В мире амфибий аксолотль является королем запасных частей.
Эта находящаяся под угрозой исчезновения мексиканская саламандра служит собственным хранилищем NAPA для утраченных частей тела, способных полностью регенерировать конечности, хвост, сердце, позвоночник и глаза, что делает ее объектом любопытства для регенеративных биологов.
Большая часть научного внимания на сегодняшний день была сосредоточена на обучении бластеме, замечательному скоплению клеток, которое формируется в основании ампутированной конечности или поврежденной ткани и является механизмом регенерации. Он каким-то образом координирует симфонию инструкций по восстановлению мышц, хрящей, костей, кровеносных сосудов, кожи - все в нужном месте и в нужное время, чтобы сделать конечность как новую.
Но ученые из исследовательской группы регенеративной биологии Моргриджского института переключили внимание на эмбриональное происхождение аксолотля в поисках новых ключей к редким способностям существа. В работе, опубликованной летом 2016 года в журнале Developmental Biology, исследователи рассмотрели 17 различных стадий развития эмбрионов аксолотля и обнаружили весьма необычную серию всплесков изменений в экспрессии генов, за которыми следовали стабильные периоды, что является уникальным в биологии развития.
Эти «волны и впадины» генетических изменений появляются трижды: при первой активации генома, при формировании раннего кишечника и при формировании нервной системы. Эта закономерность дает ученым три горячие цели для сравнения с существующим банком информации о регенерации конечностей взрослых аксолотлей.
Направление первичного пути
«У нас есть основания полагать, что то, что происходит в процессе регенерации взрослых конечностей, очень похоже на раннее развитие аксолотля», - говорит Джеффри Нельсон, постдокторский исследователь Моргриджа и ведущий автор с вычислительным биологом Пэн Цзяном. В некотором смысле взрослое животное может повторно активировать какой-то первичный путь, чтобы вызвать формирование конечностей.
"Можем ли мы найти сходство в экспрессии генов на этой ранней стадии и в типах клеток, развивающихся в бластеме?" он спросил. «Это основной путь применения этих данных».
Цзян говорит, что проект уникален еще и тем, что раннее развитие аксолотлей редко изучается. Поскольку у аксолотля такой огромный геном, его никогда не секвенировали полностью - в отличие от лягушки, которая является моделью эмбрионального развития амфибий.
«В отличие от других модельных видов, аксолотль похож на чистый лист», - говорит Цзян. «У нас нет полной картины, только снимки на разных этапах развития».
Эта работа включала в себя эксперименты по секвенированию, которые позволили команде собрать воедино нити транскриптома аксолотля - молекул информационной РНК, экспрессируемых в организме, - и сравнить их с известными транскриптомами лягушек и людей. Это позволило группе сопоставить эти разорванные транскрипты с их генетической функцией. Пэн проделал большую часть сравнительной работы в сотрудничестве с профессором биостатистики UW-Madison Колином Дьюи.
После рецепта регенерации
Группа отвечает на важный вопрос: когда конечность регенерирует, какие гены играют роль в этом процессе? И в более точном определении этого процесса, может ли быть своего рода «рецепт», который можно было бы воспроизвести или усовершенствовать для других видов?
"Конечная цель состоит в том, чтобы понять пути и молекулы, участвующие в регенеративных способностях этого организма", - говорит Нельсон. «Тогда мы можем спросить: есть ли у мыши подобные пути и может ли она повторно активировать дремлющие способности, которые, возможно, скрыты в ее геноме?»
Это не надуманный вопрос. Регенерация - это не вопрос «можешь или не можешь». Лягушки, мыши и многие другие виды обладают регенеративными способностями, просто не на уровне сложности аксолотля.
Например, Нельсон говорит, что лягушки могут регенерировать конечности до определенной степени, но конечности вырастают до игольчатого острия и не могут различать пальцы. Мыши тоже могут регенерировать кончики своих пальцев из ногтевого ложа, но не ближе к телу.
«Есть тонкие намеки на то, что эти способности существуют и у других организмов, но по какой-то причине они не могут осуществлять такую же регенерацию, как аксолотль», - говорит он.
А люди?
Так чего же не хватает людям? Люди, очевидно, очень хорошо регенерируют некоторые типы клеток, такие как клетки кожи, мышц и печени, но почти совсем не регенерируют клетки нервной системы или каких-либо сложных тканевых систем. Нельсон говорит, что аксолотли особенно хороши в регенерации нервной системы, которая, по-видимому, играет центральную роль во всем процессе регенерации конечностей.
В конечном счете, самый захватывающий вопрос заключается в том, может ли наука узнать что-то у аксолотля, что можно было бы применить в регенеративной медицине человека. Хотя это все еще отдаленная перспектива, это основная причина, по которой исследования аксолотлей находятся в центре внимания регенеративной биологии Моргриджа, возглавляемой пионером стволовых клеток Джеймсом Томсоном..
"Очень интересно погрузиться в контекст лаборатории Томсона и всей среды стволовых клеток и понять, как этот аксолотль может использовать те же пути, которые присутствуют в других организмах - и, возможно, у людей", Нельсон говорит.