетки слипаются и дальше путешествуют вместе. Со временем такие случайные встречи приводят к формированию агрегатов. Обычно агрегат получается не один, и каждый из них в дальнейшем имеет шанс стать отдельной особью. Специализированные клетки исходной губки в составе агрегатов теряют характерные особенности строения и превращаются в подобие стволовых клеток, а сами агрегаты представляют собой бесструктурные комочки.

Формирование многоклеточных агрегатов — процесс видоспецифичный. То есть при смешивании суспензий от двух видов губок, клетки от разных видов не будут объединяться друг с другом. Более того, если смешать клетки разных особей одного вида, то клетки рассортируются и произойдет формирование агрегатов, состоящих только из клеток одной особи. Эти простые эксперименты однозначно указывают, что даже у таких древних животных, как губки, есть система распознавания «свой-чужой». Сходные, но более сложные механизмы позволяют клеткам нашей иммунной системы искать чужеродные элементы в организме и бороться с раковыми клетками.

Но вернемся к судьбе многоклеточных агрегатов. Со временем клетки в их составе начинают дифференцироваться, то есть приобретают специализацию. Первыми дифференцируются поверхностные клетки: они приобретают уплощенную форму и формируют эпителий, внешний слой клеток. Агрегаты с поверхностным эпителием ученые называют примморфами.

В благоприятных условиях примморфы губок развиваются дальше, и этот процесс затрагивает уже внутренние части агрегатов. Начинаются сложные клеточные миграции и дифференциации, которые в конечном счете приводят к полному восстановлению исходной организации губки. Восстановившиеся губки ничем не отличаются от исходных особей (за исключением мелких размеров) — они так же фильтруют воду и со временем могут приступить к размножению. Таким образом, из суспензии отдельных клеток формируется полностью функциональный и жизнеспособный организм.

К сожалению, реагрегация может происходить только в лаборатории. В естественных условиях клетки будут разнесены течениями и никогда не встретятся друг с другом. Но изучение процесса реагрегации позволяет напрямую прикоснуться к самой главной особенности губок — фантастической пластичности их тканей и клеток.



Общая схема процесса реагрегации клеток и восстановления губки из суспензии клеток. А — суспензия клеток, Б — многоклеточный агрегат, В — примморф, агрегат с поверхностным эпителием, Г-Е — постепенное восстановление исходной организации губки.

В отличие от других животных, которые могут активно передвигаться в случае наступления неблагоприятных условий, губки всю свою жизнь остаются неподвижными и не могут изменить условия среды вокруг себя. Но эти древние животные нашли другой путь — они меняют себя. Почти все клетки их тела постоянно движутся и порой меняют специализацию, а сами губки постоянно перестраиваются и оптимально адаптируются к условиям среды. Какие именно механизмы лежат в основе пластичности тканей губок еще предстоит узнать.



https://nplus1.ru/blog/2017/12/26/sponge-regeneration

«Остекленение» тихоходок



Американские ученые опубликовали статью, в которой подтвердили свою гипотезу об уникальном механизме, позволяющем тихоходкам переживать высыхание. «Маленькие водяные медведи», как впервые назвали этих существ еще в 1773 году, способны замещать жидкость в своем теле специальным стекловидным веществом, и это помогает им пережидать засушливые времена.

Тихоходки — микроскопические беспозвоночные, длина тела которых не превышает полутора миллиметров. Они живут во влажной среде, где питаются водорослями и мхом, медленно передвигаясь на четырех парах коротких и толстых ног. У них нет ни дыхательной, ни кровеносной системы, но есть пищеварительная, нервная и половая. Некоторые специалисты считают их родственниками членистоногих, другие относят их ближе к круглым или кольчатым червям. Известно чуть менее тысячи видов тихоходок, сто двадцать из которых встречаются в России.

Тихоходки обладают поразительной выносливостью. В плохие времена они впадают в анабиоз, втягивают конечности, уменьшаются и принимают вид покрытого восковой оболочкой бочонка. Метаболизм при этом замедляется в десять тысяч раз, а содержание воды в организме уменьшается до одного процента. В благоприятных условиях тихоходка быстро приходит в себя и оживает.

Эти животные способны переносить температуру в -20 градусов Цельсия в течение тридцати лет, могут полтора года жить в жидком кислороде при -193 градусах и выдерживают восьмичасовое охлаждение жидким гелием до -217 градусов. Их можно целый час кипятить в воде, и они все равно выживут. Не погубит их ни давление в 6000 атмосфер, ни пребывание в чистом сероводороде или углекислом газе. Половина тихоходок выживает в рентгеновском излучении, в тысячу раз превышающем смертельную дозу для человека. В одном из недавних знаменитых экспериментов тихоходок отправили в открытый космос и облучали там в вакууме ультрафиолетом. Даже среди подвергнутых самому жесткому облучению тихоходок нашлись те, что сумели выйти из анабиоза и дать потомство.

Способность тихоходок в сто раз снижать количество воды в своем организме давно представлялась любопытной загадкой для ученых. Некоторым организмам помогает переживать засушливые времена углевод трегалоза, и раньше ученые полагали, что это свойственно и тихоходкам.

Исследователи из университета Северной Каролины обнаружили в геноме тихоходок вида Hypsibius dujardini группу генов, которые ответственны за производство специфических для тихоходок «внутренне разупорядоченных» белков, заменяющих почти всю воду в организме стекловидной матрицей. Они относятся к трем типам - цитозольным, экскретируемым и митохондриальным белкам. С помощью биоинформатических предсказаний, а также ЯМР, метода кругового дихроизма и других исследований было показано, что все эти белки действительно не имеют четкой вторичной структуры. Ученые назвали их TDP (tardigrade-specific intrinsically disordered proteins), чтобы подчеркнуть их специфичность к тихоходкам и отделить от других разупорядоченных белков, поскольку гомологов в живой природе у них не нашлось. В данный момент ученые сообщают, что гена фосфатазы, необходимой для синтеза трегалозы, в сборке генома H. dujardini они не обнаружили — по-видимому, соответствующие функции здесь выполняют только TDP.

Чтобы исследовать работу этих белков, гены тихоходки Hypsibius dujardini вставляли в геномы человеческих культур, дрожжей и бактерий, наблюдая у них нужные эффекты при высыхании. Ученые выяснили, что когда тихоходка начинает терять жидкость, в ее клетках запускается экспрессия генов, кодирующих TDP. Чем больше у тихоходки таких генов, тем она лучше справляется с отсутствием воды - поэтому разные тихоходки обладают разной способностью к выживанию при засухе. Paramacrobiotus richtersi, например, умирает, при этом в ее геноме есть всего 22 из 52 исследуемых TDP. Белки заполняют цитоплазму, формируя внутри клетки прозрачную аморфную субстанцию. Существуют две гипотезы, согласно которым организм выживает при такого рода процессе, который изучен и для трегалозы. Согласно первой, все важные молекулы, которые могут пострадать от высыхания — белки, нуклеиновые кислоты, соединения мембран — физически застревают в порах стекловидной матрицы, что предотвращает их разрывы, неправильное сворачивание или слипание. Согласно второй, сильно гидрофильные молекулы TDP (или, у других животных, трегалозы) непосредственно замещают молекулы воды в цитоплазме, формируя вместо них водородные связи с крупными соединениями. Когда в клетках вновь появляется избыток воды, TDP растворяются в ней и "отпускают" все другие молекулы обратно.

Ученые полагают, что включение генов, предотвращающих разрушение важных соединений внутри клеток, в геномы других видов - например, растений, может позволить спасать урожаи во время засухи. Другой вариант применения новых знаний — включение TDP в состав вакцин или лекарств. Выяснилось, что если смешать такой белок, например, с ферментом лактатдегидрогеназой, который обычно разрушается при удалении воды, и высушить такую смесь, то при вторичном разбавлении лактатдегидрогеназа остается функциональной на сто процентов. Такой метод может позволить сильно сэкономить при транспортировке медикаментозных средств, поскольку им не потребуется специальных охладительных устройств для сохранения воды.

https://www.cell.com/molecular-cell/ful ... all%3Dtrue
https://nplus1.ru/news/2017/03/17/tardigrada

Новые лапки лягушек взамен отрезанных

Южноафриканские гладкие шпорцевые лягушки (Xenopus laevis) — вид, который часто выступает модельным организмом в различных экспериментах. Вот и опять международная команда учёных провела новое исследование с этими животными: специалисты отрезали земноводным лапки и ждали, когда вырастут новые. Вообще головастики гладких шпорцевых лягушек могут легко отрастить новый хвост или новые задние конечности, однако по мере взросления это умение «угасает». Если взрослая лягушка теряет ногу, на месте конечности вырастет нечто, больше похожее на длинный коготь, а не на лапку.



В ходе эксперимента учёные сначала отрывали взрослым гладким шпорцевым лягушкам лапки, а затем на место ампутированных конечностей помещали на сутки специальные ёмкости с гидрогелем на шёлковой основе под названием BioDome. Гидрогель был пропитан пятью разными препаратами, включая гормон роста и ретиноевую кислоту. Одна контрольная группа лягушек с ампутированными лапками никакого «регенерирующего лечения» не получала, другой (чтобы проверить, что воздействие оказывает именно смесь препаратов, а не механическое воздействие гидрогеля) на место ампутации помещали «пустой» гидрогель без лекарств. Через 24 часа ёмкости с лекарствами с культей лапок снимали — но этого времени хватало, чтобы запустить процесс регенерации.

В итоге в последующие 18 месяцев у участниц эксперимента, получивших лечение, вновь отрастали конечности с нервами, мышцами, костями и иногда даже чем-то похожим на перепонки. Это не были лапки — скорее структуры, эти лапки напоминающие. А вот у лягушек из обеих контрольных групп на месте лапок чаще всего вырастало нечто, лапки не напоминающее. По словам авторов эксперимента, их опыт может стать основой будущей работы по исследованию регенерации конечностей у людей. Однако пока остаётся неясным, применим ли такой подход к млекопитающим.

Считается, что раньше предки гладких шпорцевых лягушек, как и многие другие животные, умели регенерировать потерянные конечности во взрослом возрасте, однако в ходе эволюции эту способность утратили. Учёные же хотят её восстановить. В более ранних исследованиях, кстати, исследователи показали, что под влиянием гормона прогестерона у взрослых особей водной лягушки хрящевая ткань начинает расти активнее.

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abj2164
https://22century.ru/medicine-and-health/105281

Мишин писал(а): ↑

14.02.2022 08:35

Южноафриканские гладкие шпорцевые лягушки (Xenopus laevis) — вид, который часто выступает модельным организмом в различных экспериментах...

головастики гладких шпорцевых лягушек могут легко отрастить новый хвост или новые задние конечности, однако по мере взросления это умение «угасает». Если взрослая лягушка теряет ногу, на месте конечности вырастет нечто, больше похожее на длинный коготь, а не на лапку...

на место ампутированных конечностей помещали на сутки ... Гидрогель был пропитан пятью разными препаратами... этого времени хватало, чтобы запустить процесс регенерации.

В итоге в последующие 18 месяцев у участниц эксперимента, получивших лечение, вновь отрастали конечности с нервами, мышцами, костями и иногда даже чем-то похожим на перепонки. Это не были лапки — скорее структуры, эти лапки напоминающие...

Однако пока остаётся неясным, применим ли такой подход к млекопитающим.

раньше ... многие другие животные, умели регенерировать потерянные конечности во взрослом возрасте, однако в ходе эволюции эту способность утратили.

Ключевой вопрос статьи: Применим ли такой подход к млекопитающим?

Правильнее вопрос надо ставить так: Почему у высших животных нельзя только химическим способом регенерировать органы и конечности?

А каким "не чисто химическим" способом можно?