Улитка с глазом, подобным человеческому, стала моделью регенерации органа зрения

Глаза служат основным органом чувств для многих видов животных, позволяя им ориентироваться в пространстве, исследовать окружающую среду и взаимодействовать с ней. Глаз камерного типа — сложный и высокоспециализированный орган, включающий роговицу, хрусталик, переднюю камеру, многослойную сетчатку и зрительный нерв. По устоявшемуся мнению, он не способен к полной регенерации, что делает его утрату вследствие травмы необратимой. Отсутствие генетически управляемых модельных организмов с камерным глазом серьезно ограничивает исследования молекулярных механизмов, которые могли бы обеспечить восстановление его сложной структуры.

Pomacea canaliculata (семейство Ampullariidae) — пресноводный моллюск из Южной Америки — оказался перспективным объектом для лабораторных исследований: он устойчив к широкому диапазону условий, размножается круглый год и способен проходить полный жизненный цикл в неволе, является диплоидным, а его ядерный и митохондриальный геномы уже секвенированы, собраны и аннотированы. Эти качества в сочетании с особенностями зрительной системы, делают вид удобной моделью для генетических и регенеративных экспериментов.

Ученые из США подробно описали анатомию глаз P. canaliculata, обнаружив в них гибридные черты — сходство как с глазами позвоночных, так и с глазами камерного типа других моллюсков. Эксперимент по полной ампутации глазной луковицы вместе со стебельком выявил, что регенерация органа занимает около месяца и проходит четыре четко различимых этапа: заживление (0–1 сутки), формирование бластемы (3–6 сутки), образование глазного бокала и хрусталика (9–12 сутки) и созревание тканей (15–28 сутки). К 28-му дню новый глаз по размеру все еще меньше исходного, но к трем месяцам полностью восстанавливает ультраструктуру, включая везикулы и микроворсинки фоторецепторов.

Credit:
Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-61681-6 | CC BY-NC-ND

Транскриптомный анализ показал, что на ранних стадиях регенерации (1–3 сутки) профиль экспрессии максимально отличается от интактного глаза — дифференциально экспрессируется около 9000 генов. К концу процесса остается 468 повышенно и 707 пониженно экспрессируемых генов, что отражает переход от программ заживления и пролиферации к фототрансдукции и функционированию фоторецепторов. Сравнение с геномами человека и Drosophila melanogaster показало, что в геноме P. canaliculata имеются ортологи примерно 62% известных регуляторных генов позвоночных, участвующих в формировании глазного бокала и сетчатки. Общие с человеком гены связаны с морфогенезом компонентов камерного глаза, а общие с дрозофилой — с развитием рабдомерных фоторецепторов.

Также авторы разработали методики лабораторных манипуляций с этим видом: получение и культивирование зигот ex ovo, оптимизация микроинъекций с помощью системы MICRO-ePORE (средняя выживаемость эмбрионов 30–40%, у опытных операторов более 65%), доставка флуоресцентного декстрана (успех примерно в 80% выживших эмбрионов) и экзогенной мРНК (она детектировалась до четырех дней). Эти подходы позволили создать стабильные мутантные линии, включая pax6^−/−, а также линии с нокаутами dia2 и pitx.

Особое внимание авторы уделили ключевому регулятору pax6. У улитки он структурно близок к гену Pax6 позвоночных и мух, наибольшая экспрессия наблюдается в сетчатке взрослых особей, а при регенерации глаза уровень его мРНК растет с 1 по 6 сутки после ампутации. Гибридизация in situ подтвердила его активность как в эмбриональных зачатках глаза (3–9 день после оплодотворения), так и в бластеме и формирующемся глазном бокале. При нокауте pax6 с использованием CRISPR-Cas9 у гомозиготных эмбрионов второго поколения (F2) к девятому дню после оплодотворения полностью отсутствовали сетчатка и глазной стебелек, хотя остальные головные органы выглядели нормально. Окраска меченым фаллоидином не выявила признаков закладки глаза у таких мутантов ни на одной стадии эмбриогенеза — у них не наблюдалось сокращения клеточной стенки, необходимой для формирования зачатка.

У гомозиготных pax6^−/− было много выраженных нарушений: они не могли вылупиться самостоятельно, постоянно лежали на спине и не могли перевернуться, не использовали ногу для передвижения, держали щупальца плотно свернутыми, не находили пищу самостоятельно и имели крайне низкую выживаемость, несмотря на ручное кормление. При этом взрослые улитки дикого типа с ампутированными глазами не демонстрировали такого фенотипа. Из этого следует, что pax6 необходим не только для закладки глаза, но и для развития структур, отвечающих за локомоцию и координацию движений.

Таким образом, Pomacea canaliculata стала первой генетически контролируемой моделью с настоящим камерным глазом, который может полностью регенерировать в случае утраты. Морфологическое сходство с органом зрения позвоночных, наличие консервативных генетических программ развития глаза, легкость размножения в лаборатории и возможности точного генетического редактирования — все это делает данную модель крайне ценной для изучения регенерации сложных сенсорных систем, сравнительной эволюционной биологии зрения и разработки стратегий восстановления.

Активация синтеза ретиноевой кислоты позволила мышам зарастить повреждения ушной раковины