Группа исследователей из Уайтхеда выявила важную роль различных подтипов мышечных клеток в управлении процессом регенерации тканей. В статье, опубликованной в журнале Nature от 22 ноября, они показывают, что подтип мышечных волокон у плоских червей необходим для запуска активности генов, запускающих программу регенерации. Примечательно, что в отсутствие этих мышц регенерация не происходит. Они сообщают, что другой тип мышц необходим для придания регенерированной ткани надлежащего рисунка - например, для формирования одной головки вместо двух.
"Одна из главных загадок регенерации органов и тканей заключается в том, как животные инициируют все клеточные и молекулярные шаги, ведущие к регенерации?" - говорит старший автор Питер Реддиен, член Института Уайтхеда, профессор биологии Массачусетского технологического института и исследователь Медицинского института Говарда Хьюза. «Мы помогли ответить на этот вопрос, открыв удивительную молекулярную программу, которая работает в подгруппе мышечных клеток и помогает установить молекулярную информацию, необходимую для правильной регенерации тканей после травмы».
Более десяти лет Реддин и его лаборатория изучали биологические механизмы, лежащие в основе регенерации крошечных плоских червей, называемых планариями. Эти черви обладают некоторыми впечатляющими регенеративными способностями: если разрезать их пополам, каждая часть червя может отрастить части тела, необходимые для формирования двух полных организмов. В предыдущих исследованиях команда Реддиена идентифицировала набор постоянно включенных генов, известных как гены контроля положения (или PCG), которые предоставляют клеткам специфичные для региона инструкции, такие как набор GPS-координат, которые сообщают клеткам, где они находятся в теле., и, таким образом, какую часть тела регенерировать. Интересно, что PGC активны в мышечных клетках планарии, что позволяет предположить, что мышцы могут играть важную роль в процессе регенерации.
«Это открытие подняло много вопросов о том, как мышцы участвуют в этом процессе», - говорит Реддиен.
У планарий есть несколько типов мышечных клеток. Например, если представить червей в виде простых цилиндрических трубок, то в них есть продольные мышечные волокна, идущие от головы к хвосту вдоль длинной оси трубок. Есть также циркулярные волокна, которые перпендикулярны продольным волокнам и охватывают внешнюю окружность трубок.
Чтобы оценить роль этих различных типов мышечных клеток в регенерации, первому автору Лусиле Шимоне и ее коллегам понадобился метод их выборочного удаления.myoD представляет собой ген, обнаруживаемый специфически в продольных волокнах; при ингибировании эти волокна не формируются. Точно так же nkx1-1 маркирует круговые волокна, и при снижении его функции они не развиваются. Используя эти гены в качестве молекулярных скальпелей, Шимоне и ее соавторы смогли проверить влияние удаления этих отдельных групп мышц на регенерацию.
Удивительно, но при удалении продольных волокон результаты оказались драматическими: черви могут вполне нормально жить, но при травмах - например, при удалении головы - они не могут регенерировать недостающие части.
«Это удивительный результат - он говорит нам, что эти продольные волокна необходимы для организации программы регенерации с самого начала», - говорит Шимоне, ученый из лаборатории Реддиена.
По мере того, как исследователи углублялись в открытие, они узнали, что функции двух критических генов нарушаются, когда отсутствуют продольные волокна. Эти гены, называемые notum и follistatin, известны своей фундаментальной ролью в регенерации, контроле решений «голова-хвост» и устойчивой пролиферации клеток, соответственно, после повреждения ткани..
В дополнение к этой важной роли продольных волокон исследовательская группа также обнаружила ключевую роль кольцевых волокон. Когда эти мышцы отсутствуют, планарии способны регенерировать отсутствующие части тела, но то, что вырастает заново, имеет аномальный узор - например, две головы регенерируются в пределах одного выроста вместо одной..
Эти результаты подчеркивают важную и ранее недооцененную роль мышц, широко известных своими сократительными свойствами, в инструктировании программы регенерации тканей. Исследователи Уайтхеда продолжат исследовать роль различных типов мышечных клеток в регенерации планарии, а также выяснят, обладают ли другие животные с регенеративными способностями аналогичной локализованной в мышцах программой для передачи информации о положении.
«Трудно понять, что ограничивает способность человека к регенерации и заживлению ран, не зная сначала, какие механизмы позволяют некоторым животным, таким как планарии, делать это так удивительно хорошо», - говорит Реддиен.