В отличие от большинства многоклеточных животных, планарии плоские черви могут заново отрастить все части своего тела после того, как их удалили. Это делает их хорошей моделью для изучения явления регенерации тканей. Они также полезны для изучения фундаментальных вопросов биологии развития о том, что лежит в основе крупномасштабных анатомических паттернов.
В исследовании, опубликованном 5 марта в журнале Biophysical Journal, ученые сообщают, что электрическая активность является первым известным этапом в процессе регенерации тканей, который начинается до того, как заработает самый ранний из известных генетических механизмов и запускает последующие действия транскрипции генов. необходимо построить новые головы или хвосты.
«Невероятно важно понимать, как клетки принимают решения о том, что строить», - говорит старший автор Майкл Левин, директор Центра открытий Аллена в Университете Тафтса. «Мы обнаружили, что эндогенные электрические сигналы позволяют клеткам общаться и принимать решения об их положении и общей структуре органов, поэтому они знают, какие гены включить».
В исследовании использовался вид Dugesia japonica. Когда части этого плоского червя удаляются, из оставшихся тканей вырастают недостающие части на правильных концах - будь то голова или хвост. Предыдущие исследования показали, что примерно через шесть часов после ампутации включаются первые гены, связанные с отрастанием отсутствующей части. Но до сих пор было неизвестно, что произошло до этого или какие механизмы контролируют, какие гены включаются.
В текущих экспериментах под руководством Фэллона Дюранта, который в то время был аспирантом, головы и хвосты плоских червей были удалены. Исследователи использовали чувствительные к напряжению флуоресцентные красители, которые могли указывать на различные электрические потенциалы разных областей. «Вы можете буквально увидеть электрическую активность в ткани», - говорит Левин. «В течение нескольких часов после того, как мы увидим эту активность, мы сможем начать измерять изменения в экспрессии генов».
Чтобы показать, что определенный образец напряжения отвечает за включение правильных генов для каждого места раны, команда изменила потенциалы покоя клеток на разных концах червей и наблюдала за эффектами. Вызывая потоки ионов, которые настраивают каждое место раны на характерные для головы или хвоста схемы напряжения, они могут создавать плоских червей с двумя головами и без хвоста. Они также изучили взаимосвязь между этим электрическим сигналом и хорошо известным сигнальным путем белка Wnt, функционирующим ниже механизма принятия решений, опосредованного напряжением.
«Большинство людей, занимающихся этой проблемой, изучают генетические и биохимические сигналы, такие как факторы транскрипции или факторы роста», - говорит Левин.«Мы решили сосредоточиться на электрических сигналах, которые являются очень важной частью связи между клетками». Он сравнивает электрические сигналы, которые изучает его группа, с теми, которые возникают в мозгу. «Появляется стимул, и электрическое событие запускает биохимические вторичные мессенджеры в клетках и нижестоящую активность электрической сети, такую как принятие решений или формирование памяти», - отмечает он. «Эта электрическая система очень древняя и хорошо сохранилась».
Будущие исследования будут сосредоточены на более подробном анализе этих сигналов. Например, исследователи хотели бы знать, как регенерированные ткани принимают решения о размере, форме и масштабе новых частей, которые они выращивают, и как биоэлектрические цепи сохраняют изменения в структуре тела, как это наблюдается у двухголовых червей, которые продолжают расти. сделать двухголовых животных в последующих раундах регенерации.
«Возможно, за исключением инфекционных заболеваний, большинство проблем в области здравоохранения и биомедицины зависят от понимания того, как клетки собираются вместе, чтобы построить определенный орган или другую структуру», - заключает Левин.«Если мы сможем понять, как манипулировать этими процессами, мы сможем начать разрабатывать способы исправления врожденных дефектов и решать все проблемы, от травм до дегенеративных заболеваний, старения и рака».