Ученые ищут способы регенерации тканей тела человека в генах кишечнодышащих
Все этапы регенерации кишечнодышащего червя
Что было бы, если бы люди могли отращивать ампутированные конечности или полностью восстанавливать функции нервной системы после травмы спинного мозга? Новое исследование беспозвоночных кишечнодышащих показало, что однажды это может стать реальностью.
Предположительно, кишечнодышащие черви являются ближайшими родственниками хордовых. Некоторые ученые считают, что хордовые произошли именно от кишечнодышащих и рассматривают последних как «недостающее звено» между беспозвоночными и позвоночными. Генетическая структура и строение тела этих червей удивительно похожи на человеческие.
Исследование ученых из Вашингтонского университета показало, что кишечнодышащие черви могут отрастить все основные части тела, в том числе голову, нервную систему и внутренние органы из ничего, после того, как их разрезали пополам. Если ученые найдут гены, отвечающие за этот механизм, тогда они смогут повторно вырастить конечности человека посредством управления похожим геномом.
«Мы разделяем тысячи генов с этими животными, и у нас много, если не все, тех же самых генов, которые используются для восстановления структуры тела. Это может иметь последствия для регенерации центральной нервной системы в организме человека, если мы сможем определить механизм, который используют черви для создания новых органов и тканей», — отметил ведущий автор исследования Шон Латтрел (Shawn Luttrell).
Неповрежденное тело червя. Его голова находится с левой стороны, червя разрежут посередине.
Новое исследование показало, что когда кишечнополостных — один из немногих оставшихся в живых видов полухордовых — разрезают пополам, она регенерирует части головы или хвоста на каждом противоположном конце в идеальных пропорциях к существующей половине. Представьте себе, если разрезать человека пополам, нижняя половина будет растить новую голову, а верхняя — ноги.
Нижняя половина тела червя после разрезания. Рамкой отмечена зона, из которой червь будет отращивать новую голову.
Через три или четыре дня черви начинают отращивать хоботок и рот, пять-десять дней уходит на то, чтобы вырастить сердце и почки.
Через 5 дней после разрезания. Срез снят крупным планом. Сформирована рудиментарная голова и ротовая полость с хоботком.
На 15 день черви отращивают совершенно новою нервную трубку, которая по своим функциям соответствует человеческому спинному мозгу. После того, как червь восстановил все функции организма, он продолжает полноценное существование и может производить здоровое потомство.
Срез крупным планом через 15 дней. Сформирована более развитая голова и нервная трубка, восстанавливается нервная система и функции органов.
Команда биологов уверена, что регенерация дает отдельным животным и популяциям бессмертие. Их ткани не просто регенерируются, они повторно восстанавливаются в тех же самых пропорциях. После того, как кишечнодышащие отращивают себе какую-либо часть тела, их уже нельзя отличить от тех особей, которым никогда не приходилось этого делать.
Исследователи также проанализировали экспрессию генов после того, как черви вырастили новые части тела. Это первый важный шаг для понимания механизмов, управляющих регенерацией. Они подозревают, что «пульт центрального управления регенерацией» — ген или набор генов, ответственные за активацию характера генетической активности. Механизм работает таким образом, как будто клетки независимо друг от друга читают инструкцию, насколько далеко ротовое отверстие должно быть от жаберных щелей и в какой пропорции относительно других частей тела.
Когда структура этих генов станет известна, можно будет собрать образцы тканей человека, перенесшего ампутацию, а гены в клетках этих тканей активировать для регенерации. Затем, утверждают исследователи, достаточно поместить трансплантат ткани на срез утерянной конечности, и тогда она вырастет до нужного размера.
Ученые уверены, что у людей есть потенциал для регенерации, но что-то не позволяет ей происходить. Билли Свалла (Billie Swalla), директор Friday Harbor Laboratories считает, что у людей есть те самые гены, которые заставляют ткани восстанавливаться. Нужно только понять, как активировать их.
Регенерация распространена среди множества видов животных. Среди позвоночных она сильнее всего развита у земноводных и рыб. Человек способен восстанавливать в какой-то степени части органов и клеток кожи, но он потерял способность к полной регенерации утраченных частей тела. Ученые подозревают, что на то есть несколько причин.
Наша иммунная система в попытках остановить кровотечение или предотвратить инфекцию может препятствовать регенерации, образуя рубцовую ткань на ранах. Или слишком большие размеры человека по сравнению с другими животными делают регенерацию слишком энергозатратной. Замена конечности не может быть эффективной с точки зрения расходуемой на это энергии, если мы можем приспособиться к использованию девяти пальцев вместо десяти или одной руки вместо двух.
Сейчас команда ученых пытается выяснить, какой тип клеток черви используют для регенерации. Исследователи предполагают, что это могут быть стволовые клетки, способствующие восстановлению тканей, или другие типы клеток, которые можно переориентировать на возобновление роста конечностей. Они также надеются активировать гены, чтобы стимулировать полную регенерацию у животных, которые сейчас не могут полностью восстанавливать все ткани.
Научная работа опубликована в журнале Developmental Dynamics 25 октября 2016 года
DOI: 10.1002/dvdy.24457
