Механические силы формируют «бессмертную» гидру

Гидры — крошечные существа с регенеративными суперспособностями: они могут обновлять свои стволовые клетки и заменять поврежденные части тела всего за несколько дней. Исследователи из группы Харисиоса Циаириса обнаружили, что механические силы активируют ключевые гены, когда гидра регенерирует все свое тело из фрагментов ткани. Понимание того, как механические силы направляют стволовые клетки к их судьбе, может помочь раскрыть, как развиваются организмы, а также как возникают определенные заболевания.

Гидры способны обновлять свои стволовые клетки, которые могут развиться во все различные типы специализированных клеток, составляющих тело. Если отрезать небольшой кусочек ткани гидры, содержащий стволовые клетки, они начнут делиться и дифференцироваться, чтобы восстановить остальную часть животного.

В процессе регенерации тело гидры раздувается, как надувающийся шар, заполняясь водой. В какой-то момент давление воды становится настолько высоким, что приводит к разрывам в стенках тела. Разрывы позволяют воде выйти, и животное сжимается. Известно, что циклы надувания и сдувания важны для регенерации.

Чтобы проверить, как механические силы, создаваемые этими циклами, связаны с регенерацией, исследователи проанализировали фрагменты тканей гидры по мере их роста во взрослую особь. Они обнаружили, что во время регенерации растущее давление воды внутри гидры заставляет клетки растягиваться. Это растяжение включает гены, важные для формирования структур головы животного, таких как рот.

Исследование также показало, что экспрессия конкретного гена Wnt3 повышается по мере увеличения растяжения ткани. Wnt3 является частью большого семейства генов, играющих ключевую роль в развитии.

Дальнейшие эксперименты показали, что если клетки не растягиваются, гидры, как правило, регенерируют только структуры ноги. «Эти животные не могут развиваться дальше, потому что у них нет головы или рта — они не могут питаться», — говорит Циаирис. Однако, когда исследователи создали гидр с гиперэкспрессией Wnt3, животные смогли регенерировать структуры головы даже без растяжения ткани. Результаты были опубликованы в журнале Science Advances 10 декабря.

Давление для развития

В последнее десятилетие механические силы были вовлечены в множество биологических процессов — от эмбрионального развития до формирования органов и аномального роста клеток при раке.

Явления надувания-сдувания, подобные наблюдаемым у гидр, по-видимому, важны для дифференцировки клеток в полых тканях и органах, включая кишечник и альвеолы. «Гидра предлагает модель, показывающую, что существует универсальное свойство: паттернирование эпителиальных просветов с помощью механических сигналов очень консервативно», — говорит Циаирис.

Некоторые находки Циаириса предполагают, что по мере развития гидры путь дифференцировки по умолчанию ведет клетки к образованию структуры ноги. Он предполагает, что в отсутствие Wnt3 все клетки следуют пути по умолчанию, тогда как при наличии Wnt3 он «приказывает» некоторым клеткам выбрать альтернативный путь дифференцировки, ведущий к формированию головы.

Остаются открытые вопросы о молекулярных путях, связывающих механические силы с экспрессией генов. «Теперь мы знаем, что механическое растяжение активирует экспрессию Wnt3, но мы не знаем, как клетки переводят это механическое растяжение в регуляторную активность генов», — говорит Циаирис. Его команда также исследует, определяет ли уровень растяжения клеток их ответы в экспрессии генов. «Вероятно, клетки, которые растягиваются больше, — это те, которые активируют Wnt3», — говорит он.