Биологи раскрыли секреты рождения "двуглавых" червей
Ученые из США раскрыли генетические механизмы, объясняющие то, почему блокировка электрических сигналов в теле плоских червей иногда ведет к тому, что у них вырастает лишняя голова вместо хвоста. Их изучение поможет вернуть людям способность к регенерации конечностей, говорится в статье, опубликованной в Biophysical Journal.
"Решение большинства проблем в медицине связано с тем, насколько хорошо мы понимаем то, как клетки взаимодействуют друг с другом, формируя конкретные органы или ткани. Если мы поймем, как можно манипулировать этими процессами, мы сможем бороться с врожденными уродствами, раком, дегенерацией и старением", — заявил Майкл Левин (Michael Levin) из университета Тафтс (США).
В последние годы ученые находят все больше свидетельств того, что устройство тела человека и других живых существ, а также особенности их поведения, задаются не только генами, но и тем, как "упакована" их ДНК и множеством других факторов, не связанных с передачей генетической информации.
Три года назад Левин и его коллеги выяснили, что процессом регенерации головы у червей-планарий управляют не только гены, но и электрические сигналы, которыми обмениваются клетки этих беспозвоночных при отращивании утерянного хвоста или передней части тела.
Изучая этот процесс, команда Левина научилась заставлять червей отращивать "чужие" головы с совершенно иной архитектурой мозга, используя электрические сигналы, записанные при наблюдениях за ростом головы иных видов планарий.
Впоследствии ученые попытались пойти дальше и решили вырастить червя, имеющего две головы и ни одного хвоста. Год назад им удалось решить эту задачу, разрезав несколько десятков планарий на три части, отделив их головы и хвосты, и обработав эти "обрубки" спиртом октанолом, блокирующим передачу электрических сигналов между клетками.
Успешное завершение этих опытов, как отмечает Левин, заставило его задуматься о том, что играет в этом процессе первоочередную роль – электрические сигналы или гены. Вполне возможно, что первые могут не дирижировать регенерацией, а просто отражать изменения в активности тех участков ДНК, которые отвечают за восстановления потерянного хвоста или головы.
Для ответа на этот вопрос ученые провели еще одну серию подобных экспериментов. Они разрезали несколько планарий на части и проследили за тем, как менялся уровень активности определенных генов, связанных с "программами" роста хвоста и головы, в первые часы после операции. Параллельно они наблюдали за флуктуациями в электрическом потенциале клеток, расположенных на краю раны.
Как оказалось, различия в напряжении на мембранах клеток в разных частях раны появились задолго до того, как поменялся уровень активности генов Wnt, notum и прочих участков ДНК, непосредственно отвечающих за формирование новых органов и конечностей. Это говорит о том, что именно электрические сигналы "дирижировали" генами, а не наоборот.
Дополнительным подтверждением этой гипотезы служит и то, что двуглавые черви появлялись после разрезания их "предка" на части даже в том случае, если ученые обрабатывали их спиртом за неделю до того, как проходила операция. Эта процедура, по словам исследователей, поменяла электрический потенциал тела планарии и "запрограммировала" ее на формирование второй головы при появлении серьезных повреждений.
Используя данные этих наблюдений, ученые создали компьютерную модель регенерации, которая очень точно предсказывает вероятность появления "лишней" головы или хвоста и описывает сам процесс их роста, опираясь на текущее состояние "электрической памяти" тела червя, как назвали это свойство Левин и его коллеги.
Эта виртуальная модель помогла биологам научиться управлять работой генов регенерации и вырастить новых причудливых червей, обладающих "хвосто-головами" необычно малых или крупных размеров и похожих по форме на привидений. Как надеются ученые, последующие опыты с электрическими свойствами клеток позволят им вернуть человеку способность к регенерации в будущем.