Исследователи Duke обнаружили уникальный механизм восстановления в развивающемся позвоночнике рыбок данио, который может дать представление о том, почему спинные диски долгоживущих организмов, таких как люди, дегенерируют с возрастом.
Репарационный механизм, по-видимому, защищает заполненные жидкостью клетки хорды, предшественника позвоночника, от механического воздействия, когда молодая рыба начинает плавать. Клетки хорды продолжают формировать желеобразный центр межпозвонковых дисков, плоские, круглые подушки, зажатые между каждым позвонком, которые действуют как амортизаторы для позвоночника.
Исчезновение этих клеток с течением времени связано с остеохондрозом, основной причиной человеческих болей и инвалидности во всем мире.
«Нетрудно предположить, что те же самые механизмы восстановления и регенерации присутствуют у людей на очень ранних стадиях, но со временем теряются», - сказал Мишель Банья, доктор философии, старший автор исследования. и доцент кафедры клеточной биологии Медицинской школы Университета Дьюка. «Если мы собираемся думать о методах, способствующих регенерации межпозвонковых дисков, нам нужно понять основы биологии».
Исследование опубликовано 22 июня 2017 г. в журнале Current Biology.
Багнат сравнивает хорду с садовым шлангом, наполненным водой. Выносливая структура состоит из оболочки эпителиальных клеток, окружающих скопление гигантских заполненных жидкостью или «вакуолизированных» клеток. Во время развития эти вакуолизированные клетки редко лопаются, несмотря на то, что они находятся под постоянным механическим напряжением. Недавние исследования показали, что крошечные мешочки, известные как кавеолы (от латыни «маленькие пещеры»), которые формируются в плазматической мембране этих клеток, могут служить буфером против растяжения или отека..
Чтобы увидеть, защищают ли кавеолы вакуоли от разрыва, его команда и сотрудники из Германии создали мутанты трех кавеолярных генов в своем модельном организме, рыбке данио. Поскольку эти маленькие аквариумные рыбки прозрачны, как эмбрионы, ученые могли легко визуализировать любые дефекты позвоночника, вызванные потерей кавеол.
Исследователи обнаружили, что, когда мутантные эмбрионы вылупились и начали плавать, оказывая давление на их недоразвитый позвоночник, их вакуолизированные клетки начали разрушаться. Хотя находка подтвердила их подозрения, она оказалась загадочным открытием. «У кавеолярных мутантов вы видите эти серийные поражения вверх и вниз по хорде, и все же зрелый шип формируется нормально», - сказал Багнат. "Это очень озадачило нас."
Чтобы выяснить, как это было возможно, ведущие авторы Джейми Гарсия и Дженнифер Бэгвелл внимательно изучили хорду мутантной рыбы. Они пометили вакуолизированные клетки зеленым цветом, а окружающие клетки эпителиальной оболочки - красным, а затем сняли рыбу вскоре после того, как она вылупилась и начала плавать. Во-первых, они могли видеть случайные разрывы вакуолизированных клеток и выплескивание их содержимого, как воздушный шар с водой. Затем, в течение пятнадцати часов, близлежащая клетка эпителиальной оболочки перемещалась, ползала по детриту разрушенной клетки и превращалась в новую вакуолизированную клетку.
Они провели еще несколько экспериментов и обнаружили, что реакция восстановления была вызвана высвобождением содержимого клетки, в частности основных молекулярных строительных блоков, известных как нуклеотиды. Затем исследователи выделили живые клетки эпителиальной оболочки и обработали их аналогами нуклеотидов, чтобы показать, что они превратились в вакуолизированные клетки.
«Эти клетки, находящиеся в дисках как у рыбок данио, так и у человека, похоже, способны контролировать собственное восстановление и регенерацию», - сказал Багнат. «Возможно, именно непрерывное высвобождение нуклеотидов важно для поддержания диска в хорошей форме».
Исследование может дать представление не только о развитии болей в спине и шее, но и о происхождении рака. Их данные свидетельствуют о том, что хордомы, редкие и агрессивные опухоли из клеток хорды, могут начаться, когда клетки эпителиальной оболочки покидают хорду и проникают в череп и другие ткани.