Почему у гидры формируется только одна голова?

Пресноводная гидра, считающаяся практически бессмертной, способна регенерировать любую часть тела. Эта черта была открыта натуралистом Абрахамом Трамбле почти 300 лет назад. Любой фрагмент тела, содержащий несколько тысяч клеток, может восстановить целый организм. У этого полипа длиной в сантиметр есть два организационных центра развития: один на уровне головы, другой — в районе ноги. Головной организатор выполняет две противоположные функции: активирующую, которая вызывает дифференцировку головы, и ингибирующую, которая предотвращает формирование лишних голов.

Исследователи из Женевского университета (UNIGE) обнаружили идентичность ингибитора — белка под названием Sp5 — и расшифровали диалог между этими двумя антагонистическими активностями. Этот механизм поддерживает формирование единственной головы у взрослой особи и организует адекватный регенеративный ответ. Исследование, опубликованное в журнале Nature Communications, показывает, что данный механизм консервативен в эволюции и присутствует как у гидры, так и у человека. Sp5 может быть отличным кандидатом для ингибирования человеческих опухолей, в которых активаторный путь служит двигателем пролиферации.

Диалог активатора и ингибитора

Регенерация головы зависит от превращения культи в ткань, называемую головным организационным центром. Этот центр, подобно архитектору, направляет построение будущей головы. Он осуществляет две противоположные активности:

• Активирующая индуцирует дифференцировку стволовых клеток в специализированные клетки головы. Активатором является фактор роста Wnt3, действие которого запускает программу трёхмерной клеточной дифференцировки, направляющую построение головы. Без Wnt3 программа регенерации головы не может осуществиться.
• Ингибирующая активность, производимая под контролем активирующей, предотвращает формирование сверхчисленных голов. До исследования природа этого диалога и идентичность ингибитора были неизвестны.

Открытие белка Sp5

Используя результаты исследования немецкой команды на планариях, биологи разработали стратегию скрининга генов для идентификации ингибитора. Из 124 кандидатов, соответствующих определённым критериям, был выбран единственный, удовлетворяющий всем требованиям — ген, кодирующий белок Sp5. Учёные продемонстрировали, что Sp5 связывается с регуляторной областью гена, кодирующего Wnt3, блокирует его экспрессию и, следовательно, формирование головы.

Регуляторная петля и многоголовые гидры

Исследователи количественно оценили экспрессию генов, кодирующих Wnt3 и Sp5, в разных частях тела целых или ампутированных гидр. Они обнаружили, что между двумя активностями устанавливается регуляторная петля в зависимости от локализации и количества экспрессии каждого гена.

• У целых животных фактор роста Wnt3 в основном присутствует на кончике головы, а Sp5 активен прежде всего в окружающей области, чтобы предотвратить появление других голов.
• Когда учёные блокировали экспрессию Sp5, полипы гидры (как целые, так и регенерирующие) развивали множественные головы, все полностью функциональные.
• Эти результаты были воспроизведены даже на полипах, клетки которых были полностью диссоциированы, а затем реагрегированы и оставлены в культуре — многоголовые гидры полностью сформировались за 4–5 дней.

Эволюционная консервативность и потенциал для медицины

У человека сигнальный путь, активируемый Wnt3, в основном активен во время эмбрионального развития, а также при различных типах опухолей у взрослых. Если ингибирующий эффект Sp5 подтвердится и у нашего вида, этот белок может стать кандидатом для лечения, нацеленного на раковые клетки, которые используют путь Wnt3 для пролиферации.