Голова или хвост? Черви с выдающейся способностью к регенерации используют древний ген для принятия решений
Крошечный плоский червь (планария), которого изучает учёный из Северо-Западного университета Кристиан Петерсен, обладает удивительной способностью регенерировать себя практически после любого повреждения, включая обезглавливание. При разрезании пополам он превращается в двух червей.
Способность планарии восстанавливать всё тело из небольшого фрагмента ткани очаровывает учёных с конца XIX века. Черви могут отрастить любые отсутствующие клетки или ткани — мышцы, нейроны, эпидермис, глаза и даже новый мозг.
Петерсен и его коллега Питер Реддиен из Массачусетского технологического института (MIT) обнаружили, что древний и малоизученный ген критически важен для регенерации у этих животных. Результаты могут иметь важные последствия для регенерации и восстановления тканей у человека.
Ген notum играет ключевую роль в процессе принятия решения при регенерации. Белок, кодируемый этим геном, определяет, будет ли на месте ампутации отрастать голова или хвост.
«Эти черви — суперзвёзды в регенерации, и мы хотим понять, как они восстанавливают утраченные части тела», — сказал Петерсен. «Мы ожидаем, что понимание деталей того, как регенерация происходит в природе, в конечном итоге окажет широкое влияние на восстановление человеческих тканей».
Исследование опубликовано в выпуске журнала Science от 13 мая.
Способность планарий регенерировать любые утраченные ткани после травмы зависит от пула взрослых стволовых клеток. Исследователи надеются, что, изучая этого червя, они поймут молекулярные процессы, которые естественным образом позволяют осуществлять восстановление тканей, опосредованное стволовыми клетками, у высших животных.
В своей статье Петерсен и Реддиен показывают, что ген notum критически важен для регенерации головы у планарий. Инактивация notum заставляла животных регенерировать хвост вместо головы, создавая двухвостых существ.
«Повреждения могут изменять ткани множеством способов, поэтому регенерирующие животные должны иметь надёжные системы, определяющие восстановление соответствующих структур», — пояснил Петерсен. «Наши результаты позволяют предположить, что животные "принимают решение" о том, что нужно регенерировать, частично используя сигналы, указывающие направление оси тела относительно раны».
Петерсен и Реддиен также обнаружили, что notum контролирует широко используемую биохимическую цепь — Wnt-сигнализацию, чтобы обеспечить правильную регенерацию. Эта древняя сигнальная цепь работает у всех животных и контролирует многие процессы в развитии и болезнях, включая восстановление тканей и прогрессирование рака.
В статье авторы описывают, как ген notum действует на ранах, обращённых к голове, как диммер, ослабляя путь Wnt и способствуя регенерации головы. Когда у планарии отрезают голову или хвост, Wnt активируется. Эта активность Wnt включает notum, но только на ранах, обращённых к голове. В петле обратной связи notum затем снижает активность Wnt до достаточно низкого уровня, чтобы она больше не могла препятствовать формированию головы. Однако на ранах, обращённых к хвосту, notum не активируется сильно, что способствует отрастанию хвоста. (На отращивание головы или хвоста у червя уходит около недели.)
Исследователей заинтриговала эта новая роль notum. Как и путь Wnt-сигнализации, notum высоко консервативен у разных видов — от морских анемон до плодовых мух и человека, но о его биологических ролях известно мало. Поскольку и notum, и путь Wnt настолько эволюционно древние, их взаимодействие у планарий может указывать на взаимосвязь, важную и для других животных.
«Мы ожидаем, что этот феномен регуляции уровня активности Wnt с помощью ингибирования по принципу обратной связи будет наблюдаться и в других биологических контекстах», — сказал Реддиен. «Wnt-сигнализация так широко изучается и важна в биологии, в том числе для восстановления и регенерации тканей. Notum практически не рассматривается в широком контексте ролей Wnt-сигнализации в восстановлении тканей, но эта работа демонстрирует центральную роль, которую он может играть».