Как рыбки данио восстанавливают скелет ампутированных плавников
Рыбки данио (Danio rerio) обладают способностью полностью регенерировать ампутированные органы, в отличие от человека. При потере части хвостового плавника из-за травмы или экспериментальной ампутации утраченная ткань восстанавливается за три недели. Это делает данио популярной моделью для изучения клеточных и молекулярных принципов регенерации органов.
Плавники данио состоят из кожи, укрепленной скелетом из костных лучей. Для восстановления ампутированного плавника необходимо образование множества новых остеобластов (клеток, производящих кость) путем деления существующих. Для этого зрелые остеобласты вблизи раны должны прекратить производство костного материала и дедифференцироваться — вернуться к "омоложенной" стадии предшественников, способных делиться.
Профессор Геррит Бегеман и аспирантка Никола Блум из Университета Байройта (Германия) представили новые данные о механизмах этого процесса в двух статьях в журнале "Development". Их результаты могут быть полезны для разработки методов восстановления костной ткани и органов у человека.
Дилемма клетки: пролиферация или специализация
Ретиноевая кислота необходима для регуляции роста кости. Во время регенерации зрелые остеобласты должны стать незрелыми предшественниками, что требует переключения с синтеза кости на деление. Этот переключатель возможен только при падении уровня ретиноевой кислоты ниже критической концентрации.
Однако после ампутации ткань под раной запускает массивный синтез ретиноевой кислоты, необходимый для мобилизации деления клеток в культе плавника. Как зрелые остеобласты решают эту дилемму?
Ответ: Участвующие в регенерации остеобласты временно производят фермент Cyp26b1, который разрушает и инактивирует ретиноевую кислоту. Защищенные этим процессом, остеобласты могут "отмотать" свои часы развития и превратиться в клетки-предшественники, пополняя пул недифференцированных клеток — бластему. Клетки в бластеме проходят несколько циклов деления, обеспечивая строительный материал для регенерации.
Однако эти деления поддерживаются высокими концентрациями ретиноевой кислоты, что создает следующую проблему: высокий уровень ретиноевой кислоты препятствует обратному превращению предшественников в зрелые остеобласты.
Никола Блум обнаружила, что соединительная ткань в тех областях бластемы, из которых в итоге появляются новые зрелые остеобласты, производит "убийцу" ретиноевой кислоты — Cyp26b1. Это снижает локальную концентрацию кислоты, позволяя предшественникам остеобластов снова созревать и формировать новые лучи плавника. Другие части бластемы, обеспечивающие поставку клеток для регенерации, продолжают производить ретиноевую кислоту.
"Это элегантный механизм, создающий градиент клеток, испытывающих высокий и низкий уровни ретиноевой кислоты", — объясняет Бегеман. — "Это позволяет двум процессам идти параллельно во время регенерации: пролиферации для производства всех клеток, заменяющих утраченную структуру, и редифференцировке остеобластов там, где вновь появляется скелет".
Навигационная система, направляющая клетки к регенерирующим лучам
Как восстанавливается точная форма скелета плавника? Новообразованные остеобласты должны выстроиться в правильных позициях — в продолжении существующих лучей в области культи.
Во втором исследовании Никола Блум выяснила, что остеобласты в конечном итоге направляются к целевым областям сигнальным белком Sonic Hedgehog. Он производится локально в эпидермисе — кожном слое, покрывающем плавник и бластему. Однако производство сигнала происходит только в локально ограниченных клетках, свободных от ретиноевой кислоты. Такие клетки эпидермиса производят фермент Cyp26a1, функционально схожий с Cyp26b1.
Манипулируя уровнями метаболизма ретиноевой кислоты так, чтобы позволить экспрессию Sonic Hedgehog в большинстве регенерирующих клеток, Никола Блум показала, что Sonic Hedgehog действует как маяк для клеток-предшественников остеобластов. Последствия были драматичными: вместо выстраивания вдоль существующих лучей, клетки также вторгались в пространства между ними, которые в норме образуют эластичную кожу. В итоге кость формировалась в неподходящих местах, что саботировало регенерацию и восстановление исходного скелетного паттерна.
Также выяснилось, что сами остеобласты выполняют пилотирующую функцию для других типов клеток, особенно мезенхимальных клеток и кровеносных сосудов, которые также должны быть направлены в нужные места во время восстановления. Если предшественники остеобластов сбиваются с пути, эти типы клеток следуют за ними, усугубляя неспособность сформировать функциональный скелет плавника.
"Восстановление скелетного паттерна зависит от навигационной системы с взаимодействующими частями", — резюмирует Бегеман. — "Изначально ретиноевая кислота инактивируется там, где должны формироваться новые лучи. Это позволяет локальному производству сигнала, который направляет незрелые остеобласты в области, где должны быть продолжены существующие лучи. Интересно, что в ходе регенерации другие типы клеток в бластеме получают информацию от предшественников остеобластов, чтобы соблюдать границы между формирующимися лучами".