Проверено Эмили Хендерсон, бакалавр наук 17 сентября 2020 г.

Для большинства позвоночных потеря конечности является постоянным явлением, но несколько удачливых видов, таких как саламандры и головастики, обладают способностью полностью восстанавливать сложные части тела.

Понимание молекулярных механизмов, лежащих в основе этого явления, может быть ключом к разработке новых видов регенеративной медицины, дающих нам возможность лечить травмы спинного мозга и других сильно поврежденных тканей.

Новое исследование, опубликованное в Proceedings of the Royal Society B исследователями из Чикагского университета и Федерального университета до Пара, впервые исследует эту регенеративную способность в хвостах западноафриканских двоякодышащих рыб, и обнаружил, что этот процесс имеет много общих черт с регенерацией хвоста у саламандр.

Их результаты показывают, что эта черта, вероятно, была обнаружена у общего предка – и предоставляют новую возможность для лучшего понимания и использования механизмов возобновления роста конечностей.

Источником вдохновения для этого исследования послужила стажировка в лаборатории Шубина в Калифорнийском университете в Чикаго. После завершения своих постдокторских исследований по эволюционной биологии, Игорь Шнайдер, доктор философии, принял должность преподавателя в Белене, Бразилия, где он обнаружил, что разнообразие тропических лесов Амазонки у него под рукой.

Он заинтересовался изучением эволюционных черт на новых моделях животных и в конечном итоге сузил свое внимание до регенеративной биологии. Он начал исследовать механизмы регенерации двоякодышащих рыб – сначала у южноамериканских видов, а затем у западноафриканских двоякодышащих рыб.

«Когда мы говорим о том, как саламандра отращивает потерянный хвост, мы говорим о возобновлении всевозможных тканей», – сказал Шнайдер, доцент биологических наук Федерального университета в Парах и приглашенный доцент. биологии организмов в Калифорнийском университете в Чикаго.

«Позвонки, спинной мозг, мышцы – это очень сложная структура. Млекопитающие, птицы и большинство рептилий не могут так регенерировать ткани, но саламандры могут. Мы кое-что знаем из биологии того, как это происходит, но не знаем». Я действительно много знаю о том, как он развился и когда. Обладали ли наши предки способностью регенерировать потерянную конечность? Мы потеряли эту способность, как млекопитающие, или саламандры были достаточно удачливы, чтобы изобрести ее позже? "

Шнайдер, адъюнкт-профессор и приглашенный адъюнкт-профессор, кафедра биологии организмов, медицины и биологических наук Чикагского университета

Один из способов ответить на этот вопрос – определить, существовала ли эта черта у общего предка между людьми и саламандрами. Для этого исследователи использовали филогенетический подход, ища дополнительных родственников, обладающих аналогичным регенеративным признаком.

Двоякодышащие уникальны тем, что они «наши ближайшие родственники рыб», – сказал Шнайдер. «Они могут регенерировать свои хвосты, но они также являются нашими ближайшими родственниками в воде. Это позволяет нам выяснить, присутствовала ли эта регенеративная способность также у нашего общего предка, без необходимости углубляться в наше филогенетическое древо. "

Двоякодышащие представляют собой идеальную модель по нескольким причинам. «Эти животные имеют правильную анатомию для изучения этого вопроса, и с ними также легко работать в лаборатории», – сказал Нил Шубин, доктор философии, почетный профессор биологии и анатомии организмов Роберта Р. Бенсли в Калифорнийском университете в Чикаго

«Двоякодышащие гораздо более тесно связаны с людьми, чем другие распространенные виды, обладающие регенеративными способностями, такие как рыбки данио. Например, двоякодышащие рыбы имеют плечевую кость в плавнике, как и кость в наших плечах. У них есть похожие легкие. с нашими. Есть набор характеристик, позволяющих предположить, что эти животные гораздо более близки нам, чем рыбы данио ».

Первоначально перед исследователями стояла задача создать двоякодышащую рыбу в качестве модели с нуля, научиться ухаживать за рыбой в лабораторных условиях, взять образцы тканей и получить данные секвенирования ДНК, чтобы получить более четкое представление о генетике животного и тестирование новых антител и методов на совершенно новом виде.

Они обнаружили, что западноафриканская двоякодышащая рыба могла не только полностью регенерировать потерянный хвост, но и что регенерация использовала молекулярные механизмы, аналогичные восстановлению конечностей, наблюдаемому у земноводных. Сюда входит критически важная сигнальная молекула Shh, которая играет ключевую роль в росте и организации мозга и тела во время эмбрионального развития.

Это подтверждает гипотезу о том, что этот тип регенерации присутствовал у общего предка этих видов – и людей.

Но, возможно, даже более интересными, чем сходство в процессах регенерации, являются различия. «Что меня особенно заинтриговало, так это некоторые аспекты отрастания хвоста, которые уникальны для двоякодышащих рыб», – сказал Шнайдер.

«Эти животные известны своими гигантскими геномами – до 40 раз большими, чем у человека, – потому что их геномы содержат множество вирусных элементов ДНК, называемых транспозонами».

«Во время регенерации включаются некоторые из этих генов, но мы не знаем, просто ли это потому, что они близки к другим ключевым генам в этом процессе, или потому, что эти гены активно участвуют в регенерации. Некоторые из них это также было замечено при регенерации амфибий, поэтому возникает вопрос, играют ли эти транспозоны особую роль в регенерации »

Исследователи говорят, что эта новая животная модель не только дает представление об эволюционном происхождении этой черты, но и поможет в развитии регенеративной медицины. «Часто, имея ограниченные модели, вы пытаетесь очень хорошо понять процесс у данного вида, а затем экстраполируете полученные знания на другие виды», – сказал Шнайдер

.

«Но вы можете столкнуться с вещами, уникальными для изучаемых вами видов, которые не всегда применимы к другим животным. Понимание таких явлений, как регенерация, сравнительным способом, изучение того, как это делают другие организмы, может помочь нам найти общие темы в возрождении ».

Дальнейшее уточнение эволюции регенерации конечностей у двоякодышащих и других видов, наряду с лежащими в их основе механизмами, может открыть новые методы лечения тяжелых ран, повреждений спинного мозга и ампутаций.

«В конечном счете, мы пытаемся понять, какой у предков набор инструментов использовался этими видами для проведения процесса регенерации», – сказал Шубин. «Это поможет нам выяснить, какие части этого набора инструментов мы, люди, потеряли на генетическом и клеточном уровне, и, что более важно, какие части мы можем воссоздать?