Аксолотли отрастили новый тимус после удаления старого

Ученые из Германии и США показали, что молодые аксолотли способны регенерировать тимус после полного удаления. При этом морфология, клеточное разнообразие и функции органа полностью восстанавливаются. Работа опубликована в Science Immunology.

Способности млекопитающих к регенерации весьма ограничены: у них заживают раны, срастаются сломанные кости и восстанавливается большая часть печени, если сохранить меньшую. С остальными органами сложнее: исследования на мышах показали, что они могут частично регенерировать тимус, но только если от органа что-то осталось. Другие позвоночные могут чуть больше: некоторые рыбы, саламандры и амбистомы отращивают конечности, челюсти, хвост, сердце, спинной мозг, хрусталик глаза, если сохранился остаток прежнего. Аксолотли — неотенические личинки амбистом (Ambystoma mexicanum) — способны регенерировать конечности с костями, мышцами, нервами и сосудами, а также сердце, спинной мозг, хрусталик и сетчатку. Однако до сих пор ни у одного позвоночного не наблюдалась способность регенерировать целый орган de novo — то есть не из остатка прежнего, а с нуля.  

Команда ученых под руководством Анны Чарквиани (Anna Czarkwiani) из Технического университета Дрездена продемонстрировала, что аксолотли могут регенерировать de novo тимус, представленный у них тремя узелками с двух сторон головы. Ученые удаляли эти узелки у молодых аксолотлей в возрасте 6–8 недель либо с одной, либо с обеих сторон, и в течение двух месяцев узелки вновь вырастали. На 60 день новые тимусы морфологически и функционально не отличались от контрольных. Они включали Т- и В-лимфоциты, макрофаги, миелоидные, эндотелиальные и мезенхимальные клетки и клетки эпителия тимуса. Каждая популяция клеток экспрессировала свои маркеры, а размеры каждой популяции были одинаковыми в контрольных и во вновь образованных тимусах. 

Чтобы наверняка убедиться в том, что регенерированные тимусы функционируют нормально, ученые заставили их экспрессировать флуоресцентный белок и пересадили их контрольным аксолотлям. Уже на третий день после трансплантации светящиеся лимфоциты из пересаженных тимусов наблюдались в кровотоке, селезенке и конечностях. Также Т-клетки из регенерированных тимусов мигрировали в регенерирующие конечности после ампутации. Спустя год после трансплантации только эпителиальные клетки тимуса имели донорское происхождение, а зрелые лимфоциты принадлежали реципиенту. Это указывало на то, что регенерированный пересаженный тимус поддерживал тимопоэз: незрелые Т-клетки мигрировали в него из костного мозга и созревали там в лимфоциты.

Секвенирование РНК отдельных клеток на разных стадиях регенерации позволило ученым выделить три ее фазы. На ранней фазе (5 день после удаления) в области удаленного тимуса резко снижалось число эпителиальных клеток тимуса (ЭКТ) — небольшое их количество было рассредоточено в области резекции. На втором этапе (10–21 дни) появлялись зачатки нового тимуса, начинала восстанавливаться популяция ЭКТ и в них достигала пика экспрессия гена Foxg1, связанного с развитием тимуса у позвоночных, а также увеличивалась экспрессия иммунных генов Cd74 и Cd83. На третьем этапе (21–35 дни) новый тимус уже был нормальных размеров и в нем присутствовали не только ЭКТ, но и стромальные фибробласты, кровеносные сосуды и нервы, а также Т-клетки на разных стадиях.

Заподозрив ген Foxg1 в запуске регенерации ученые создали мутантных аксолотлей, у которых этот ген был выключен. У таких животных тимус был очень маленьким — примерно в сто раз меньше обычного — и почти не производил новые Т-клетки. После удаления такой тимус, впрочем, регенерировал, но оставался таким же маленьким и нефункциональным. Таким образом, Foxg1 очевидно был необходим для нормального развития и регенерации тимуса, но он не запускал эти процессы. 

Следующим кандидатом в инициаторы был фактор роста мидкин (MDK), связанный с регенерацией конечностей у аксолотля. Он включался рано — в первые дни после удаления, а его пик приходился на пятый день, когда в области операции появлялись новые ЭКТ. Когда ученые ингибировали MDK сразу после операции, регенерация подавлялась: образовывалось меньше новых узелков. Даже если ингибирование прекращали спустя десять дней, восстановление тимуса все равно нарушалось. При этом в неповрежденных тимусах этот ген не экспрессировался — это происходило только после удаления органа в клетках базального слоя эпидермиса, фибробластах и отдельных мезенхимальных клетках в месте удаления, а еще — в клетках Col17a1+, одновременно экспрессирующих маркеры эпителия и мезенхимы. Именно эти клетки активнее других экспрессировали Mdk на пятый день после удаления, находились там, где раньше был тимус, и одновременно экспрессировали Foxn1 и рецептор MDK.

Авторы пришли к выводу, что тимус аксолотлей может регенерировать после полного удаления, восстанавливая морфологию, клеточный состав и функциональность. Этот процесс начинается с образования новых эпителиальных клеток тимуса, которые, вероятно, происходят из клеток Col17a1⁺, объединяющих в себе признаки эпителия и мезенхимы. Скорее всего, это дедифференцированные клетки эпидермиса, участвующие в заживлении ран. Однако это лишь предположение ученых: они подчеркнули, что происхождение клеток Col17a1⁺ еще предстоит выяснить.

Морские слизни из рода Elysia способны отбрасывать тело и на основе головы отращивать новое — вместе со всеми органами. Пока новое тело отрастает, голова живет самостоятельно.