Новый отчет Института медицинских исследований Стоуэрса рассказывает об эмбриональном происхождении планарии, давая новое представление о замечательных регенеративных способностях животного.
Работа, опубликованная онлайн в eLife, впервые обнаружила, что взрослые стволовые клетки, называемые необластами, играют ключевую роль в регенерации планарии и возникают на определенной стадии эмбрионального развития. Обычно эмбриональные клетки не сохраняются после эмбриогенеза. Однако необласты, образующиеся у ранних эмбрионов планарии, сохраняются после эмбрионального развития и присутствуют на протяжении всей жизни животного. Необласты, по-видимому, сохраняют способность получать доступ к программам эмбрионального развития во взрослом возрасте, чтобы управлять регенерацией частей тела, утраченных в результате травматических повреждений.
«В то время как большое количество исследований сосредоточено на регенерации взрослых планарий, гораздо меньше известно об эмбриогенезе планарий - процессе роста из одной оплодотворенной яйцеклетки в правильно сформированный организм», - говорит Эрин Дэвис, доктор философии.., первый автор исследования и научный сотрудник с докторской степенью в лаборатории Медицинского института Говарда Хьюза и исследователь Института Стоуэрса Алехандро Санчес Альварадо, доктор философии.
Желая узнать больше, Дэвис и его коллеги создали серию стадий или набор уникальных молекулярных отпечатков пальцев для эмбрионов Schmidtea mediterranea, а также атлас экспрессии генов, описывающий эмбриональные ткани и формирование основных систем органов во время эмбриогенеза.. Эти ресурсы доступны в Интернете по адресу https://planosphere.stowers.org. Вместе эти инструменты закладывают основу для того, чтобы ученые начали сравнивать процессы эмбриогенеза и регенерации планарий.
"У планарии есть отличная система для изучения регенерации во взрослом состоянии", - говорит Дэвис. «Это дает нам возможность начать сравнивать и сопоставлять, что общего и что отличается в процессах развития во время эмбриогенеза и регенерации у взрослого животного».
Планарии обладают способностью к регенерации, не имеющей аналогов среди других организмов. Если взрослого червя разрезать на части, почти из любого кусочка может образоваться новое, полностью функциональное животное с мозгом и нервной системой, глазами, почками, кишечником, мышцами и кожей всего за две недели. Взрослые стволовые клетки, называемые необластами, питают экстраординарный талант планарии к регенерации. Эти клетки заменяют себя и производят все типы клеток, необходимые для создания взрослого червя. Но их происхождение было неясным.
«Поскольку необласты изучались только у взрослых, мы не знали, как они образуются во время эмбрионального развития», - говорит Санчес Альварадо.«Наша работа выявила как точное эмбриональное время, когда формируются необласты, так и профиль экспрессии генов, который предшествует их образованию».
Исследователи наблюдали крупномасштабный сдвиг в типах экспрессируемых генов примерно через неделю после начала развития, объясняет Дэвис.
«Гены, которые, как мы думаем, необходимы для создания различных типов тканей в организме - мозга, мышц, кишечника, почек - все эти гены начинают включаться в течение этого временного окна», - говорит она.
Исследователи обнаружили, что когда эмбриональные клетки планарии начинают формировать основные системы органов, также возникают взрослые необласты. При пересадке во взрослую планарию, лишенную стволовых клеток, эти эмбриональные клетки приживались и размножались. Эмбриональные клетки пополнили популяцию стволовых клеток взрослой планарии и продлили ее жизнь. Однако пересаженные эмбриональные клетки из более ранних периодов времени не прижились, и взрослые планарии-хозяева погибли.
Во время эмбриогенеза потомки необластов помогают строить червя. После создания необласты сохраняются на протяжении всей жизни червя, что позволяет животному продолжать доступ к программам эмбрионального развития во взрослом возрасте. Понимание этого уникального свойства плоских червей планарии может помочь лучше понять их невероятные регенеративные способности.
Эмбриогенез планарии оставался неясным на протяжении многих десятилетий, особенно эмбриогенез Schmidtea mediterranea. Это большая заслуга Эрин Дэвис, что это больше не так, и что мы, как сообщество, заинтересованное в регенерации и биологии стволовых клеток, теперь мы можем заглянуть в мир биологической активности, недоступный ранее», - добавляет Санчес Альварадо.
Это открытие закладывает основу для будущих исследований того, как специфицируются, поддерживаются и регулируются стволовые клетки, и будет способствовать прямому сравнению функции генов во время эмбриогенеза и регенерации. Многие гены, необходимые для построения и поддержания органов планарии, по-видимому, работают в обоих контекстах развития.
«Я думаю, что есть много общего, но также и существенные различия», - добавляет Дэвис. «Мы очень мало знаем о том, как сигналы регенерации передаются стволовым клеткам у взрослых особей. У планарий у нас будет возможность исследовать эмбриональные и регенеративные процессы как на уровне отдельных генов, так и глобально на уровне того, что происходит с все гены, экспрессируемые в определенной ткани с течением времени."
Знание путей развития, ответственных за регенерацию, может также помочь в будущих терапевтических достижениях для пациентов, страдающих от дегенеративных заболеваний или травматических повреждений.
Другими участниками Stowers являются Кай Лей, доктор философии, Крис Зайдель, доктор философии, Аманда Кройзен, Шон МакКинни, доктор философии, Лунхуа Го, доктор философии, София Робб, доктор философии., Эрик Росс и Кирстен Геттинг.
Работа финансировалась Институтом медицинских исследований Стоуэрса, Медицинским институтом Говарда Хьюза и Национальным институтом общих медицинских наук Национальных институтов здравоохранения (R37GM057260-17). Содержание является исключительной ответственностью авторов и не обязательно отражает официальную точку зрения NIH.
Обобщение выводов
Планарийские плоские черви обладают способностью к регенерации, не имеющей аналогов среди других организмов. Если взрослого червя разрезать на части, почти из любого кусочка может образоваться новое, полностью функциональное животное с мозгом и нервной системой, глазами, почками, кишечником, мышцами и кожей - всего за две недели. Вот почему ученые считают их идеальным организмом для изучения регенерации. Но это явление до сих пор мало изучено.
Новый отчет исследователей из лаборатории Санчеса Альварадо в Институте медицинских исследований Стоуэрса поэтапно описывает развитие плоского червя планарии в качестве эмбриона и дает новое представление о замечательных регенеративных способностях животного. Эта работа впервые показывает, что стволовые клетки, являющиеся ключевыми для регенерации планарии, называемые необластами, формируются на определенной стадии эмбрионального развития. Необласты присутствуют на протяжении всей жизни червя и могут пополняться и образовывать клетки любого типа в организме. Эта особенность уникальна для планарий и может лежать в основе их невероятных регенеративных способностей. Полученные данные могут стать ориентиром для будущих терапевтических достижений для пациентов, страдающих дегенеративными заболеваниями или травмами.