Heilt vor der Hochzeit: Zellproliferation und Regenerationsfähigkeit von Quallen

Was haben Wolverine, Deadpool und Quallen gemeinsam? Alle von ihnen haben eine erstaunliche Eigenschaft - Regeneration. Natürlich ist diese Fähigkeit in Comics und Filmen, die bei einer extrem begrenzten Anzahl real lebender Organismen üblich ist, leicht (und manchmal sehr) übertrieben, aber sie bleibt ziemlich real. Und was wirklich ist, lässt sich damit erklären, was Wissenschaftler der Tohoku-Universität (Japan) in ihrer neuen Studie beschlossen haben. Welche zellulären Prozesse im Körper von Quallen sind mit Regeneration verbunden, wie läuft dieser Prozess ab und welche anderen Superkräfte haben diese quallenartigen Kreaturen? Der Bericht der Forschungsgruppe wird uns darüber berichten. Lass uns gehen.

Studienbasis

Zunächst erklären Wissenschaftler, warum sie beschlossen haben, sich auf Quallen zu konzentrieren. Tatsache ist, dass die meisten Forschungen auf dem Gebiet der Biologie unter Beteiligung der sogenannten Modellorganismen durchgeführt werden: Mäuse, Fruchtfliegen, Würmer, Fische usw. Aber es gibt Millionen von Arten auf unserem Planeten, von denen jede die eine oder andere einzigartige Fähigkeit besitzt. Daher ist es unmöglich, den Prozess der Zellregeneration vollständig zu bewerten, indem nur eine Art untersucht wird, und anzunehmen, dass der untersuchte Mechanismus allen Lebewesen auf der Erde gemeinsam ist.



Was Quallen betrifft, so sprechen diese Kreaturen mit ihrem Aussehen von ihrer Einzigartigkeit, die nur die Aufmerksamkeit von Wissenschaftlern auf sich ziehen kann. Bevor ich mit der Analyse der Studie selbst fortfuhr, traf ich daher ihre Hauptfigur.

Das Wort "Qualle", das wir eine Kreatur als solche nannten , bezieht sich tatsächlich nur auf die Phase des Lebenszyklus, die vom Subtyp der Medusozoen stammt . Menschen, die einen so ungewöhnlichen Namen haben, weil in ihrem Körper stechende Zellen (Knidozyten) vorhanden sind, die zur Jagd und Selbstverteidigung verwendet werden. Einfach ausgedrückt, wenn eine Qualle Sie gestochen hat, können Sie diesen Zellen für die Schmerzen und das Leiden danken.

Knidozyten enthalten Knidozysten, eine intrazelluläre Organelle, die für den stechenden Effekt verantwortlich ist. In ihrem Aussehen und dementsprechend in der Art der Anwendung werden verschiedene Arten von Knidozyten unterschieden, von denen man unterscheiden kann:

• Penetrationsmittel - Fäden mit spitzen Enden, die den Körper des Opfers oder Täters durchbohren, wie Speere, die ein Neurotoxin injizieren;
• Glutinanten - klebrige und lange Fäden, die das Opfer umhüllen (nicht die angenehmsten Umarmungen);
• volvents sind kurze Fäden, in denen das Opfer leicht verwirrt werden kann.

Solche nicht standardmäßigen Waffen aufgrund der Tatsache, dass Quallen zwar anmutige, aber nicht sehr flinke Kreaturen sind. Neurotoxin, das in den Körper der Beute gelangt, lähmt sie sofort, wodurch die Quallen viel Zeit für eine Mittagspause haben.


Quallen nach einer erfolgreichen Jagd.

Neben der ungewöhnlichen Jagd- und Verteidigungsmethode haben Quallen eine sehr ungewöhnliche Zucht. Die Männchen produzieren Sperma, und die Weibchen produzieren Eier, nach deren Verschmelzung sich Planuli (Larven) bilden, die sich am Boden absetzen. Nach einer Weile wächst ein Polyp aus der Larve heraus, von dem junge Quallen bei Erreichen ihrer Reife buchstäblich abbrechen (tatsächlich tritt Knospung auf). Somit gibt es mehrere Phasen des Lebenszyklus, von denen eine die Quallen- oder Quallengeneration ist.


Die haarige Cyaney, auch als "Löwenmähne" bekannt.

Wenn haariges Cyanid gefragt würde, wie die Effizienz der Jagd gesteigert werden könnte, würde es antworten - mehr Tentakeln. Es gibt ungefähr 60 von ihnen (Gruppen von 15 Tentakeln an jeder Ecke der Kuppel). Darüber hinaus gilt diese Art von Quallen als die größte, da der Durchmesser der Kuppel 2 Meter erreichen kann und Tentakeln während der Jagd bis zu 20 Meter lang sein können. Das Gute ist, dass diese Art nicht besonders "giftig" ist und daher für den Menschen nicht tödlich ist.

Eine Seewespe wiederum würde der Quantität Qualität verleihen. Diese Quallenart hat auch 15 Tentakeln (3 m lang) an jeder der vier Ecken der Kuppel, aber ihr Gift ist um ein Vielfaches stärker als das eines großen Verwandten. Es wird angenommen, dass das Neurotoxin im Körper der Seewespe ausreicht, um 60 Menschen in 3 Minuten zu töten. Dieses Gewitter der Meere lebt in der Küstenzone von Nordaustralien und Neuseeland. Nach Angaben von 1884 bis 1996 starben in Australien 63 Menschen. Diese Daten sind jedoch möglicherweise ungenau, und die Anzahl der tödlichen Begegnungen zwischen einer Person und einer Seewespe kann viel größer sein. Nach den Daten für 1991-2004 wurden jedoch von 225 Fällen nur 8% der Opfer ins Krankenhaus eingeliefert, darunter ein Todesfall (dreijähriges Kind).


Seewespe

Nun zurück zu der Studie, die wir heute betrachten.

Aus Sicht der Zellen ist der wichtigste Prozess im gesamten Leben eines Organismus die Zellproliferation - der Prozess des Wachstums von Körpergewebe durch Zellteilung. Während des Wachstums des Körpers reguliert dieser Prozess die Zunahme der Körpergröße. Und wenn der Körper vollständig ausgebildet ist, regulieren die proliferierenden Zellen den physiologischen Austausch von Zellen und den Ersatz beschädigter durch neue.

Streliki, eine verwandte Gruppe bilateraler und früher Zweige der Entwicklung mehrzelliger Organismen, wird seit vielen Jahren zur Untersuchung von Evolutionsprozessen verwendet. Daher ist Verbeugung in Bezug auf die Proliferation keine Ausnahme. Beispielsweise wird während der embryonalen Entwicklung der Seeanemone Nematostella vectensis die Zellproliferation mit der Organisation des Epithels koordiniert und ist an der Entwicklung von Tentakeln beteiligt.


Nematostella vectensis

Wie wir bereits wissen, ist das Verbeugen unter anderem für seine regenerativen Fähigkeiten bekannt. Seit Hunderten von Jahren gelten die beliebtesten unter Forschern als Hydra-Polypen (eine Gattung von sesshaftem Süßwasserdarm aus der Hydroid-Klasse). Durch sterbende Zellen aktivierte Proliferation löst die Regeneration des Hydra-Basalkopfes aus. Der Name dieser Kreatur deutet auf ein Fabelwesen hin, das für seine Regeneration bekannt ist - die Lernean Hydra, die Herkules besiegen könnte.

Obwohl es gelungen ist, die Regenerationsfähigkeit an die Proliferation zu binden, bleibt unklar, wie genau dieser zelluläre Prozess unter normalen Bedingungen in verschiedenen Stadien der Körperentwicklung abläuft.

Quallen mit einem komplexen Lebenszyklus, der aus zwei Fortpflanzungsstadien (vegetativ und sexuell) besteht, dienen als hervorragendes Modell für die Untersuchung der Proliferation.

In dieser Arbeit spielten die Quallen der Art Cladonema pacificum die Rolle des wichtigsten untersuchten Individuums. Diese Art lebt vor der Küste Japans. Anfänglich hat diese Qualle 9 Haupttentakeln, die sich während der Entwicklung zu einem Erwachsenen verzweigen und an Größe zunehmen (wie der ganze Körper). Mit dieser Funktion können Sie alle Mechanismen, die an diesem Prozess beteiligt sind, detailliert untersuchen.

Neben Cladonema pacificum wurden auch andere Arten von Quallen untersucht: Cytaeis uchidae und Rathkea octopunctata .

Forschungsergebnisse

Um das räumliche Muster der Zellproliferation in Cladonema medusa zu verstehen, verwendeten die Wissenschaftler eine 5-Ethinyl-2'-desoxyuridin (EdU) -Färbung, die Zellen in der S-Phase * oder Zellen markiert, die diese bereits passiert haben.

Die S-Phase * ist die Phase des Zellzyklus, in der die DNA-Replikation stattfindet.

Angesichts der Tatsache, dass Cladonema dramatisch an Größe zunimmt und während der Entwicklung ( 1A - 1C ) eine Verzweigung der Tentakel aufweist, kann sich die Verteilung der proliferierenden Zellen während der Reifung ändern.


Bild Nr. 1: Merkmale der Zellproliferation bei jungen Cladonemen.

Aufgrund dieser Eigenschaft war es möglich, den Mechanismus der Zellproliferation sowohl bei jungen (Tag 1) als auch bei geschlechtsreifen (Tag 45) Quallen zu untersuchen.

Bei jungen Quallen wurden EdU-positive Zellen in großer Anzahl im gesamten Körper gefunden, einschließlich eines Regenschirms, Manubriums (dem Stützorgan der Mundhöhle bei Quallen) und Tentakeln, unabhängig vom Zeitpunkt der Exposition gegenüber EdU ( 1D - 1K und 1N - 1O , EdU: 20 μM ( mikromolar) nach 24 Stunden).

Im Manubrium wurden einige EdU-positive Zellen ( 1F und 1G ) gefunden, aber im Regenschirm war ihre Verteilung sehr gleichmäßig, insbesondere in der äußeren Hülle des Regenschirms ( Exumbrella , 1H - 1K ). In Tentakeln waren EdU-positive Zellen stark geclustert ( 1N ). Die Verwendung eines mitotischen Markers (Antikörper PH3) ermöglichte es zu verifizieren, dass EdU-positive Zellen präzise proliferierende Zellen sind. PH3-positive Zellen wurden sowohl im Regenschirm als auch im Kolben des Tentakels ( 1L und 1P ) nachgewiesen.

In Tentakeln wurden mitotische Zellen hauptsächlich im Ektoderm ( 1P ) gefunden, während sich im Regenschirm proliferierende Zellen in der Oberflächenschicht ( 1M ) befanden.


Bild Nr. 2: Merkmale der Zellproliferation bei reifem Cladonema.

Sowohl bei jungen Menschen als auch bei reifen, EdU-positiven Zellen wurden im ganzen Körper in großer Zahl gefunden. Im Regenschirm wurden EdU-positive Zellen häufiger in der Oberflächenschicht gefunden als in der unteren, was den Beobachtungen bei jungen Personen ( 2A - 2D ) ähnlich ist.

Aber in den Tentakeln war die Situation etwas anders. EdU-positive Zellen sammelten sich an der Basis des Tentakels (Zwiebel) an, wo zwei Cluster auf beiden Seiten des Kolbens gefunden wurden ( 2E und 2F ). Bei jungen Individuen wurden ähnliche Akkumulationen ebenfalls beobachtet (1 N ), d.h. Tentakelknollen können die Hauptproliferationszone im gesamten Medusoidstadium sein. Interessanterweise war im Manubrium von Erwachsenen die Anzahl der EdU-positiven Zellen signifikant höher als bei jungen ( 2G und 2H ).

Das Zwischenergebnis ist, dass die Zellproliferation im Quallenschirm gleichmäßig erfolgen kann, und in den Tentakeln ist dieser Prozess sehr lokalisiert. Daher kann angenommen werden, dass eine gleichmäßige Zellproliferation das Körperwachstum und die Gewebehomöostase steuern kann, aber Cluster proliferierender Zellen in der Nähe der Tentakelknollen sind an der Morphogenese von Tentakeln beteiligt.

Im Hinblick auf die Entwicklung des Körpers als solchen spielt die Proliferation eine wichtige Rolle für das Wachstum des Körpers.


Bild 3: Die Bedeutung der Proliferation für das Wachstum eines Quallenkörpers.

Um dies in der Praxis zu testen, verfolgten Wissenschaftler das Wachstum des Quallenkörpers, beginnend mit jungen Menschen. Es ist am einfachsten, die Körpergröße einer Qualle anhand ihrer Kuppel zu bestimmen, da sie gleichmäßig und in direktem Verhältnis zum gesamten Körper wächst.

Bei normaler Laborfütterung nimmt die Größe der Kuppel in den ersten 24 Stunden dramatisch um 54,8% zu - von 0,62 ± 0,02 mm ² auf 0,96 ± 0,02 mm ² . Während der nächsten 5 Beobachtungstage stieg die Größe langsam und gleichmäßig auf 0,98 ± 0,03 mm ² ( 3A - 3C ) an.

Quallen aus der anderen Gruppe, denen das Futter entzogen wurde, wuchsen nicht, sondern nahmen ab (rote Linie in der Grafik 3C ). Die Zellanalyse von hungernden Quallen zeigte das Vorhandensein einer extrem geringen Anzahl von EdU-Zellen: 1240,6 ± 214,3 bei Quallen aus der Kontrollgruppe und 433,6 ± 133 bei hungernden Quallen ( 3D - 3H ). Diese Beobachtung kann ein direkter Beweis dafür sein, dass die Ernährung den Proliferationsprozess direkt beeinflusst.

Um diese Hypothese zu testen, führten die Wissenschaftler eine pharmakologische Analyse durch, bei der sie das Fortschreiten des Zellzyklus unter Verwendung von Hydroxycarbamid (CH ₄ N ₂ O ₂ ) blockierten, einem Zellzyklusinhibitor, der einen G1-Arrest verursacht. Infolge dieser Intervention verschwanden S-Phasenzellen, die zuvor mit EdU nachgewiesen worden waren ( 3I - 3L ). Daher zeigten Quallen, die CH ₄ N ₂ O ₂ ausgesetzt waren, im Gegensatz zur Kontrollgruppe ( ₃ M) kein Körperwachstum.

Die nächste Stufe der Studie war eine detaillierte Untersuchung von verzweigten Tentakeln von Quallen, um die Annahme zu bestätigen, dass die lokale Proliferation von Zellen in Tentakeln zu ihrer Morphogenese beiträgt.


Bild 4: Die Auswirkung der lokalen Proliferation auf das Wachstum und die Verzweigung von Quallententakeln.

Die Tentakel junger Quallen haben einen Zweig, aber mit der Zeit nimmt ihre Anzahl zu. Unter Laborbedingungen nahm die Verzweigung am neunten Beobachtungstag ( 4A und 4C ) dreimal zu.

Wiederum wurde bei Verwendung von CH ₄ N ₂ O ₂ keine Tentakelverzweigung beobachtet, und es gab nur eine Verzweigung ( 4B und 4C ). Es ist merkwürdig, dass die Entfernung von CH ₄ N ₂ O ₂ aus dem Körper von Quallen den Verzweigungsprozess von Tentakeln wiederherstellte, was auf die Reversibilität medizinischer Eingriffe hinweist. Diese Beobachtungen zeigen deutlich die Bedeutung der Proliferation für die Entwicklung von Tentakeln.

Madenwürmer wären keine Madenwürmer ohne Nematozyten (Knidozyten, d. H. Madenwürmerzellen). Bei einer Qualle der Art Clytia hemisphaerica liefern stammförmige Zellen in den Zwiebeln der Tentakeln Nematozysten genau aufgrund der Zellproliferation an die Spitzen der Tentakeln. Natürlich haben Wissenschaftler beschlossen, auch diese Aussage zu überprüfen.

Um eine Verbindung zwischen Nematozysten und Proliferation festzustellen, wurde eine Kernfärbung verwendet, die das in der Wand der Nematozyste synthetisierte Poly-γ-Glutamat (DAPI, d. H. 4 ', 6-Diamidino-2-phenylindol) markieren kann.

Die Färbung von Poly-γ-Glutamat ermöglichte es uns, die Größe der Nematozyten im Bereich von 2 bis 110 μm ² ( 4D - 4G ) abzuschätzen. Eine Anzahl leerer Nematozysten wurde ebenfalls nachgewiesen, d. H. Solche Nematozyten waren abgereichert ( 4D - 4G ).

Die Proliferationsaktivität in den Tentakeln von Quallen wurde durch Untersuchung der Hohlräume in Nematozyten nach Blockierung des Zellzyklus aufgrund von CH ₄ N ₂ O ₂ verifiziert. Der Anteil leerer Nematozyten in Quallen nach Arzneimittelintervention war höher als in der Kontrollgruppe: 11,4% ± 2,0% bei Quallen aus der Kontrollgruppe und 19,7% ± 2,0% bei Quallen mit CH ₄ N ₂ O ₂ ( 4D - 4G und 4H ). Daher werden Nematozyten auch nach Erschöpfung weiterhin aktiv mit Proliferationsvorläuferzellen versorgt, was den Einfluss dieses Prozesses nicht nur auf die Entwicklung von Tentakeln, sondern auch auf deren Nematogenese bestätigt.

Das interessanteste Stadium war die Untersuchung der Regenerationsfähigkeit von Quallen. Angesichts der hohen Konzentration proliferativer Zellen in der Tentakelknolle in reifen Cladonema- Quallen beschlossen die Wissenschaftler, die Regeneration der Tentakeln zu untersuchen.


Bild 5: Die Wirkung der Proliferation auf die Regeneration von Tentakeln.

Nach der Dissektion der Tentakeln an der Basis wurde ein Regenerationsprozess beobachtet ( 5A - 5D ). Während der ersten 24 Stunden trat eine Heilung in der Inzisionsregion auf ( 5B ). Am zweiten Tag der Beobachtungen begann sich die Spitze zu verlängern und es trat eine Verzweigung auf ( 5C ). Am fünften Tag war das Tentakel vollständig verzweigt ( 5D ), daher kann die Regeneration des Tentakels nach der Verlängerung der normalen Morphogenese des Tentakels folgen.

Um das Anfangsstadium der Regeneration besser untersuchen zu können, analysierten die Wissenschaftler die Verteilung proliferierender Zellen mithilfe der PH3-Färbung, um mitotische Zellen sichtbar zu machen.

Während sich teilende Zellen häufig in der Nähe der amputierten Region beobachtet wurden, wurden mitotische Zellen in ungeschnittenen Kontroll-Tentakelknollen ( 5E und 5F ) dispergiert.

Eine quantitative Bewertung der PH3-positiven Zellen in den Zwiebeln der Tentakeln ergab einen signifikanten Anstieg der PH3-positiven Zellen in den Zwiebeln der Tentakeln bei Personen mit amputierten Gliedmaßen im Vergleich zur Kontrollgruppe ( 5G ). Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die anfänglichen Regenerationsprozesse von einer aktiven Zunahme der Zellproliferation in den Tentakelknollen begleitet werden.

Die Wirkung der Proliferation auf die Regeneration wurde durch Blockieren von Zellen mit CH ₄ N ₂ O ₂ nach Abschneiden der Tentakeln verifiziert. In der Kontrollgruppe erfolgte die Verlängerung des Tentakels nach der Amputation erwartungsgemäß normal. In der Gruppe, in der CH ₄ N ₂ O ₂ angewendet wurde, trat trotz normaler Wundheilung ( 5H ) keine Dehnung auf. Mit anderen Worten, die Heilung wird trotzdem stattfinden, aber eine Proliferation ist für eine ordnungsgemäße Regeneration des Tentakels erforderlich.

Schließlich beschlossen die Wissenschaftler, die Proliferation bei anderen Quallenarten, nämlich Cytaeis und Rathkea, zu untersuchen .


Bild 6: Vergleich der Proliferation in Quallen der Cytaeis-Arten (links) und Rathkea (rechts).

In der Cytaeis medusa wurden EdU-positive Zellen im Manubrium, in den Tentakelknollen und im oberen Teil des Regenschirms ( 6A und 6B ) beobachtet. Die Position der nachgewiesenen PH3-positiven Zellen in Cytaeis ist Cladonema sehr ähnlich, es gibt jedoch einige Unterschiede ( 6C und 6D ). In Rathkea wurden EdU-positive und PH3-positive Zellen fast ausschließlich im Bereich der Manubrium- und Tentakelknollen ( 6E - 6H ) gefunden.

Interessant ist auch, dass in den Nieren der Rathkea- Quallen ( 6E - 6G ) häufig proliferierende Zellen nachgewiesen wurden, was die asexuelle Art der Fortpflanzung dieser Art widerspiegelt.

Angesichts der erhaltenen Informationen kann davon ausgegangen werden, dass die Zellproliferation in den Zwiebeln der Tentakeln keineswegs nur bei einer Quallenart auftritt, obwohl es aufgrund der unterschiedlichen Physiologie und Morphologie Unterschiede gibt.

Um die Nuancen der Studie genauer kennenzulernen, empfehle ich Ihnen, den Bericht von Wissenschaftlern zu lesen .

Nachwort

Eine meiner Lieblingsfiguren ist Hercule Poirot. Der kluge Detektiv achtete immer besonders auf kleine Details, die für andere unwichtig erschienen. Wissenschaftler erinnern viele Detektive daran, dass sie alle Beweise sammeln, die gefunden werden können, um alle Fragen der Untersuchung zu beantworten und den „Schuldigen“ zu berechnen.

Egal wie offensichtlich dies auch klingen mag, die Regeneration von Quallenzellen steht in direktem Zusammenhang mit der Proliferation - ein integraler Prozess bei der Entwicklung von Zellen, Geweben und damit des gesamten Organismus. Eine genauere Untersuchung dieses umfassenden Prozesses wird ein besseres Verständnis der ihm zugrunde liegenden molekularen Mechanismen ermöglichen, die wiederum nicht nur das Spektrum unseres Wissens erweitern, sondern auch unser Leben direkt beeinflussen.



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