7 Minutės
Plokščiosios kirmėlės jau yra regeneracijos žvaigždės biologijos laboratorijose — perpjaukite vieną per pusę ir dažnai gausite dvi visiškai sveikas vienarūšes būtybes. Naujausi tyrimai, nagrinėjantys Stenostomum brevipharyngium, praneša apie įspūdingą natūralią anomaliją: individai, kurie vystosi su galvomis abiejuose galuose, ir jų palikuonys, gebantys apversti savo kūno ašies orientaciją. Šis atradimas atveria naujas įžvalgas apie kūno modelio plastikumą ir kelia naujus klausimus apie tai, kaip audiniai išsaugo orientacijos „atmintį“.
Netikėtas vystymosi posūkis besidauginančiose kirmėlėse
Varšuvos universiteto zoologai Katarzyna Tratkiewicz ir Ludwik Gąsiorowski fiksavo natūraliai atsirandančius dvigalvius individų atvejus rūšyje, kuri paprastai dauginasi pumpuravimu: klonas susiformuoja iš tėvinio organizmo vidurinės dalies, išauga galva, o vėliau formuojasi likusi kūno dalis. Kai kuriais retais atvejais, naujo organizmo posterioriniame gale vietoje uodegos atsirado antra galva.
Tai gali skambėti kaip laboratorinis triukas — ir iš dalies taip ir yra: ankstesni eksperimentai panaudojo bioelektrinius signalus, kad valingai priverstų plokščiasias kirmėles auginti dvi galvas arba dvi uodegas. Tačiau šiuo atveju dvigalvė morfologija pasirodė spontaniškai laukinėje (wild-type) populiacijoje. Dar daugiau netikėtumų atsiskleidė, kai mokslininkai mutantines kirmėles išpjovė į dalis ir stebėjo atsinaujinimą.
Stebėjimo kontekste svarbu pabrėžti, kad natūralus reiškinys mokslui suteikia unikalią galimybę ištirti kūno ašies nustatymo stabilumą be tiesioginės laboratorinės intervencijos. Tai leidžia palyginti spontaniškus ir indukuotus fenotipus ir gilinti supratimą apie regeneracijos biologiją bei bioelektrinį signalavimą, susijusį su ašies specifikacija.
Regeneracija, apsukanti kūno vidaus kompasą
Kai dvigalvės kirmėlės buvo perpjaunamos, kiekviena galva atsinaujindavo ir formuodavo uodegą priešinguose galuose. Svarbu pažymėti, kad šios naujai susidarę uodegos turėjo pilnai funkcionuojančius reprodukcinius organus, o tai reiškia, kad kai kurie palikuonys efektyviai apkeitė galvos ir uodegos vietas pagal pirminę kūno ašį. Praktikoje tai reiškia, kad vidurinės šių „apverstų“ kirmėlių ląstelės turėjo skirtingą ašies orientaciją negu ląstelės abiejuose galuose.
Autoriai Proceedings of the Royal Society B leidinyje rašo: „Iš esmės tokia regeneracija leidžia stabiliai apversti kūno ašies polaritetą nepažeidžiant organizmo išgyvenimo ar reprodukcinių gebėjimų.“ Kitaip tariant, nepaisant dramatiško anatominių polariteto permainų, kirmėlės toliau maitinosi, dauginosi ir palaikė pagrindines fiziologines funkcijas.
Šis reiškinys kelia esminį klausimą: kokie mechanizmai leidžia vienai organizmo daliai „persimokyti“ orientaciją, o kitoms dalims išlaikyti ankstesnę ašį? Ar tai yra vėlyvas vystymosi žingsnis, ar dinamiškas kamieninių ląstelių veikimo rezultatas? Atsakymai į šiuos klausimus turi reikšmės ne tik plokščiosios kirmėlės biologijai, bet ir platesnei regeneracinės biologijos bei audinių inžinerijos sričiai.
Kaip pluripotentinės kamieninės ląstelės gali suteikti lankstumo
Tyrėjai siūlo, kad tokia ekstremali plastika yra įmanoma todėl, kad plokščiosios kirmėlės išsaugo suaugusiųjų pluripotentinių kamieninių ląstelių (neoblastų) baseiną, gebantį generuoti bet kokio tipo ląsteles vykstant nuolatiniam audinių atsinaujinimui. Toks pluripotentiškumas leidžia dinamiškai pertvarkyti organus ir, galbūt, ištrinti griežtus orientacijos žymenis, kai audiniai atstatomi pumpuravimo metu arba po traumos.
Tratkiewicz ir Gąsiorowski taip pat diskutuoja galimas priežastis: ar organais būdingas paprastumas leidžia vykdyti tokią permainą, ar tai aktyvus kamieninių ląstelių pertvarkymas — arba abi priežastys kartu. Jie pabrėžia, kad kirmėlių gebėjimas atstatyti normalią fiziologiją net ir po gyvybiškai svarbių organų padėties apvertimo rodo ypatingą jų kūno plano fiziologinį lankstumą.
Ši idėja sutampa su ankstesniais plokščiosios kirmėlės regeneracijos tyrimais, kur nustatyta, kad neoblastai yra ne tik audinių atstatymo šaltinis, bet ir aktyvūs modelių kūrėjai — jie gali prisidėti prie poslinkių, perkrovimų ir naujų anatominių tvarkų formavimosi. Tokiu būdu kamieninės ląstelės veikia kaip medžiaga ir informacijos šaltinis, leidžiantis organizmui „persitvarkyti“ keičiant ne tik užaugusių dalių struktūrą, bet ir funkcinę orientaciją.
Kodėl tai svarbu regeneracinės biologijos srityje
Mokslininkai tiria plokščiasias kirmėles, nes jų regeneraciniai sugebėjimai suteikia įžvalgų apie modelio formavimą, kamieninių ląstelių elgseną ir bioelektrinį signalavimą — aspektus, kurie turi potencialią vertę translacijiniame kontekste. Supratimas, kaip organizmas gali apversti savo vidinę ašį ir vis tiek veikti normaliai, griauna mūsų prielaidas apie fiksuotus kūno žemėlapius ir gali informuoti audinių inžinerijos strategijas, kurioms reikia atkurti orientaciją po traumos.
Iš fundamentinės mokslinės perspektyvos šis atradimas kelia mechanistinius klausimus: kokie molekuliniai ženklai žymi ašies orientaciją suaugusiuose audiniuose? Kaip šie ženklai yra išlaikomi arba perrašomi pumpuravimo ir regeneracijos metu? Ir kokį vaidmenį atlieka bioelektriniai laukai stabilizuojant galvos ir uodegos tapatybę per laiką?
Bioelektriniai signalai, susiję su jonų kanalų pasiskirstymu ir membranos potencialo skirtumais, anksčiau buvo susieti su galvos ir uodegos identiteto nustatymu kitose plokščiosioms kirmėlėms skirtose studijose. Tačiau šiuo atveju, kai dvigalvės morfologijos pasirodo natūraliai ir perduoda inversiją palikuonims, reikia papildomų eksperimentų, kad būtų galima nustatyti, ar bioelektriniai mechanizmai inicijuoja, palaiko arba tik vykdo downstream veiksmus kamerinių ląstelių ir genų tinklų persitvarkymo metu.
Implikacijos ir tolimesnės kryptys
Ateities eksperimentai galėtų žemėlapiuoti genų ekspresijos profilius, sekti kamieninių ląstelių linijas ir manipuliuoti bioelektriniais ar biocheminiais signalais pumpuravimo metu, siekiant išsiaiškinti, kada ir kaip ašies informacija tampa fiksuota arba reversiška. Ypač vertinga būtų atlikti sistemines laiko serijas, derinančias transkriptomiką, epigenetiką ir funkcines manipuliacijas, kad būtų galima atsekti perrašymo sprendimo momentus ir mechanizmus, kurie užtikrina stabilumą arba leidžia keistis orientacijai.
Taip pat lyginamoji analizė tarp skirtingų plokščiosios kirmėlės rūšių gali atskleisti, ar ši lankstumo forma yra unikali Stenostomum brevipharyngium, ar plačiau paplitusi tarp regeneracijos kompetentingų bestuburių. Jei panašios savybės bus aptiktos kitose rūšyse, tai reikštų, kad tam tikri molekuliniai arba fiziologiniai mechanizmai yra bendri ir galėtų būti panaudoti platesniu mastu audinių inžinerijoje.
Trumpuoju laikotarpiu natūralus dvigalvių plokščiosios kirmėlės atvejis ir jų palikuonių gebėjimas invertuoti kūno polaritetą pateikia gyvą demonstraciją, kad kūno planai gali būti daug lankstesni nei atrodo iš paviršiaus. Tokia idėja gali pakeisti biologų požiūrį į vystymosi atmintį, funkcinį audinių pertvarkymą ir praktines strategijas, skirtas atkurti orientaciją klinikinėse situacijose.
Eksperto įžvalga
„Šie stebėjimai pabrėžia, koks netikėtai atsparus ir lankstus gali būti paprastas kūno planas,“ sako dr. Elena Morales, regeneracinės biologijos tyrėja Institute for Integrative Biology (fiktyvus institutas). „Jeigu suaugę audiniai gali perrašyti polaritetą neprarandant funkcijos, tai atveria naujas galimybes, kaip galėtume įtikinti žinduolių audinius persitvarkyti po traumos — bet pirmiausia turime suprasti signalus, leidžiančius saugiai perrašyti orientaciją.“
Tyrimas publikuotas Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences ir prisijungia prie augančio plokščiosioms kirmėlėms skirtų darbų kūrinių, kurie tiria regeneracijos, ašies nustatymo ir kamieninių ląstelių valdomo audinių pertvarkymo pagrindus. Ši literatūra suteikia daug informacijos mokslinės pažangos ir potencialių taikymų audinių inžinerijoje bei regeneracinėje medicinoje.
Apibendrinant, natūraliai atsirandančios dvigalvės plokščiosios kirmėlės suteikia retą ir vertingą modelį tirti, kaip organizmai gali perrašyti savo vidinę erdvinę organizaciją. Derinant molekulinius, ląstelių biologijos ir biofizikos metodus, ateities darbai galėtų identifikuoti tikslius signalus ir ribinius sąlyginius veiksnius, kurie lemia ar leidžia ašies inversiją. Tokios žinios gali būti esminės kuriant naujus gydymo metodus, kur orientacijos atkūrimas po traumos yra būtinas dalies organų ar audinių funkcijos atstatymui.
Galiausiai, ši istorija primena, kad net gerai ištirtose laboratorijose plintantys fenotipai gali atskleisti naujus biologinius principus, kurie iš pradžių atrodo egzotiški, bet vėliau tampa kertiniais elementais suprantant audinių organizaciją, fiziologinę adaptaciją ir evoliucinę įvairovę regeneracijos gebėjimuose.
Šaltinis: sciencealert
Palikite komentarą