Регенерация или самовосстановление живых организмов — одно из самых удивительных явлений живой природы. Интерес к нему отразился в сказках и мифах — достаточно вспомнить Лернейскую гидру и Змея Горыныча. Люди мечтали развить в себе способности восстанавливать поврежденные или потерянные конечности и органы.
Ученые из Национального института рака обнаружили, что Schmidtea polychroa, плоский червь, способный восстанавливать утраченные ткани, развивает эту способность постепенно на ранних стадиях жизни. Регенерация всего тела происходит на определенных эмбриональных и «юношеских» стадиях, при этом регенерация головы невозможна до тех пор, пока организм не приобретет способность восстанавливать ось тела. Стволовые клетки необходимы для роста тканей, но сами по себе недостаточны для запуска полной регенерации.
Эта способность включает в себя биологические процессы, которые заменяют ткани в ходе нормального функционирования или после травматических повреждений. Некоторые водные беспозвоночные (гидроиды, планарии и асцидии) могут восстанавливать целые тела из фрагментов тканей. Рыбы, земноводные и рептилии способны отращивать утраченные конечности.
Способность к регенерации меняется на протяжении всей жизни организма. У многих видов эмбрионы и молодые особи регенерируют быстрее, чем взрослые. В молодости возможна регенерация кончиков пальцев мышей, конечностей и хвоста лягушки, частей тела имаго-дрозофилы. Но постепенно стареющие животные эту способность утрачивают.
Даже у таких высокорегенеративных животных, как оболочники и губки, с возрастом способность к регенерации в целом снижается. Эти изменения связаны с истощением запаса стволовых клеток, потерей клеточной пластичности, эпигенетическими изменениями и метаболическими сдвигами. Однако есть отдельные виды губок, морских лилий, гребневиков, кольчатых червей, оболочников и даже позвоночных, таких как головастики Xenopus и некоторые ящерицы, у которых регенеративные способности сохраняются в зрелом возрасте.
Способность к самовосстановлению червей-планарий зависит от плюрипотентных стволовых клеток, называемых необластами, которые распределены по всему телу. Необласты «узнают» о повреждениях по сигналам, поступающим от окружающих тканей, и генерируют новые ткани во время поддержания жизнедеятельности в неблагоприятной среде, бесполого размножения и регенерации при механических повреждениях. В исследовании, опубликованном в журнале Current Biology, ученые проанализировали, когда и как у планарии Schmidtea polychroa проявляется способность к регенерации.
Ученые разделили эмбрионы и личинки S. polychroa пополам вдоль горизонтальной оси. Экспрессия генов отслеживалась с помощью гибридизации in situ — метода мечения, при котором к транскриптам РНК добавляются метки, показывающие, где находятся активные гены. Образцы тканей были подготовлены с помощью микроскопии.
Регенерация всего тела была продемонстрирована на поздних эмбриональных и ранних ювенильных стадиях. Задние ткани регенерировали из передних фрагментов на более ранних этапах, в то время как регенерация структур головы из задних фрагментов происходила только после вылупления.
Стадийно-зависимое восстановление головы было связано со способностью восстанавливать передне-заднюю ось тела. Говоря бытовым языком, чтобы восстановить голову, личинка сначала должна была научиться восстанавливать «талию».
Результаты показывают, что регенерация всего тела не является врожденным свойством стволовых клеток, а зависит от стадии развития. Способность к отращиванию новой головы появилась только после того, как эмбрионы научились восстанавливать передне-заднюю полярность. При этом эмбрионы и личинки, подвергнутые облучению, которое ингибировало экспрессию регенеративных генов, вообще потеряли способность к самовосстановлению — потерянные ткани у них так и не отросли, хотя фрагмент какое-то время сохранял жизнеспособность.
Полученные данные указывают на то, что регенерация — это условная способность, которая может включаться или выключаться в зависимости от стадии развития и молекулярного контекста.
У млекопитающих, в том числе у людей, способность к регенерации очень ограничена, они могут восстанавливать только некоторые ткани и типы клеток. Регенерация у млекопитающих часто происходит за счет рубцевания — процесса, при котором раны быстро затягиваются без восстановления первоначальной структуры тканей. Это может быть эволюционным компромиссом у более крупных или сложных организмов, где быстрое заживление тканей за счет фиброза обеспечивает немедленное выживание даже в ущерб долгосрочным функциям или структурной целостности.
Тем не менее более глубокое понимание процессов у червей и других самовосстанавливающихся видов приближает науку к цели — однажды воспроизвести регенеративные реакции у людей в терапевтических целях.
Ученые недавно расшифровали генетический механизм, позволяющий саламандрам отращивать потерянный хвост.
