Биоэлектрические сигналы помогли планариям отличить голову от хвоста во время регенерации

Американские биологи установили, что во время регенерации плоских червей различия между клетками головы и хвоста появляются в первые три часа после ампутации одной из частей тела. Определение правильного положения нового органа в теле червя происходит за счет биоэлектрического сигнала и управляется распределением мембранных потенциалов у еще не дифференцированных клеток. В случае нарушения этого механизма происходит формирование планарий с двумя головами и иногда довольно необычной формой тела, пишут ученые в Biophysical Journal.

Одна из особенностей плоских червей — их удивительная способность к регенерации поврежденных частей тела. За счет большого количества стволовых клеток в соединительной ткани эти животные способны к бесполому размножению, а также могут быстро восстанавливать потерянные органы, в том числе голову. Интересно, что при бесполом размножении дочерние особи формируются после деления червя поперек, при этом тело червя имеет довольно выраженную продольную асимметрию, то есть задняя половина доращивает себе голову, а передняя — наоборот, хвост.

Заметить первые различия между клетками нового хвоста и новой головы во время регенерации можно примерно через шесть часов после ампутации какой-то из частей червя. Однако вопрос о том, как клетки бластемы — основы для создания новой ткани — понимают, какой части тела у планарии не хватает и какой орган должен из них вырасти, остается предметом исследований уже более века. Известно, что управление процессом регенерации происходит по довольно сложной схеме: рост контролируется с помощью биохимических реакций, но при этом реагирует и на физические стимулы. В частности, недавно ученые выяснили, что в условиях микрогравитации при бесполом размножении может образоваться плоский червь с двумя головами, а вот слабое магнитное поле, в отличие от сильного, заметно снижает скорость восстановления.

Группа американских биологов из Университета Тафтса под руководством Майкла Левина (Michael Levin) обнаружила, что для дифференциации головы и хвоста на ранних стадиях регенерации плоские черви используют биоэлектрические сигналы и следят за распределением мембранного потенциала в клетках бластемы. Сейчас основным молекулярным механизмом, управляющими регенерацией и определением правильного расположения еще недифференцированной бластемы в теле планарии, считается сигнальный путь Wnt: два важных компонента этого механизма — β-катенин и белок Wnt1 — могут подавлять рост головы у червя, приводя к формированию хвоста. Однако никакой разницы в экспрессии этих компонентов между передней и задней половинами червя в течение первых суток регенерации не наблюдается. Фермент, концентрация которого оказывается распределена асимметрично раньше остальных, — это нотум, экспрессия которого в передней половине червя начинается только через шесть часов после ампутации. Этот фермент действительно взаимодействует с β-катенином, а вот что становится изначальной причиной этой асимметрии, до сих пор оставалось непонятным.

Авторы работы предположили, что при регенерации плоского червя для определения «полярности» тела (то есть различий между его передней и задней половинами) используется механизм, похожий на физиологические сигналы для дифференциации левой и правой частей тела у позвоночных. Чаще всего для этого позвоночные животные реагируют на различие в потенциале покоя у клеток. Неоднородное распределение мембранного потенциала запускает каскад реакций транскрипции, которые позволяют определить положение недифференцированных клеток в организме.

Для проверки этой гипотезы ученые с помощью ионофоров изменяли нормальное распределение мембранных потенциалов в бластеме червей Dugesia japonica и следили, как это скажется на процессе их регенерации. Сразу после разрезания червей помещали в раствор нигерицина или монескина, в котором они находились несколько часов, после чего раствор ионофора вымывался из организмов.

Оказалось, что в случае обработки клеток ионофором происходит «деполяризация» поврежденной ткани, то есть распределение мембранных потенциалов выравнивается, в результате чего подавляется асимметрия в экспрессия нотума. Это приводит к тому, что клетки не могут определить, в какой части организма они находятся и через две недели вырастает планария с двумя головами. Такой эффект наблюдался при использовании обоих ионофоров и не наблюдался в контрольном эксперименте, при котором распределение потенциалов оставалось нормальным.

Кроме того, исследование мембранных потенциалов и изменение времени воздействия ионофоров показало, что процесс дифференцировки между головой и хвостом запускается в первые три часа после ампутации — то есть значительно раньше асимметричной экспрессии самого нотума. Дальнейшее удаление ионофора из организма не влияет на процесс регенерации тканей в течение последующих десяти суток. Для объяснения механизма ученые предложили биохимическую модель, которая полностью описывает процесс, начиная с биоэлектрического запуска асимметричной регенерации и заканчивая формированием нормального или двухголового червя.

Авторы работы отмечают, что о влиянии электрического поля может влиять на скорость регенерации у плоских червей, было известно и ранее, однако на этот раз ученым удалось показать, что именно биоэлектрические сигналы, вероятно, первыми запускают процесс дифференциации клеток, чтобы отличить переднюю половину тела животного от задней. По словам биологов, обнаруженный эффект в будущем можно будет использовать для управляемого морфогенеза, например, контролируя распределением мембранных потенциалов стволовых клеток с помощью оптогенетических инструментов.

Недавно ученые обнаружили, что возможность восстанавливать ампутированные части тела и переносить смертельные дозы облучения плаваниям помогает мембранный белок TSPAN-1. Именно его наличие в стволовых клетках червей оказалось причиной их живучести.

Александр Дубов