Аксолотлі відновлюють кінцівки завдяки генетичній пам'яті

У каламутних водах мексиканських озер птахи полюють на аксолотлів, затискаючи гострими зубами кінцівки саламандр і відривають їх. Але на відміну від людей, які не можуть відновити втрачені кінцівки, аксолотлі є майстрами регенерації. Місце ампутації поступово утворює бруньку, яка зрештою розвивається у досконалу копію оригінальної кінцівки з великим і мізинним пальцями на правильних сторонах.

Як організм аксолотля знає, що потрібно регенерувати кінцівку на місці відрізу, а не хвіст чи іншу тканину? Це частково пов'язано з позиційною пам'яттю — просторовою ідентичністю, яка надається дорослим клітинам під час ембріонального розвитку і яку клітини зберігають та використовують для відновлення правильного органа після травми. «Як дорослі клітини до ампутації зберігають інформацію про те, що задні та передні клітини різні, було невідомо», — зазначила Еллі Танака, біолог-регенераціоніст з Інституту молекулярної біотехнології Австрійської академії наук.

Тепер Танака та її команда ідентифікували сигнали, які інструктують клітини в кінцівках аксолотлів відновлювати тканини, що відповідають втраченим. Їхні результати, опубліковані у журналі Nature, розкривають ключові молекулярні учасники регенерації органів з наслідками для регенеративної медицини та тканинної інженерії.

«Результати дають нам певне уявлення про типи інструкцій, які, ймовірно, будуть більш ефективними для програмування клітин на створення досконалої кінцівки», — сказала Джесіка Вайтед, біолог-регенераціоніст з Гарвардського університету, яка не брала участі в дослідженні. «Це тип дійсно детального та надійного дослідження, яке було потрібне для справжнього розуміння того, як це відбувається», — додала вона. «Це стаття з фундаментальної біології в час, коли багато фундаментальної біології піддається критиці, особливо тут, у Сполучених Штатах».

Раніше Танака та її команда виявили, що стовбурові клітини поблизу великого пальця на передній стороні регенеруючих рук аксолотлів виділяли фактор росту фібробластів 8, тоді як задні стовбурові клітини поблизу мізинця експресували Sonic hedgehog (Shh) — білок, задіяний в ембріональному розвитку. Ця сигнальна петля інформує про патернування в регенеруючій руці.

У поточному дослідженні дослідники хотіли краще зрозуміти молекулярні сигнали, задіяні в цій системі сигналізації регенерації, зосереджуючись особливо на регуляції експресії Shh на задній стороні кінцівки. Вони порівняли транскрипційні профілі передніх і задніх клітин у неушкоджених руках аксолотлів і спостерігали сотні генів, що експресуються по-різному. Серед них один виділявся: задні клітини мали значно підвищену експресію гена під назвою heart and neural crest derivatives expressed 2 (Hand2), який, як відомо, індукує Shh у мишей і данио-реріо. «Коли ми побачили назву цього гена, це справді викликало у нас мурашки», — згадав Лео Оцукі, біолог-регенераціоніст з лабораторії Танаки. Попередні роботи показали, що Hand2 важливий для ембріонального розвитку кінцівок.

Коли дослідники відрізали руки аксолотлів, експресія Hand2 різко зросла, повертаючись до базового рівня після регенерації кінцівки. Відстежуючи лінії клітин, які експресували ген під час ембріонального розвитку, команда виявила, що ці клітини зберігалися на задній стороні руки до дорослого віку і були частиною пальців, які регенерували після травми. Клітини лінії Hand2 також експресували Shh під час регенерації.

Щоб дослідити, чи кодує Hand2 задню позиційну пам'ять, Танака та її команда експресували ген на передній стороні кінцівки, де він зазвичай не експресується. Це призвело до росту нової кінцівки з цього місця, що узгоджується з попередніми повідомленнями про ектопічний розвиток кінцівок через передньо-задню дискретність. Експресія Hand2 в цих передніх клітинах «постеризувала» їх — тепер вони експресували гени, пов'язані з задньою ідентичністю.

Далі дослідники вивчили пластичність клітинних ідентичностей. Вони ін'єктували передні клітини однієї тварини на задню сторону іншої і ампутували руку через два тижні. Під час регенерації трансплантовані передні клітини експресували маркери задніх клітин, що вказує на постеризовану ідентичність.

Танака та її команда висунули гіпотезу, що вплив трансплантованих передніх клітин на ендогенний Shh, що виділяється задніми клітинами, міг їх постеризувати. Інгібування сигналізації Shh під час регенерації запобігло підвищенню Hand2 і заблокувало постеризацію трансплантованих передніх клітин. І навпаки, обробка передніх клітин активатором Shh під час регенерації збільшила експресію Hand2, надаючи їм задню ідентичність, що підтвердило, що сигналізація Shh достатня для індукції експресії Hand2 і постеризації позиційної пам'яті. Загалом результати виявили позитивну петлю зворотного зв'язку між Hand2 і Shh у кодуванні задньої пам'яті.

«Результати надають визначене обличчя або молекулу позиційній пам'яті», — сказала Танака.

Оцукі додав, що висновки «забезпечують фокус для вивчення нерегенеративних тварин, щоб запитати, яка частина цього процесу працює чи не працює». Він продовжив: «Цей ген також є у людей, тому, можливо, наше дослідження колись зможе сприяти розумінню людини також».

Вайтед вважає, що це дослідження забезпечує краще розуміння регенерації кінцівок з майбутніми застосуваннями в тканинній інженерії та регенеративній медицині. Наприклад, дослідники могли б давати клітинам-попередникам in vitro специфічні інструкції щодо того, як виростити кінцівку.

Однак вона зазначила: «Кінцівки мають більше ніж одну вісь». Тому майбутня робота може зосередитися на інтеграції цих результатів з молекулами, що беруть участь у дорсально-вентральній і проксимально-дистальній полярностях.

Оцукі погодився. «Ми добре просуваємося в роботі над кожною віссю по одній за раз, але як поєднати всі координати разом і відбудувати всі тривимірні частини?» — запитав він. «Це буде викликом для інтерфейсу між біологією та інженерією».

Дослідження відкриває нові перспективи для розуміння механізмів регенерації у хребетних тварин і може стати основою для розробки нових підходів у регенеративній медицині. Розуміння того, як клітини зберігають і використовують позиційну пам'ять, може допомогти вченим розробити методи стимулювання регенерації тканин у людей.