Почему лягушки не могут регенерировать утраченные конечности как аксолотли
Аксолотль (Ambystoma mexicanum) — саламандра, обитающая в озере Сочимилько в центральной Мексике. В дикой природе аксолотли не проходят метаморфоз: взрослые особи очень похожи на личинок и сохраняют наружные жабры. На протяжении всей жизни аксолотли способны отращивать утраченные части тела, например, конечность, откушенную хищником. Процесс может занять месяцы, но в результате регенерированная конечность неотличима от исходной: полностью функциональна и без рубцов. Хотя это явление распространено среди саламандр, у других позвоночных оно встречается редко.
В отличие от аксолотля, африканская когтистая лягушка (Xenopus laevis) проходит процесс метаморфоза, во время которого головастик превращается в лягушку и теряет большую часть способности к регенерации. Если ампутировать конечность взрослой особи, она постепенно заменяется заострённым «шипом» из несегментированного хряща.
Международная команда учёных под руководством лабораторий Элли Танаки в Исследовательском институте молекулярной патологии (IMP) и Барбары Тройтляйн в ETH Zurich исследовала этот процесс на клеточном и молекулярном уровнях. Их исследование, опубликованное в журнале Developmental Cell, углубляет понимание регенерации у позвоночных.
Всё дело в бластеме
При повреждении тела различные клетки мигрируют к ране, чтобы сформировать рубец — исходные ткани утрачены, но организм продолжает функционировать. Когда аксолотль теряет конечность, те же типы клеток собираются вместе, образуя бластему — скопление дедифференцированных клеток, которые восстанавливают утраченную конечность во всей её сложности. От сухожилий до костей, хрящей и связок — стволовые клетки, происходящие из бластемы, позволяют всем тканям отрасти заново.
«У Xenopus мы обнаружили, что бластема не может производить регенеративные стволовые клетки, необходимые для отращивания нормальной конечности, — объясняет Тобиас Гербер. — Похоже, у аксолотлей есть нечто дополнительное, что обеспечивает успешную регенерацию».
Учёные пересадили клетки из бластемы взрослой лягушки в развивающуюся зачатую конечность головастика, где они должны были бы свободно участвовать в развитии конечности. Результаты ясно показали, что даже в этой благоприятной эмбриональной среде взрослая бластема неспособна сгенерировать функциональную конечность.
Молекулярная перезагрузка [не отвечает]
Следующим логическим шагом было изучение молекулярной основы этого различия. Используя методы single-cell RNA sequencing, учёные определили, какие гены экспрессируются по-разному в клетках бластемы взрослой лягушки, эмбриональной зачатой конечности лягушки и бластемы аксолотля.
Они обнаружили, что регенерация «шипа» у взрослой лягушки молекулярно отличается как от её эмбрионального аналога, так и от процесса у аксолотля. Учёные составили длинный список генов, которые либо сверхэкспрессированы, либо недостаточно экспрессированы в бластеме лягушки. Их следующая задача — выяснить, за что отвечают эти гены.
Даже после трансплантации клеток взрослой бластемы в зачатую конечность головастика их экспрессия генов не могла «догнать» нужный уровень. Клетки оставались невосприимчивыми и не участвовали в формировании конечности, что выявило их внутреннюю неспособность к репрограммированию.
«Первый вопрос, который возникает, когда я рассказываю о своих исследованиях регенерации аксолотля, всегда звучит так: "Почему люди не могут регенерировать конечность?" — говорит Юка Танигучи-Сугиура. — Мы используем африканскую когтистую лягушку как ступеньку, чтобы понять, почему регенерация так ограничена у других животных, таких как люди».
«Наше исследование первым проверило клетки аксолотля и Xenopus на способность формировать регенеративные стволовые клетки одинаковым образом. В конечном итоге мы надеемся, что наша работа поможет понять регенерацию — или её отсутствие — у млекопитающих», — говорит Элли Танака.