Исследователям удалось навсегда переписать регенеративную форму тела плоских червей путем сброса их внутренней памяти биоэлектрических паттернов, в результате чего даже плоские черви с нормальным внешним видом сохраняют «код» для регенерации в двухголовых червей. По словам авторов, результаты, опубликованные сегодня в журнале Biophysical Journal (Cell Press), предлагают альтернативу геномному редактированию для крупномасштабного регенеративного контроля.
Исследование, проведенное учеными из Центра открытий Аллена при Университете Тафтса и его факультета биологии, направлено на изучение сил, определяющих форму, в которую регенерирует тело животного при серьезных повреждениях, и показывает, что можно навсегда изменить цель морфология животного с геномной последовательностью дикого типа и показывает, что альтернативные модели тела могут быть закодированы у животных с нормальной анатомией и гистологией. Исследование также дает подсказки о том, почему у некоторых людей биологические результаты отличаются, когда они подвергаются такому же обращению, что и другие в их группе.
«Благодаря этой работе мы теперь знаем, что биоэлектрические свойства могут навсегда переопределить форму тела по умолчанию, требуемую геномом, что регенеративная целевая морфология может быть отредактирована, чтобы отличаться от текущей анатомии, и что биоэлектрические сети могут быть контрольной точкой для исследования загадочных, ранее ненаблюдаемых фенотипов», - сказал соответствующий автор статьи Майкл Левин, доктор философии. Д., Ванневар Буш, профессор биологии и директор Центра открытий Аллена в Тафтсе и Центра регенеративной биологии и биологии развития Тафтса.
Выводы важны, потому что достижения в области регенеративной медицины требуют понимания механизмов, с помощью которых некоторые организмы восстанавливают повреждения своего тела, сказал Левин. «Биоэлектричество играет мощную поучительную роль посредника в перепрограммировании анатомической структуры, что имеет множество последствий для понимания эволюции формы и пути к регенеративной терапии», - добавил он..
Исследователи работали с планариями (Dugesia japonic a) - плоскими червями, известными своей способностью к регенерации. При разрезании на части каждый фрагмент плоского червя восстанавливает то, чего ему не хватает для завершения своей анатомии. Обычно при регенерации создается точная копия оригинального стандартного червя.
Опираясь на предыдущую работу, в которой Левин и его коллеги продемонстрировали, что можно заставить плоских червей вырастить головы и мозги другого вида плоских червей, изменив их биоэлектрические цепи, исследователи ненадолго прервали биоэлектрические сети плоских червей. Они сделали это, используя октанол (8 ОН) для временного разрыва щелевых контактов, которые представляют собой белковые каналы - электрические синапсы - которые позволяют клеткам общаться друг с другом локально и формировать сети на больших расстояниях, передавая электрические сигналы туда и обратно.
Двадцать пять процентов ампутированных фрагментов туловища регенерировали в двухголовых плоских червей, а 72 процента регенерировали в нормально выглядящих одноголовых червей; примерно 3 процента фрагментов ствола не развились должным образом. Сначала исследователи предположили, что обработанные одноголовые плоские черви не пострадали от лечения, как это обычно бывает, когда функция биологической системы изменяется в результате любого экспериментального лечения или воздействия окружающей среды. Однако, когда плоских червей с нормальной формой тела неоднократно ампутировали в течение нескольких месяцев в обычной родниковой воде, они давали такое же соотношение двухголовых червей и одноголовых червей..
Память образцов плоских червей была изменена, хотя это не было заметно в их интактном состоянии и обнаруживалось только при регенерации. Исследование показало, что измененная морфология мишени - форма, в которую черви регенерируют при повреждении - была закодирована не в их гистологии, экспрессии молекулярных маркеров или распределении стволовых клеток, а скорее в биоэлектрическом паттерне, который указывает на один из двух возможных анатомических результатов после последующее повреждение.
«Измененный регенеративный план тела хранится в биоэлектрических сетях в клетках, казалось бы, нормальных планарий, а биоэлектрические градиенты всего тела служат своего рода памятью паттернов», - сказал Фэллон Дюрант, первый автор статьи и доктор философии студент программы интегративного последипломного образования и исследовательской стажировки (IGERT) на факультете биологии и в Центре открытий Аллена в Университете Тафтса. «Биоэлектрические сигналы могут действовать как переключатель, который не только может изменить анатомию строения тела, но и отменить эти изменения при обратном направлении».