Из одной взрослой клетки плоский червь строит новое тело

Исследователи установили, что для создания полностью функционального нового червя достаточно одной взрослой клетки планарии — одного из самых впечатляющих мастеров регенерации в животном мире. Исследование впервые предоставляет убедительные доказательства того, что взрослые планарии содержат плюрипотентные стволовые клетки — клетки, способные производить разнообразный спектр типов тканей, необходимых для построения целого животного.

Новообнаруженные клетки, распределенные по всему телу червя, по-видимому, обладают такими же универсальными качествами, как и эмбриональные стволовые клетки. Такие клетки необходимы для снабжения быстро дифференцирующихся клеток развивающегося эмбриона, но обычно исчезают после самых ранних стадий развития. Это первый случай, когда плюрипотентные стволовые клетки были идентифицированы у взрослого животного, согласно Питеру Реддиену, ученому-исследователю Медицинского института Говарда Хьюза (HHMI), который руководил исследованием.

Регенеративные способности клеток описаны в выпуске журнала Science от 13 мая 2011 года. «Возможности отдельных клеток поразительны», — сказал Реддиен.

Ученым давно известна замечательная способность планарий к регенерации. Новый плоский червь, с кожей, нервной системой, примитивными глазами, кишечником, мышцами и внутренними органами, может появиться из фрагмента тела, в сотни раз меньшего, чем исходный червь размером со спичечную головку. Но то, как именно черви перестраивают себя клетка за клеткой, оставалось загадкой. «Ключевой вопрос, — объяснил Реддиен, — откуда берется весь этот материал? Предоставление клеточного объяснения регенерации — одна из серьезных проблем, с которыми сталкивалось научное сообщество».

Многие животные, включая людей, продолжают производить стволовые клетки во взрослом возрасте. Однако, в отличие от эмбриональных стволовых клеток, взрослые стволовые клетки у большинства животных способны становиться лишь ограниченным числом типов клеток. Например, гемопоэтические стволовые клетки в костном мозге восполняют различные типы клеток, составляющих кровь, тогда как стволовые клетки в коже дают начало как коже, так и волосам. Реддиен говорит, что ученые не были уверены, стимулируется ли регенерация планарий одной универсальной стволовой клеткой или несколькими типами линия-специфичных или тканеспецифичных взрослых стволовых клеток, работающих вместе.

Чтобы ответить на этот вопрос, коллеги из MIT Дэниел Вагнер, Ирвинг Ван и Реддиен провели исследование, в котором они подвергли червей воздействию ионизирующего излучения, уничтожающего способность клеток к делению. Поскольку считалось, что регенерация зависит от необластов — делящихся клеток, которые мигрируют и размножаются в местах ран и других участках, нуждающихся в восстановлении, — исследовательская группа использовала дозу радиации, достаточно низкую, чтобы позволить некоторым из них выжить. Затем они проанализировали клетки, чтобы найти необласты, все еще способные к делению.

Когда они позволили выжившим необластам делиться и расти в колонии клеток, они обнаружили, что некоторые отдельные клетки, по-видимому, обладают всеми качествами стволовой клетки: «Производила ли она нейроны? Производила ли она кожу?» — спрашивала команда. Некоторые необласты, названные клоногенными необластами, казались способными производить все. Затем команда HHMI подвергла клоногенные необласты окончательному испытанию: они трансплантировали один необласт в летально облученного червя, лишенного любых других делящихся клеток.

То, что они наблюдали, по словам Реддиена, было «почти тем событием, которое можно было бы ожидать в научно-фантастическом фильме». Когда один необласт вводится планарии, которая не может регенерировать собственные ткани, «в конечном итоге он полностью заселяет животное пролиферирующими клетками», — объяснил Реддиен. «Ткани хозяина медленно, но верно заменялись клетками-потомками трансплантированной клетки-донора. Все различные части тела — почки, кишечник, глаза, мозг, кожа, мышцы — были восстановлены. Все это произошло из одной исходной клетки».

К тому времени, когда процесс завершается, каждая клетка червя принимает генетическую идентичность клетки-донора. Спасенные черви выглядят нормально во всех отношениях: «Он может есть и расти. Он может даже размножаться бесполым путем», — сказал Реддиен.

Открытие того, что взрослая плюрипотентная стволовая клетка ответственна за регенерацию у планарий, может привести к новым идеям, полезным в зарождающейся области регенеративной медицины человека. «Большинство генов в геноме планарии имеют аналоги у человека, — отметил Реддиен. — Изучение этих клеток должно выявить молекулярные механизмы, которые могут способствовать плюрипотентности, самообновлению и использованию стволовых клеток для регенерации».