Разрежьте пантерного червя на три части, и из каждой части вырастет новое тело. Исследователи ввели некоторым из представителей флуоресцентный белок, чтобы узнать, как это происходит.
В 1961 году
Осаму Шимомура и
Фрэнк Джонсон выделили белок медузы, который светится зелёным в ультрафиолетовом свете. Кораллы тоже
могут флуоресцировать в широком диапазоне оттенков благодаря аналогичным белкам.
Согласно новой статье, опубликованной в журнале Developmental Cell, учёные из Гарвардского университета генетически модифицировали трёхполосного пантерного червя, чтобы он мог излучать такое же зелёное свечение. Их надежда - раскрыть секреты регенерации.
У большинства живых организмов наблюдается та или иная форма регенерации: например, отрастание волос или сращивание сломанной кости.
Но некоторые существа способны на особенно удивительные способности к регенерации, и изучение механизмов, с помощью которых они их достигают, может иметь важное значение для процессов старения человека.
Если саламандра теряет конечность, она отрастает, или, например, некоторые гекконы могут отбрасывать хвосты, отвлекая и уклоняясь от хищников, а затем регенерировать их. Рыба-зебра может восстановить потерянный или травмированный плавник, а также восстановить повреждённое сердце, сетчатку, поджелудочную железу, головной или спинной мозг.
Разрежьте плоского червя-планарию, медузу или морского анемона пополам, и они восстановят своё тело. А еще есть трёхполосный пантерный червь (Hofstenia miamia), крошечное существо, немного напоминающее пухлое рисовое зерно, названное так из-за трёх фирменных кремовых полос на теле.
Если пантерного червя разрезать на три части, каждая часть превратится в полностью сформированную особь в течение восьми недель или около того. Эти черви обитают в основном в Карибском бассейне, Багамах и на Бермудских островах, а также в Японии, и они являются прожорливыми хищниками, которые спокойно могут съесть своих собратьев, если они достаточно голодны и не могут найти другую добычу. А также они предлагают новую многообещающую модель для изучения механики регенерации.
Соавтор Манси Шривастава, биолог-эволюционист из Гарвардского университета, изучает трехполосного пантерного червя с 2010 года с того момента, когда она была научным сотрудником лаборатории Питера Реддина в Институте Уайтхеда Массачусетского технологического института. Команда исследователей собрала около 120 червей на Бермудских островах и привезла их для проведения экспериментов в Кембридж.
Черви не сразу адаптировались к лабораторной жизни: Шривастава и Реддин должны были выяснить правильный уровень солёности для своей воды и найти приемлемый источник пищи. Черви не стали питаться печенью, которой Реддин кормил планарий плоских червей, и некоторые из них прибегли к каннибализму, чтобы выжить.
В конце концов, исследователи выяснили, что Hofstenia miamia любят креветок, и эти существа, наконец, начали процветать и размножаться.
В отчёте 1960 года утверждалось, что черви могут отращивать отрезанные головы, но научных исследований было мало. Ранние эксперименты Реддиена и Шриваставы доказали, что Hofstenia miamia могут не только отращивать голову, но и регенерировать практически любую часть тела, как и плоские черви планарии, хотя эти два вида имеют лишь отдаленное родство.
Сейчас Шривастава руководит собственной лабораторией в Гарварде, изучающей регенерацию Hofstenia miamia. В 2019 году Шривастава и её лаборатория опубликовали полную последовательность генома пантерного червя, а также идентифицировали ряд «переключателей ДНК», которые, по-видимому, контролируют гены регенерации всего тела. В частности, они определили участок некодирующей ДНК, который контролирует, активируется ли своего рода «главный контрольный ген» для регенерации, известный как реакция раннего роста (EGR). EGR может, в свою очередь, включать или выключать другие гены, участвующие в различных процессах. Если система рециркуляции отработавших газов не активирована, регенерация червей невозможна.
EGR также присутствует у других видов, включая людей, но люди не могут полностью регенерировать своё тело. По словам Шриваставы, у людей этот процесс, скорее всего, работает совсем иначе, чем у пантерных червей. «Если считать EGR выключателем питания, то люди имеют другую проводку», - сказала она в то время The Harvard Gazette.
Знание больше информации о том, как геном взаимодействует в более крупном масштабе, а не только на уровне отдельных переключателей, будет ключом к будущим прорывам. Другими словами, не только то, какие гены присутствуют, но и то, как они связаны или объединены в сеть, чтобы обеспечивать регенерацию всего тела.
Для этого последнего исследования Шривастава и её коллеги выявили способ, с помощью которого можно разводить трансгенных Hofstenia miamia, введя ген, кодирующий флуоресцентный белок. Существуют различные виды флуоресцентных белков, самым известным из которых является зелёный флуоресцентный белок (GFP).
GFP содержит специальный хромофор, который поглощает и излучает свет. Сияющий ультрафиолетовый или синий свет на хромофоре заставляет его поглощать энергию, возбуждаться, а затем излучать избыточную энергию в виде зелёного света. С тех пор GFP стал стандартным инструментом маркировки для исследователей по всему миру, позволяя им изучать биологические процессы, ранее невидимые невооружённым глазом на клеточном уровне.
Шривастава и её команда вводили ДНК, модифицированную для экспрессии флуоресцентного белка, в только что оплодотворённые эмбрионы пантерного червя, которые затем включались в геномы других клеток по мере их деления снова и снова, пока эмбрионы не превратились во взрослых червей. Мышечные клетки взрослого червя светятся зелёным в ультрафиолетовом свете, и эта флуоресцентная способность передаётся потомству червя.
«Мы не знаем, как на самом деле ведёт себя какая-либо из этих клеток во время регенерации», - сказала Шривастава. «Наличие трансгенных червей позволит нам наблюдать клетки в контексте живого организма, когда он регенерирует».
Пока это изучение пантерных червей изнутри по мере их регенерации дало структурное понимание того, как мышечные волокна существ соединяются друг с другом, а также с другими клетками. Srivastava et al. сообщили, что расширения мышечных клеток соединяются столбиками, образуя плотно сплетенную сетку, похожую на скелет. Следующий шаг - определить, служат ли мышцы только структурным целям или участвуют в хранении или передаче информации о процессе регенерации.