Как аксолотли регенерируют конечности и органы? Учёный начал раскрывать их секрет
Аксолотли, известные своими «улыбками» и розовыми жабрами, — знаменитости мира саламандр. Но они не просто милы: они могут хранить секрет регенерации конечностей у человека.
Биологам аксолотли известны благодаря выдающейся способности к регенерации, позволяющей им отращивать целые конечности и даже органы. Джеймс Монаган, заведующий кафедрой биологии Северо-Восточного университета, начал раскрывать секрет этой суперспособности и её потенциальное применение для развития регенеративной медицины человека.
«Это может помочь в заживлении ран без рубцов, а также в чём-то более амбициозном, например, в отращивании целого пальца», — говорит Монаган. «Нельзя исключать, что может отрасти и что-то большее, например, кисть руки».
В статье, недавно опубликованной в Nature Communications, Монаган попытался ответить на вопрос, который «мучает научное сообщество 200 лет». Как аксолотль понимает, какую часть тела нужно отрастить? Если он потерял кисть, как он понимает, что нужно отрастить именно кисть, а не всю руку?
Монаган связывает эту способность, называемую позиционной памятью, с молекулой ретиноевой кислоты. Она отвечает за то, чтобы сообщить клеткам аксолотля, какую часть тела восстанавливать. Важно, что ретиноевая кислота — не уникальная для аксолотлей молекула; она есть и у людей, хотя мы в основном получаем её с пищей и из средств для кожи, таких как ретинол.
Изучая аксолотлей, Монаган обнаружил у животных градиент сигналинга ретиноевой кислоты. Например, в руке у аксолотлей больше ретиноевой кислоты в области плеча (и меньше фермента CYP26B1, который её расщепляет) и меньше — в области кисти. Ретиноевая кислота действует как сигнал для регенеративных клеток, называемых фибробластами, сообщая им, что и в каком количестве отращивать.
«Клетки могут интерпретировать этот сигнал так: "Я нахожусь у локтя, и я буду отращивать кисть" или "Я нахожусь у плеча. У меня высокий уровень ретиноевой кислоты, поэтому я позволю этим клеткам отрастить всю конечность"», — говорит Монаган.
Поняв, насколько важна ретиноевая кислота для сигналинга в организме, Монаган начал «довольно по-франкенштейновски» испытывать пределы этой системы. Добавив дополнительную ретиноевую кислоту в кисть аксолотля, он добился того, что саламандра отрастила дублированную конечность вместо одной кисти.
Понимание сигнала для регенерации — это большой шаг к применению этих знаний для человека, говорит Монаган. У людей тоже есть ретиноевая кислота и фибробласты, но, в отличие от организма аксолотля, где сигналы передаются между всеми этими биологическими игроками, клетки человеческого тела просто не «слушают» их таким же образом.
При травме руки наши фибробласты откладывают коллаген и начинают формировать рубец. У аксолотлей фибробласты «слушают» ретиноевую кислоту и «отматывают время немного назад», выращивая новый скелет.
«Если мы найдём способы заставить наши фибробласты слушать эти регенеративные сигналы, то они сделают всё остальное», — говорит Монаган. «Они уже знают, как создать конечность, потому что, как и у саламандры, они делали это в процессе развития».
Однако до того, как люди смогут отращивать конечности, предстоит ещё много работы. Монаган говорит, что понимание сигналов в регенеративной системе аксолотля — лишь часть решения. Следующий шаг — понять механику самих клеток и на что именно внутри клеток нацелена ретиноевая кислота.
Монаган уже определил одну такую цель: ген shox (short homeobox gene). При увеличении сигналинга ретиноевой кислоты активировался shox, что указывает на крайнюю важность этого гена для регенерации. Удалив ген shox из генома аксолотля с помощью техники редактирования генов CRISPR-Cas9, Монаган обнаружил, что аксолотли отращивают очень короткие конечности с руками нормального размера.
Примечательно, что именно это происходит у людей с мутацией гена shox, добавляет Монаган.
«Чтобы регенеративная биология или медицина продвинулись вперёд, нам нужно понять, где находится позиционная память и как ею манипулировать и управлять», — говорит Монаган. «Как заставить клетку двигаться туда, куда нужно? Изменение её позиционной памяти критически важно для этого».