Studie kmenových buněk planárních plochých červů umožnila vědcům z MIT prokázat, že některé buňky dospělých červů, nazývané neoblasty, si zachovávají pluripotenci. Jinými slovy, jsou schopny generovat jakýkoli typ buněk, nejen buňky určitého typu tkáně. U všech ostatních skupin zvířat jsou pluripotentní pouze buňky raných embryonálních stadií, nikoli však buňky dospělých organismů. Experimentálně bylo prokázáno, že zvíře se může zcela regenerovat pouze s jednou živou kmenovou buňkou. Kromě toho pokračuje dekódování genetických kaskád, které určují předozadní polaritu planárního těla. Tyto regulační kaskády jsou zřejmě jedním z nejzákladnějších mechanismů tvorby těla u mnohobuněčných živočichů.
Regenerace – obnova ztracené nebo poškozené tkáně – je jednou z nejdůležitějších funkcí tkání mnohobuněčných organismů, ať už jde o bezobratlé zvíře nebo člověka. Pro lidi je přirozeně mnohem důležitější pochopit, jak probíhá regenerace v lidských tkáních – koneckonců je to cesta k rychlému hojení ran nebo dokonce k rekonstrukci ztracených oblastí určitých tkání nebo orgánů. Masové praktické využití těchto lékařsky důležitých informací je však ještě daleko. Mezitím se vědci snaží vytvořit mechanismus – genetický a fyziologický – pro regeneraci tkání. A nejlépe se sem hodí nejjednodušší modelové organismy, jako jsou planární ploštěnci. Jejich skutečně fantastická schopnost obnovit tělo i z malého zbývajícího kousku je již dlouho známá (zde se můžete podívat na skvělé obrázky planární regenerace).
Právě planáriky se staly objektem nového studia regeneračních mechanismů. Pod vedením Petera Reddiena z Massachusetts Institute of Technology (MIT, Cambridge, USA) byly provedeny dvě doplňující studie. První je věnována dynamice dělení tzv. neoblastů – buněk, ze kterých se tvoří všechny ostatní typy buněk v planaria a které si zachovávají schopnost dělení po celý život červa. To znamená, že neoblasty lze považovat za analog kmenových buněk. Další práce zkoumá proces regenerace předního a zadního konce planárního tělesa. Zde je kladen důraz na biochemické mechanismy, které regulují „rozhodování“ tkáně o tom, který konec těla vyroste – ocas nebo hlava. Je třeba poznamenat, že ve světě zvířat se mnoho skupin zvířat vyrovnává s rostoucími novými ocasy, ale téměř nikdo se nevyrovnává s rostoucími hlavami. Planarian je tedy v tomto ohledu vynikající génius.
Takže neoblasty. V těle planária je asi 30 různých typů buněk, které tvoří ento-ekto- a mezoderm; neoblasty jsou jen jedním z nich.
Anatomická stavba planárií. Obrázek z webu www.geochembio.com
Neoblasty jsou rozmístěny víceméně rovnoměrně po celém těle, o něco více jich je soustředěno na předním konci těla před hltanem. Vědci stáli před otázkou, zda jsou neoblasty pluripotentní nebo multipotentní. První znamená schopnost vytvářet jakýkoli typ buněk, druhý – pouze buňky určitého orgánu nebo tkáně. Buňky blastuly jsou tedy pluripotentní – tvoří se z nich celý organismus se všemi jeho specializovanými buňkami; a buňky, například kostní dřeň, jsou multipotentní. Tvoří všechny různé krevní buňky, ale ne jiné tkáně. Pokud jsou neoblasty příkladem pluripotentních buněk, které fungují po celý život dospělého zvířete, pak se planaria stává objektem prvořadého významu pro studium všech otázek souvisejících s kmenovými buňkami – druh mouchy Drosophila resp. E. coli pro vědu o kmenových buňkách. Pokud jsou neoblasty multipotentními buňkami, pak jsou planaria jen jedním z vhodných, ale velmi početných objektů pro studium vývojové biologie. Vědci byli schopni prokázat, že neoblasty jsou stále pluripotentní buňky, které si zachovávají schopnost jakékoli diferenciace po celý dospělý život.
Aby to dokázali, vědci sledovali dynamiku dělení neoblastů po vystavení smrtelným dávkám ionizujícího záření. Neoblastové buňky a pouze ty exprimují gen smedwi-1 (Schmidtea mediterranea – toto je název planaria, který vědci vzali, a první písmena genu, který funguje v neoblastech, opakují počáteční písmena názvu druhu a rodu); Aby „viděli“ neoblastové buňky, vědci zaznamenali expresní produkty tohoto konkrétního genu. Většina neoblastů přestane fungovat (tj. smedwi-1 přestává být exprimován) po ozáření dávkou 500 rad, při léčbě dávkou 6000 rad všechny neoblasty odumírají. Vědci použili dávku 1750 4 rad, aby ponechali minimální, ale ne nulovou šanci na neoblastickou opravu. Jak ukázaly experimenty, určitý počet neoblastů po ozáření takovou dávkou skutečně přežil a začal se dělit. Byly umístěny na ventrální straně zvířete. 22. den po ozáření se u 16 % zvířat objevují stopy po práci jednoho nebo dvou neoblastů a po týdnu jsou vidět celé shluky neoblastů. Asi 4 % zvířat má jeden shluk a 20 % mají dva shluky. Postupem času se počet buněk ve shluku exponenciálně zvyšoval (neomezený růst) a XNUMX. den již byla planaria plně vybavena těmito životodárnými buňkami – bylo jich již tisíc. Počet samotných shluků se nezvyšuje. V důsledku toho byly všechny neoblasty potomky buněk, které byly předchůdci shluků, a nikoli jiných přeživších buněk těla.
Shluky neoblastů sedmý den po ozáření. Produkty Expression jsou označeny modře. smedwi-1. Fotografie z diskutovaného článku Klonogenní neoblasty jsou pluripotentní dospělé kmenové buňky, které jsou základem planární regenerace v Věda
Vědci také sledovali další osud kolonií neoblastů. Výsledkem byly progenitory různých typů buněk, zejména neuronů a střevních buněk. To bylo prokázáno demonstrací exprese genů specifických pro tyto typy buněk. To znamená, že neoblasty jsou schopné specializace v jakémkoli směru – jak střevní buňky, tak nervové buňky. Například tři neoblasty vždy stačí k obnovení hlavové části červa, dokonce i oči fotoreceptorů na hlavovém konci jsou obnoveny.
Mimořádně elegantní experiment byl také proveden s cílem oživit ozářeného červa transplantací jediného neoblastu do umírající tkáně. Planaria byla ozářena smrtelnou dávkou 6000 rad, po které všechny neoblasty zemřely a začala degenerace tkáně. K degeneraci tkání u planárů dochází od hlavy k ocasu, což je přesně to, co vědci pozorovali v experimentu po ozáření. 6 týdnů po ozáření umírají všichni planáři bez výjimky. Ale pokud je jeden (jeden!) neoblast transplantován do ozářeného červa, pak ani po 7 týdnech nezemře. Navíc se jeho tkáně začnou regenerovat. Po 8 týdnech regenerace skončí: planaria přežila, vytvořil se hltan a oči. Jaké buňky sloužily jako zdroj obnovy? To lze otestovat: vědci testovali některé geny od dárce transplantovaného neoblastu a podobné geny od naštěstí zachráněného planária. Tyto geny se ukázaly být stejné. To znamená, že jediný transplantovaný neoblast dal vzniknout všem buňkám přeživších červů. Vědci získali živý klon. Tento klon se mohl množit nepohlavně. Transplantační experiment tedy poskytuje vynikající důkazy pro pluripotenci neoblastů.
Po ozáření dávkou 6000 rad začíná degenerace tkáně a červ nevyhnutelně umírá: hvězdičky označují oblasti s odumřelou tkání. Pokud je však do ní transplantován jeden neoblast, začne regenerace odumřelé tkáně, tkáně se obnoví a červ po „klinické“ smrti ožije: šipky ukazují místa s regenerující se tkání a novými očima v oživený červ. Fotografie z diskutovaného článku „Klonogenní neoblasty jsou pluripotentní dospělé kmenové buňky, které jsou základem planární regenerace“ v Věda
Zjednodušené schéma ovládání wnt1– kaskáda při regeneraci hlavy a ocasu; jednu z hlavních rolí má gen notum: přestane fungovat wnt1. Diagram z diskutovaného článku Polarized notum Aktivace u ran inhibuje funkci Wnt, aby podpořila planární regeneraci hlavy v Věda
Nyní řekněme, že červ má zdravé neoblasty a může snadno regenerovat ztracené části těla (nebo dokonce zcela obnovit mrtvou tkáň), ale jak buňky poznají, na který směr se specializovat? Přirozeně existuje mnoho mechanismů fungujících tady a teď, určovaných bezprostředním biochemickým prostředím vyvíjející se buňky. Jde však pouze o obecný princip, specifika většinou zůstávají neznámá. Pro planaristy bylo možné ukázat, jak buňky rozpoznávají, kde se nachází přední a zadní část. Jinými slovy, vědci přišli na to, jaké biochemické příkazy buňkám říkají, zda se mají specializovat na přední nebo zadní část těla nebo zda si nechat narůst hlavu nebo ocas. Během procesu regenerace tkáně se aktivuje zcela specifická genová regulační kaskáda, spuštěná genovou expresí wnt1. Prostřednictvím specifických povrchových proteinů reguluje množství beta-kateninu, který řídí expresi jaderných genů. Výraz wnt1 vedené podél okrajů řezů, ať už jsou na předním nebo zadním konci zvířete, směřující dopředu nebo dozadu.
Nicméně gen notum je vyjádřena pouze od toho okraje řezu (rány), který směřuje dopředu, směrem k hlavovému konci. Genový analog notum známý z Drosophila; u much hraje důležitou roli v embryonálním vývoji potlačením exprese wnt, u savců tento gen řídí proces růstu. V planaria, jak se ukázalo, notum ničí také povrchové proteiny, na které se váže wnt1a tímto způsobem brzdí jeho práci. V důsledku toho, kde je vyjádřen notum, vzniká hlava s fotoreceptorovýma očima a tam, kde není vyjádřena, roste ocas. Tak notum nějak – přímo či nepřímo – souvisí s určením předozadní polarity těla.
Planarians, které se regenerovaly za podmínek léčby různými inhibitory: vlevo — diagram planaria s místem amputace předního konce; na levé fotce – inhibice wnt1: planaria vyrostla druhá hlava se dvěma fotoreceptory; ve středu – inhibice notum: planaria vyrostl druhý ocas; na pravé fotografii – inhibice beta-kateninu a notum: Zvířeti narostla druhá hlava. Foto z diskutovaného článku Polarized notum Aktivace u ran inhibuje funkci Wnt, aby podpořila planární regeneraci hlavy v Věda
Zde jsou vynikající experimenty, ve kterých vědci manipulovali s dílem notum. V tomto případě byla použita inhibice interferencí RNA. Pokud potlačíte výraz wnt1, pak zvířeti nenaroste ocas, ale místo toho bude mít hlavu navíc (foto vlevo). Pokud potlačíte výraz notumpak asi polovině zvířat naroste místo hlavy ocas (prostřední fotografie) a druhé polovině naroste defektní hlava s jedním fotoreceptorem místo dvou a v této defektní přední oblasti biochemické markery a morfologické znaky charakteristické pro objeví se ocas. Zapojení beta-kateninu do pracovního okruhu je potvrzeno duální inhibicí beta-kateninu a notum. V tomto případě probíhá regenerace, jako by byl inhibován pouze beta-catenin: roste hlava s fotoreceptory (foto vpravo).
Je třeba poznamenat, že určování předozadní polarity těla, a to i u tak jednoduchých zvířat, jako jsou planari, se provádí mnohem složitějším a složitějším systémem kaskádových regulací než zpětná vazba prostřednictvím notum. Takže můžete pěstovat planárii se dvěma hlavami nebo dvěma ocasy inhibicí jiného genu – Smed-příprava. Takže tento gen spolu s celou jeho kaskádou souvisí se společným rozhodováním o tom, kde je ocas a kde hlava.
Genová práce Smed-příprava potlačena pomocí RNA interference. Výsledkem bylo, že po amputaci předního úseku narostl planárovi defektní přední úsek s jedním okem (A) nebo druhý ocas (В). Fotografie z článku Daniel A. Felix, A. Aziz Aboobaker, 2010
Biochemické schéma pro určení předozadní polarity zvířecího těla je pro mnohobuněčné živočichy zjevně zcela jednotné. Vědci prokázali jeho působení na ploštěnce a zdůraznili jeho vysokou podobnost s mouchami a savci. Ale biochemické mechanismy regenerace, stejně jako cytologické mechanismy, jsou mnohem efektivněji studovány u ploštěnek než u savců. Proto se zdá, že bílá planaria má velkou vědeckou budoucnost: stane se vynikajícím modelovým objektem pro studium základních principů opravy buněk a tkání u metazoanů.
Zdroje:
1) Daniel E. Wagner, Irving E. Wang, Peter W. Reddien. Klonogenní neoblasty jsou pluripotentní dospělé kmenové buňky, které jsou základem planární regenerace // Věda. 2011. V. 332. S. 811–816. Doi: 10.1126/science.1203983.
2) Christian P. Petersen, Peter W. Reddien. Polarizované notum Aktivace v ranách inhibuje funkci Wnt k podpoře planární regenerace hlavy // Věda. 2011. V. 332. S. 852–855. Doi: 10.1126/science.1202143.
