Потерять часть тела и вырастить ее заново: животные, для которых это обыденность, а не фантастика
Потерять конечность и отрастить ее заново, притом без шрама, с костями, мышцами, нервами и сосудами могут не только герои какого-нибудь фантастического фильма, а вполне себе реальные живые существа. В природе это не фантастика, а обыденность. Некоторые представители фауны восстанавливают утраченные части тела с такой легкостью, будто травмы и не было. Два главных чемпиона – аксолотль и планарии, о которых мало кто знает, но которым удалось бросить вызов законам жизни и смерти.
Аксолотль: отращивает все, что угодно
Мексиканский аксолотль (Ambystoma mexicanum) – личинка хвостатой амфибии, которая не превращается во взрослую форму, а остается «вечным подростком». Он сохраняет наружные жабры и проживает в воде всю свою жизнь. Возможно, в этом и кроется один из ключей к регенерации: известно, что клетки аксолотля сохраняют черты эмбриональных тканей даже во взрослом организме.
Аксолотль может полностью восстановить утраченную конечность всего за несколько недель, причем с идеальной анатомической точностью и без каких-либо рубцов. Но лапы – это далеко не все. У аксолотля регенерирует хвост, челюсти, кожа, спинной мозг, роговица глаза, участки сердца и даже части головного мозга. Правда, при многократных повторных ампутациях качество и размер отросшей конечности постепенно снижаются.
Как он это делает?
Сам процесс идет в несколько этапов. После ампутации сначала образуется раневой эпителий, а затем апикальный эпидермальный колпачок, который работает как сигнальный центр. Клетки под ним – мышечные, хрящевые, нервные, фибробласты – теряют свою специализацию и превращаются в однородную массу – так называемую бластему. Это своего рода конструктор: клетки бластемы делятся, заново дифференцируются и формируют утраченные ткани в правильном порядке, как при эмбриональном развитии.
Откуда клетки «знают», что именно отращивать? Сигнальный путь, включающий ген Hand2 и белок Shh (Sonic hedgehog), задает им координаты: клетки на задней стороне конечности «помнят» свое положение и после травмы активируют сигнал, который распространяется к соседним клеткам, указывая на то, где будет передняя часть лапы, а где задняя. Архитектуру сегментов конечности (где сустав, а где ступня) регулирует ретиноевая кислота. При ее избытке конечность может вырасти слишком длинной или с дублирующимися участками.
Скорость регенерации зависит прежде всего от возраста. Так, у молодых личинок он может составлять несколько недель, а у взрослых – 2-3 месяца.
Планарии: бессмертные черви
Пресноводные плоские черви делают то, что не снилось ни одному позвоночному. Их можно разрезать пополам, и уже через некоторое время каждая из этих частей вскоре станет полноценной особью. А если у планарии отрезать голову, то обязательно вырастет новая, с глазами и мозгом, и хвост тоже восстановится. Более того, даже разделенный на несколько десятков фрагментов червь не погибнет, а превратится в такое же количество полноценных червей, если в этих фрагментов будет достаточно клеток.
Вся регенерация планарий держится на одном типе клеток – необластах. Это плюрипотентные стволовые клетки, составляющие 20-30% всех клеток тела. Они единственные в организме планарии способны делиться и превращаться в любой из примерно 30 видов клеток – нейроны, мышечные, кишечные, клетки покровов. Как только другие клетки стареют и умирают, необласты их заменяют. Когда червя ранят, необласты мигрируют к месту повреждения, делятся и формируют бластему – растущую массу клеток, из которой заново строится утраченная часть.
Эксперимент, доказавший уникальность необластов, провели в 2011 году исследователи из MIT под руководством Питера Реддина. Планарию облучили смертельной дозой радиации, и в результате все необласты погибли, а ткани начали деградировать. Затем червю пересадили одну-единственную стволовую клетку. Через восемь недель планария полностью целиком регенерировала до первоначального вида. Притом все новые клетки генетически совпадали с донором. Получается, что одиночного необласта оказалось достаточно, чтобы воскресить целый организм.
Как планария «понимает», где отрастить голову, а где хвост?
В ее теле работает простая на вид, но точная система указателей. В задней части вырабатывается особый белок, который задает клеткам программу на формирование хвоста. В передней части другой белок действует как выключатель: он перекрывает этот сигнал, и тогда клетки получают команду строить голову.
Если убрать данный регулятор, система ломается – импульс на формирование хвоста больше не сдерживается, и спереди вместо головы вырастает еще один хвост. Так и получается червяк с двумя хвостами и без головы.
Другие мастера регенерации
Гидры. Крошечные пресноводные кишечнополостные состоят в основном из стволовых клеток, которые делятся непрерывно. Гидру можно разрезать на десятки частей, и каждый фрагмент восстановится в полноценную особь. В восьмилетнем лабораторном исследовании гидры не показали ни одного признака старения, их смертность не увеличивалась с возрастом, а плодовитость оставалась стабильной.
Ящерицы. Умеют отбрасывать хвост при нападении хищника и отращивать новый. Но этот хвост не является точной копией утраченного. Внутри нет позвонков, вместо них – хрящевая трубка, а спинной мозг не восстанавливается полностью. Причина заключается в стволовых клетках нервной ткани. Они у ящериц потеряли способность превращаться в полноценные нейроны. Если пересадить в хвост данного существа стволовые клетки саламандры, то в восстановленном хвосте появятся настоящие нейроны.
Олени. Единственные млекопитающие, способные к полной регенерации органа. Каждый год они сбрасывают рога и отращивают новые, а это довольно сложные костные структуры с хрящом, кровеносными сосудами и нервами. Рост может достигать сантиметра в сутки. Стволовые клетки, из которых растут рога, структурно напоминают бластему амфибий.
Морские звезды. Могут восстановить все тело из одного луча и кусочка центрального диска. Каждый луч – это одновременно пищеварительный тракт, половой орган и фоторецептор, и в нем достаточно клеточного материала и «чертежей», чтобы заново построить целое животное.
Полезно знать
Планарии помнят то, чему их научили, даже после отсечения головы. В экспериментах 1960-х годов червям вырабатывали условный рефлекс на свет, затем разрезали пополам. Хвостовая часть регенерировала новую голову с мозгом и после этого демонстрировала сохраненный навык.
Ученые из Высшей медицинской школы Ганновера выделили из слизи антимикробные пептиды, которые избирательно разрушили клетки рака молочной железы, не затрагивая здоровые. А 4 пептида также справились с метициллин-резистентным золотистым стафилококком.
Китайские исследователи пересадили стволовые клетки из бластемы рогов пятнистого оленя под кожу головы мыши. Через 45 дней у грызуна выросла костная структура, похожая на олений рог. Клетки оленя прижились и работали автономно, а мышиные стволовые клетки в этом не участвовали.
«Бессмертная медуза» Turritopsis dohrnii обращает свою жизнь вспять. Взрослая особь диаметром 4 мм при стрессе или старении оседает на дно, превращается обратно в полип и начинает жизненный цикл заново.
Крокодилы сменяют до 3000 зубов за жизнь – каждый зуб до 50 раз. В отличие от млекопитающих, у которых зубы меняются один раз, рептилии сохраняют зубную пластинку со стволовыми клетками на всю жизнь. Новый зуб растет прямо внутри полого старого, и когда заканчивает формироваться, старый выпадает. У игуан смена идет еще быстрее – до 500 зубов в год.
Проверено редакцией
Способность аксолотля отращивать конечности зависит не только от клеток бластемы, но и от работы иммунной системы. Исследователь Австралийского института регенеративной медицины Джеймс Годвин рассказал на сайте Университета Монаша, что ключевую роль играют макрофаги — иммунные клетки, которые появляются в зоне повреждения вскоре после ампутации.
В эксперименте ученые временно удалили макрофаги у аксолотлей. Рана закрылась, однако новая конечность уже не выросла: вместо нормальной регенерации в тканях развился выраженный фиброз. Когда популяция этих клеток восстановилась и поврежденный участок ампутировали повторно, способность отрастить конечность вернулась. Получается, даже у аксолотля одной «заготовки» из стволовых и перепрограммированных клеток недостаточно — иммунная реакция должна создать для нее подходящие условия.
