Как восстановить голову планарии, ампутировав хвост

У многих организмов при повреждении тела наблюдается активация процессов регенерации в отдаленных органах. Например, повреждение сердца у рыбок данио приводит к изменениям в почках и мозге. Координация процессов регенерации была отмечена у лягушек, аксолотлей и плоских червей.

Ученые из Стэнфордского университета заинтересовались механизмами, которые приводят к активации регенеративных процессов по всему организму. Они провели эксперименты на плоских червях — планариях. Планарии широко известны благодаря способности восстанавливать утраченные части тела.

Изначально было известно, что травма запускает транскрипционные изменения во всем организме, и это в конечном счете приводит к усилению пролиферации стволовых клеток. Целью ученых было понять, какие именно механизмы и сигнальные пути приводят к регенерации в удаленных от повреждения тканях.

Авторы установили, что главная роль принадлежит пути киназы, регулируемой внеклеточными сигналами (extracellular signal-regulated kinase, ERK), сигнал распространяется в виде так называемой волны со скоростью 1 мм/ч. Это в 10–100 раз быстрее, чем ранее отмечалось в многоклеточных тканях. С помощью компьютерного моделирования они выяснили, что скорость распространения волны сигнала увеличивается прямо пропорционально размерам клеток, которые участвуют в его передаче. Этот анализ показал, что длинные, вытянутые клетки могут действовать как «магистрали» для распространения сигнала в гетерогенных тканях. В случае с планарией сигнал передавался по продольным мышцам стенки тела.

Для проверки участия ERK в координации процессов регенерации ученые обезглавили планарию, а после заблокировали этот сигнальный путь. В результате выключения ERK регенерация головы не происходила. Исследователи попытались возобновить регенеративные процессы, для этого они удалили хвост планарии. Эксперимент показал удивительные результаты: у планарии вырос не только хвост, но и голова. Это говорит о том, что дополнительное повреждение приводит к активации сигнального пути ERK и к распространению волны. Однако дополнительная ампутация хвоста активирует регенерацию только в том случае, если она была совершена в течение нескольких часов после первой. В экспериментах, когда ампутация хвоста проводилась через день после ампутации головы, восстановления утраченных частей организма не происходило.

Понимание того, какие механизмы обеспечивают регенерацию в теле животных, приближает нас к ответу на вопрос, почему же человек не обладает способностью восстанавливать утраченные органы. В то же время известно, что постоянная регенерация у человека может стать причиной рака. Новое исследование показало, что распространение волны сигнала приводит к тому, что гены планарии изменяют свою активность. Некоторые гены планарий и человека схожи. «Это дает нам возможность использовать эти гены, — говорит Бо Ван, доцент кафедры биоинженерии и биологии развития Стэнфордского университета. — Это могло бы позволить нам выяснить, как животные регенерируют, одновременно снижая риск неконтролируемого роста рака».

The Wang Lab / Stanford Engineering | Пресс-релиз 

Постаревшие клетки препятствуют регенерации мышц