Как стволовые клетки синхронизируются для регенерации спинного мозга у аксолотлей
Спинной мозг — важнейший компонент центральной нервной системы. Его повреждение в результате травмы, болезни или насилия часто приводит к необратимому параличу или смерти у многих позвоночных, включая человека. Однако аксолотль (Ambystoma mexicanum), саламандра из Мексики, обладает удивительной способностью полностью регенерировать спинной мозг после ампутации хвоста.
До сих пор учёные могли детально наблюдать этот процесс лишь спустя несколько дней после травмы. «Через четыре дня после ампутации стволовые клетки в пределах примерно одного миллиметра от повреждения делятся в три раза быстрее нормы, чтобы восстановить спинной мозг и заменить утраченные нейроны, — объясняет Эмануэль Кура Коста, соавтор исследования. — Но что эти клетки делают в первые четыре дня, оставалось загадкой».
Чтобы понять ранние этапы регенерации, международная команда исследователей из Национального совета по научным и техническим исследованиям (CONICET, Аргентина) и Института молекулярной патологии (IMP, Австрия) объединила математическое моделирование и современные методы визуализации тканей аксолотля. Результаты, опубликованные в журнале eLife, показывают, что нейральные стволовые клетки ускоряют свои клеточные циклы высокосинхронизированным образом, и эта активация распространяется вдоль спинного мозга.
Регенерация в унисон: клетки следуют ритму
В неповреждённом спинном мозге клетки делятся асинхронно: одни активно реплицируют ДНК перед делением, другие находятся в состоянии покоя.
Математическая модель предсказала, что после травмы картина радикально меняется: большинство клеток вблизи повреждения переходят в определённую фазу клеточного цикла, синхронизируются и начинают пролиферировать одновременно.
«Мы создали инструмент для отслеживания отдельных клеток в растущем спинном мозге аксолотлей. Разные цвета маркируют покоящиеся и активные клетки, что позволяет под микроскопом увидеть, как далеко и как быстро идёт пролиферация, — говорит Лео Оцуки, постдок в лаборатории Элли Танака в IMP и соавтор работы. — Мы были поражены, увидев совпадение теоретических предсказаний и экспериментальных результатов».
Такой «хоровой» способ деления клеток при регенерации спинного мозга уникален в животном мире. Как клетки могут координировать свои усилия на расстоянии почти один миллиметр — это в 50 раз больше размера отдельной клетки?
Таинственный сигнал, дирижирующий регенерацией
«Наша модель позволила понять, что должен существовать один или несколько сигналов, которые распространяются от места травмы по ткани, подобно волне, заставляя область делящихся клеток расширяться, — поясняет Освальдо Чара, руководитель группы SysBio в Институте физики жидкостей и биологических систем (IFLySIB, CONICET). — Этот сигнал, возможно, действует как посыльный, инструктирующий стволовые клетки начать пролиферацию».
Исследователи полагают, что этот загадочный мессенджер помогает перепрограммировать стволовые клетки для быстрого деления и восстановления утраченной ткани. Их работа локализовала этот сигнал в пространстве и времени, что открывает путь к его дальнейшей идентификации.
«Сочетание математических моделей с нашим опытом визуализации тканей было ключом к пониманию того, как запускается регенерация спинного мозга, — говорит Элли Танака, старший научный сотрудник IMP. — Следующий шаг — идентифицировать молекулы, которые стимулируют этот процесс. Это может иметь огромный терапевтический потенциал для пациентов с травмами позвоночника».