Как гидрам удаётся регенерировать утраченные части тела в нужных местах

Немногие животные могут сравниться с живучестью скромной гидры. Эти небольшие пресноводные существа с щупальцами можно буквально разрезать на кусочки, и они вырастут в здоровых животных. Исследование, опубликованное 7 февраля в Cell Reports, предполагает, что фрагменты гидр обладают структурной памятью, которая помогает им формировать новый план тела согласно паттерну, унаследованному от «скелета» животного. Ранее учёные считали, что только химические сигналы указывают гидре, где должны формироваться голова и/или нога.

Регенерирующие гидры используют сеть прочных волокнистых белковых нитей, называемую цитоскелетом, для ориентации своих клеток. Когда от гидры отрезают или отрывают кусочки, паттерн цитоскелета сохраняется и становится частью нового животного. Этот паттерн генерирует небольшое, но мощное механическое усилие, которое показывает клеткам, как выстраиваться. Это механическое усилие может служить формой «памяти», хранящей информацию о строении тела животного. «Нужно думать об этом как о части процесса определения паттерна, а не просто о его результате», — говорит старший автор, биофизик Киннерет Керен из Техниона — Израильского технологического института.

Когда фрагменты гидры начинают процесс регенерации, они сворачиваются в маленькие шарики, и цитоскелету приходится искать баланс между сохранением старой формы и адаптацией к новым условиям. «Если вы возьмёте полоску или квадратный фрагмент и превратите его в сферу, волокнам придётся сильно измениться или растянуться, чтобы это сделать», — объясняет Керен. Однако некоторые части сохраняют свой паттерн. По мере того как шарик ткани гидры растягивается в трубку и отращивает рот, окружённый щупальцами, новые части тела следуют шаблону, заданному цитоскелетом в фрагментах исходной гидры.

Основная структура цитоскелета у взрослой гидры — это массив выровненных волокон, простирающихся по всему организму. Исследователи обнаружили, что вмешательство в цитоскелет достаточно, чтобы нарушить формирование новых гидр. Во многом цитоскелет похож на систему натянутых проводов, которая помогает гидре сохранять форму и функционировать. В одном эксперименте исследователи разрезали исходную гидру на кольца, которые свернулись в шарики, содержащие несколько доменов выровненных волокон. Эти кольцеобразные фрагменты выросли в двухголовых гидр. Однако закрепление колец гидры на жёстких проволоках привело к появлению здоровых одноголовых гидр, что говорит о том, что механические обратные связи способствуют упорядоченности в развивающемся животном.

Гидры намного проще большинства своих родственников в животном царстве, но базовый паттерн выровненных волокон цитоскелета распространён во многих органах, включая человеческие мышцы, сердце и кишечник. Изучение регенерации гидр может привести к лучшему пониманию того, как механика интегрируется с биохимическими сигналами для формирования тканей и органов у других видов. «Актино-миозиновый цитоскелет — главный генератор силы во всём животном царстве», — говорит Керен. «Это очень универсально».