Аксолотль с ампутированной лапой готов к регенерации других частей тела

Саламандры — единственные позвоночные, способные полностью регенерировать конечности. Исследователи из Гарвардского университета установили, что при этому животного активируются стволовые клетки по всему телу, а не только в месте травмы. Эта реакция запускается симпатической нервной системой, знаменитой реакцией «бей или беги», вызванной выбросом адреналина. Авторы предполагают, что открытые ими механизмы помогут улучшить регенерацию человеческих конечностей и органов. «У нас есть некоторые из тех же компонентов, и нам просто нужно найти правильный способ их применения», — говорит Дуйгу Пайзин-Догру с факультета стволовых клеток и регенеративной биологии Гарварда, первый автор статьи в Cell.

В лаборатории Джессики Уайтед, где работает Пайзин-Догру, много лет изучают регенерацию у аксолотлей, неотенических (способных к размножению) личинок саламандры Ambystoma mexicanum. При отделении конечности у аксолотля образуется бластема — опухоль, содержащая клетки-предшественники, которые дифференцируются и формируют новую лапку. Некоторые исследователи предполагают, что аналогичной способностью обладал древний общий предок всех четвероногих позвоночных, но впоследствии эта способность была утрачена в большинстве эволюционных линий, за исключением саламандр.

В 2018 году команда Джессики Уайтед сообщила, что ампутация конечности у аксолотля запускает пролиферацию клеток в противоположной конечности, а также в сердце, печени и мозге. Это явление авторы назвали «системной активацией», и оно происходило даже в том случае, если регенерацию удаленной конечности экспериментально блокировали, — следовательно, деление клеток по всему телу запускалось не факторами роста. При этом древний сигнальный путь mTOR, контролирующий рост и деление клеток у многих видов, активировался как в месте ампутации, так и в отдаленных тканях.

Теперь исследователи выяснили, что системную активацию клеточного деления стимулирует симпатическая нервная система. Точнее, адренергическая сигнальная сеть, та самая, которая контролирует непроизвольные реакции во время сильного стресса, такие как частота сердечных сокращений, дыхание и кровоток (реакция «бей или беги, описанная Уолтером Брэдфордом Кэнноном из Гарварда в 1915 году).

Авторы исследования продемонстрировали, что если активировать у аксолотля одну конечность, а затем вторую, то вторая регенерирует быстрее, в частности, быстрее инициируется активация бластемы (появляется транскрипт Prrx1). Это означает, что системная активация способствует регенерации других частей тела. Эффект непродолжителен — пролиферация клеток, вызванная ампутацией, продолжается всего несколько клеточных циклов, и если вторая ампутация происходит через четыре недели после первой, то она не ускоряется. Возможно, необходимые для регенерации высокие метаболические затраты ограничивают длительность системной активации.

По мнению исследователей, эта адаптация помогает саламандрам выжить, поскольку они часто теряют несколько конечностей в течение короткого времени из-за нападений хищников или особей своего вида. Аксолотль, потерявший лапу, становится легкой добычей, и новые травмы очень вероятны, что подтверждается наблюдениями у разных видов саламандр.

Авторы предположили, что молекулярные сигналы может передавать периферическая нервная система. Действительно, системная активация в другой конечности не происходит, если перед ампутацией перерезать нервы, передающие сигналы от ампутированной лапы или в противоположную лапу. Также авторы подтвердили, что в этом участвуют именно симпатическая иннервация, то есть канонический стрессовый путь.

После этого выяснили, какие рецепторы норадреналина (основного эффектора симпатической нервной системы) участвуют этом в процессе. Системную пролиферацию клеток подавляло введение йохимбина, антагониста альфа-2А-адренорецепторов (ADRA2A), но не воздействие на другие типы рецепторов. В то же время подавление β-адренорецепторов снижало количество реплицирующих ДНК клеток в бластемах. Авторы сделали вывод, что альфа-адренергическая сигнализация способствует активации клеток в удаленных участках тела, а бета-адренергическая сигнализация —росту в месте ампутации.

У аксолотлей, обработанных известным ингибитором mTOR рапамицином, конечности регенерировали медленно, в бластеме было меньше пролиферирующих клеток, причем подавлялась и системная активация. Интересно, что уровни пролиферации клеток после ампутации снижались у голодающих животных (сигнализация mTOR вовлечена в реакцию на голод).

Чтобы продемонстрировать связь между симпатической нервной системой и mTOR, у аксолотлей после ингибитора α2Α-адренорецепторов йохимбина и ампутации лапы анализировали активность сигнального пути mTOR в противоположной лапе. Йохимбин существенно снижал сигнализацию mTOR. Таким образом, реакция симпатической нервной системы на стресс через α2Α-адренорецепторы влияет на активность mTOR и тем самым на рост и деление клеток.

Также авторы проанализировали транскриптомы отдельных системно активированных клеток. Они были сходны с обычными стволовыми клетками и клетками-предшественниками, присутствующими в тканях. «Это открытие предполагает возможность разработки регенеративных стратегий, потенциально позволяющих перенаправить активность уже существующих прогениторных типов клеток с функций роста и гомеостаза на формирование бластемы, в том числе, предположительно, у млекопитающих», — говорится в статье.

Транскрипты α2Α-адренорецепторов присутствовали главным образом в фибробластах, и клетки с такими транскриптами демонстрировали признаки «настройки» на состояние бластемы. Транскрипты β-адренорецепторов экспрессировались лимфоцитами, тучными клетками, макрофагами и эндотелиальными клетками. Как показал анализ доступности хроматина методом ATAC-секвенирования, в системно активированных клетках может быть облегчено включение некоторых генов, участвующих в регенеративной пролиферации.

Уже два века известно, что для регенерации конечностей необходимо иннервирование, но обычно предполагалось, что в этом процессе задействованы чувствительные или двигательные нервы. «Очень мало людей говорило о симпатических нервах», — отметила Джессика Уайтед. Представление о том, что процессы регенерации могут распространяться на весь организм, меняют парадигму, добавила она.

Регенерация конечностей у саламандр не повторяет эмбриональное развитие