Аксолотль – амфібія, здатна до розмноження в формі личинки – володіє приголомшливими можливостями до регенерації. У новій статті вчені з’ясували молекулярні механізми, завдяки яким аксолотлю вдається відновлювати мозок навіть після видалення його значної частини.
Аксолотль, личинка Ambystoma mexicanum / © Wikimedia Commons
Аксолотль – тварина дивовижна вже сама по собі, адже вона являє собою неотенічну форму безхвостої амфібії амбістоми (Ambystoma mexicanum). Це означає, що в процесі еволюції аксолотлі навчилися розмножуватися, затримуючись на личинковій стадії розвитку і обходячись без метаморфоза, який перетворює їх на дорослу особину.
Однак унікальна амфібія має й іншу “надздібність” – йдеться про її фантастичну регенерацію. Аксолотлю нічого не варто не тільки загоїти важкі рани, але і відростити втрачені кінцівки, хвіст, серце і навіть мозок. У тому числі тому цей родич саламандр виявився популярним об’єктом біологічних досліджень.
Водночас популярність серед власників тераріумів аксолотль придбав завдяки екзотичному виду і дуже симпатичному «вираженню» морди.
У новій статті для провідного наукового журналу Science вчені описують молекулярні механізми регенерації аксолотля, а саме — його пошкодженого мозку. З цієї нагоди його фото навіть красується на обкладинці цього престижного видання.
Сама можливість Амфібії до відтворення найбільш складного органу – не новина: про неї біологи дізналися ще в далекому 1964 році. Тоді вдалося показати, що великому аксолотлю не страшна втрата частини мозку (навіть досить великої), адже вона досить швидко відновлюється.
Аксолотль потрапив на обкладинку Science / © Avalonred Alamy Stock Photo
Одночасно біологи вважали, що аксолотль не може повною мірою відтворити структуру втрачених тканин мозку.
Цим питанням зайнялися автори нової публікації – дослідники зі Швейцарської вищої технічної школи Цюріха (Швейцарія) та Інституту молекулярної патології (Австрія), які вивчають процес регенерації тканин на молекулярному рівні. В цьому випадку їх цікавило, чи зможе аксолотль створити заново всі ті різні типи клітин, які були у віддаленій частині його мозку, — тобто чи буде новий орган структурно повноцінним.
До проблеми автори підійшли грунтовно – раніше вони навіть опублікували анатомічний атлас мозку цієї амфібії. У підсумку стало відомо багато нового і про причини її регенеративної здатності, і про еволюційне минуле виду Ambystoma mexicanum.
Щоб точно знати, з якими тканинами і клітинам вони мають справу і отримати картину того, що відбувається у високому розрішенні, біологи звернулися до методу транскриптоміки одиночних клітин (single-cell RNA sequencing, scRNA-seq).
На відміну від вивчення морфології нейронів і навіть їх біохімічних маркерів, ця методика надзвичайно точна. У різних клітинах в певний момент часу працюють конкретні гени – про це дозволяють судити молекули РНК, які аналізують за допомогою scRNA-seq.
Раніше ця передова методика застосовувалася до риб, плазунів, мишей і людей, але не амфібій — і нова публікація заповнила прогалину.
Автори зосередили свою увагу на певній частині мозку, так званому кінцевому мозку, або теленцефалоні. У людини та інших ссавців до цього відділу відносять великі півкулі, відповідальні за найскладніші поведінкові і когнітивні функції.
В процесі еволюції теленцефалон зазнав сильні зміни – став набагато більшим і складнішим. Однак у всіх хребетних він має спільне походження, тому, вивчаючи його розвиток на прикладі аксолотля, ми дізнаємося і про еволюцію мозку людини.
Транскриптоміку одиночних клітин автори застосували до різних клітин в кінцевому мозку, включаючи недиференційовані, нейробласті. Вони або відтворюють самі себе, або стають новими нейронами — іншими словами, завдяки їм нервові клітини успішно відновлюються.
Отже, біологи з’ясували, які саме гени активні в клітинах-попередниках, коли ті перетворюються в нейрони. Виявилося, така диференціація відбувається через стадію особливих проміжних клітин, про які раніше не було відомо. Після видалення частини кінцевого мозку аксолотля вчені спостерігали його регенерацію протягом 12 тижнів і відзначали появу нових популяцій клітин за характерними паттернами експресії генів в них.
З’ясувалося, що аксолотль і правда успішно і повною мірою відновлює тканини пошкодженого і навіть частково втраченого мозку — для цього у амфібії є складна і багатостадійна регуляція процесу регенерації мозку.
На першій стадії регенерації збільшується число клітин-попередниць, частина з них ініціює загоєння рани. На другий – ці клітини починають диференціюватися в нейробласти. На третій, завершальній стадії нейробласті дають початок спеціалізованим клітинам, які в точності відповідають вихідним нейронам — і аксолотль повертає собі повноцінний мозок.