Mistrzowie regeneracji, o których rzadko słyszymy
Zdolność do regeneracji i rozmnażania bezpłciowego fascynuje naukowców od ponad stu lat, odkąd na przełomie XIX i XX wieku badacze – m.in. Thomas Hunt Morgan – zaczęli opisywać niezwykłe zdolności regeneracyjne niektórych robaków.
Zrozumienie, w jaki sposób organizmy potrafią odtwarzać utracone części ciała lub tworzyć swoje klony jest jednym z kluczowych wyzwań biologii rozwojowej. W tej dziedzinie królują płazińce – grupa zwierząt, która, choć większości z nas kojarzy się z pasożytami, takimi jak tasiemce, kryje w sobie ogromną różnorodność wolno żyjących, niegroźnych gatunków o niezwykłych zdolnościach.
Neoblasty – komórki o nieograniczonym potencjale
Ich „supermoc” tkwi w komórkach macierzystych zwanych neoblastami – czyli komórkach zdolnych do dzielenia się i tworzenia nowych tkanek.
W przeciwieństwie do komórek macierzystych u ludzi, które są zazwyczaj przypisane do konkretnych tkanek (np. komórki w mięśniach tworzą nowe komórki mięśniowe), neoblasty płazińców są pluripotencjalne. Oznacza to, że każda z nich ma potencjał, by przekształcić się w prawie dowolny typ komórki w ciele.
Można powiedzieć, że płazińce są niczym worki wypełnione tymi uniwersalnymi komórkami, co daje im niemal nieograniczone możliwości odbudowy. Właśnie jeden z takich mikroskopijnych mistrzów regeneracji stał się bohaterem odkrycia naukowców z Uniwersytetu Warszawskiego – dra Ludwika Gąsiorowskiego i Katarzyny Tratkiewicz z Instytutu Biologii Ewolucyjnej.
Co dwie głowy, to nie jedna
Badacze obserwowali robaki z gatunku Stenostomum brevipharyngium. Te słodkowodne płazińce, spotykane m.in. w kałużach, mają zaledwie około 0,5–1,5 mm długości i widziane gołym okiem przypominają cienkie, białe kreseczki.
Mimo prostej budowy ciała (głowy z mózgiem i gardzielą oraz prostego jelita), z ewolucyjnego punktu widzenia są niezwykle ciekawe. Należą do katenulidów – grupy stanowiącej najstarsze odgałęzienie na drzewie rodowym płazińców.
To oznacza, że zachowały wiele cech uznawanych za pierwotne, dzięki czemu mogą być modelem do badania wczesnych etapów ewolucji organizmów dwubocznie symetrycznych. Sama nazwa pochodzi od łacińskiego słowa catena („łańcuch”) i nieco wyjaśnia ich niezwykłą biologię.
– Wśród płazińców istnieje kilka grup, które są zdolne do rozmnażania bezpłciowego, m.in. katenulidy i wypławki, i one robią to w różny sposób. Wypławki przeprowadzają tak zwaną architomię – zwierzę najpierw dzieli się na dwie części, z których każdej brakuje odpowiednio głowy bądź ogona i zaczynają następnie regenerować resztę ciała. A zwierzęta, które my badamy, katenulidy, mają inny typ rozmnażania bezpłciowego, który nazywa się paratomią. Jest ona bardziej skomplikowana. Kiedy zwierzę staje się odpowiednio długie, zaczyna formować nowe struktury w połowie własnego ciała. W tylnej części przedniej połowy formuje ogon, a w przedniej części tylnej połowy formuje głowę. Prowadzi to do powstania dwóch małych robaków, o połowę mniejszych w porównaniu do organizmu macierzystego, które są ze sobą połączone ogonem i głową – opowiada dr Gąsiorowski.
Podczas normalnej paratomii powstaje łańcuch złożony z dwóch osobników w układzie: głowa-ogon-głowa-ogon.
– Gdybyśmy sobie wyobrazili kota, to w połowie długości tego kota w pewnym momencie zacząłby rosnąć ogon, powiedzmy do góry oraz gdzieś ze środka brzucha tylne nogi. Potem przednie nogi dodatkowe, a z czasem również druga głowa, która byłaby początkowo połączona z tym pierwszym kotem za ogonem. W pewnym momencie rozdzieliłyby się one na dwa zwierzęta – tłumaczy naukowiec.
Jednak w jednej z szalek badacze zobaczyli coś, co łamało zasady: pierwszy robak w łańcuchu był dwugłowy, z głowami na obu końcach. Do jego „tylnej”, nieprawidłowej głowy, przyczepiony był drugi, normalny robak z własną głową i ogonem. To była anomalia, której naukowcy nigdy wcześniej u tego gatunku nie widzieli. Naturalnie nasunęło się pytanie: co tu się właściwie stało i co to oznacza dla biologii?
Kiedy logika ciała ulega odwróceniu
Aby zrozumieć naturę tej anomalii, badacze sięgnęli po zaawansowane techniki badawcze. Najpierw, przy użyciu mikroskopii konfokalnej – techniki umożliwiającej uzyskanie bardzo szczegółowych, trójwymiarowych obrazów tkanek dzięki skanowaniu ich wiązką lasera –dokładnie przyjrzeli się budowie dodatkowej głowy.
Okazało się, że nie jest to niedokształcona struktura, ale w pełni funkcjonalny organ z prawidłowo wykształconym mózgiem i gardzielą, tyle że stanowiący lustrzane odbicie tej właściwej.
Następnie naukowcy musieli odpowiedzieć na kluczowe pytanie: czy to prosty błąd rozwojowy, w którym głowa powstała zamiast ogona, czy może doszło do pełnej duplikacji osi ciała, co stworzyłoby dwa robaki połączone ze sobą ogonami?
Aby to sprawdzić, użyli markerów genetycznych. Wykorzystali gen, który jest aktywny w komórkach mózgu, oraz gen charakterystyczny dla komórek tylnej części jelita (czyli ogona).
Wyniki były jednoznaczne: w miejscu, gdzie powinien znajdować się ogon, badacze znaleźli komórki mózgu z odpowiednim aktywnym genem, natomiast gen charakterystyczny dla ogona nie był w ogóle aktywny w ciele zwierzęcia. To był dowód, że w wyniku błędu rozwojowego komórki macierzyste otrzymały sygnał, by zamiast ogona, stworzyć drugą głowę. Kolejnym krokiem było sprawdzenie, co się stanie, gdy potniemy takiego robaka na kawałki.
Ekstremalne możliwości regeneracji
Oś przód-tył, czyli linia łącząca głowę z ogonem, jest jedną z najbardziej fundamentalnych zasad budowy ciała zwierząt. Jej odwrócenie u dorosłego, funkcjonującego organizmu to w przyrodzie zjawisko niemal niespotykane. Naukowcy postanowili sprawdzić, czy płaziniec jest w stanie poradzić sobie z tak dramatyczną zmianą.
W kluczowym eksperymencie pocięli dwugłowego robaka na trzy części.
– Gdybyśmy sobie wyobrazili kota, o którym mówiliśmy, to tak, jakby w pewnym momencie pojawiła mu się zamiast ogona w środku ciała nowa głowa. Później, po przecięciu tego dwugłowego kota, otrzymalibyśmy fragment zwierzęcia, który będzie odwrócony o 180 stopni względem całego organizmu – tłumaczy naukowiec.
Najciekawszy był los środkowego fragmentu – tego, który posiadał „nienaturalną”, odwróconą głowę. Przed badaczami stanęło fundamentalne pytanie. Czy robak po prostu pozbędzie się „błędnej” głowy i odtworzy wszystko po staremu, potwierdzając, że oś ciała jest nienaruszalna? Czy może dokona niemożliwego i zaakceptuje nową głowę jako swój przód, odwracając całą logikę swojego ciała?
Wynik obserwacji był zdumiewający. Część robaków dokonała czegoś, co wydawało się biologicznie niemożliwe: zachowały odwróconą głowę, a na swoim pierwotnym „przodzie” zregenerowały ogon.
Robaki tył na przód
To oznaczało, że robak był w stanie całkowicie, o 180 stopni, odwrócić polaryzację osi swojego ciała i zacząć normalnie funkcjonować. Mimo że część jego komórek pamiętała pierwotny układ, organizm dostosował się do nowej sytuacji, w której jego dawny przód stał się tyłem.
Chociaż środkowy fragment zawierał tkanki pierwotnego, nieodwróconego zwierzęcia, ekstremalna plastyczność fizjologiczna płazińców – oparta na ciągłym odnawianiu tkanek dzięki pluripotencjalnym komórkom macierzystym – pozwoliła im na pełne dostosowanie wewnętrznych struktur do nowej orientacji i wznowienie normalnego rozmnażania bezpłciowego. Zdolność do tak stabilnego odwrócenia osi ciała w dorosłym organizmie dwubocznie symetrycznym jest wyjątkowo rzadkim zjawiskiem w świecie zwierząt.
Mały robak, wielkie pytania o granice rozwoju
Choć badanie dotyczy mikroskopijnych stworzeń, jego wnioski sięgają fundamentalnych zasad biologii. Pokazuje ono, jak niezwykle plastyczne potrafią być organizmy żywe i jak elastyczne są ich programy rozwojowe. Czy jednak oznacza to, że wkrótce będziemy mogli odtwarzać ludzkie kończyny?
– Bezpośrednie przełożenie tych badań na medycynę regeneracyjną u ludzi jest mało prawdopodobne – dr Gąsiorowski studzi emocje.
Mechanizm regeneracji u płazińców, oparty na uniwersalnych, pluripotencjalnych komórkach macierzystych, jest fundamentalnie inny niż u kręgowców. Istnieje jednak inne, bardziej subtelne, ale równie fascynujące powiązanie z biomedycyną.
– Ludzie, gdy słyszą o regeneracji, myślą często, że dzięki temu ludziom będzie mogła kiedyś odrosnąć np. ręka. Ciała płazińców, funkcjonujące w oparciu o pluripotencjalne komórki macierzyste, różnią się od naszych ciał. Istnieją jednak kręgowce dobre w regeneracji i przykładem jest aksolotl, który faktycznie regeneruje kończyny – wyjaśnia dr Gąsiorowski.
Procesy regeneracyjne u płazińców różnią się od tych u ludzi, ale odkrycie to ma bezpośrednie implikacje biomedyczne. Neoblasty – komórki macierzyste płazińców – wykazują cechy podobne do… komórek nowotworowych.
– W naszym ciele komórki powinny mieć dość ograniczony repertuar tego, co z nich może powstać. Mamy tkankowo specyficzne komórki macierzyste i sytuacja, w której przestają one robić to, co powinny, jest nowotworzeniem. Wtedy na przykład powstają w mózgu komórki, które zaczynają formować nabłonek z naczyniami krwionośnymi i jakimiś innymi elementami tkanek, które nie powinny się tam znaleźć. Komórki nowotworowe u ludzi mają właśnie charakter pluripotencjalny. To znaczy dochodzi w nich do pewnego rodzaju odprogramowania się – z komórek, które są specyficzne tkankowo, do komórek, które zaczynają produkować inne typy tkanek. U nas jest to stadium patologiczne – wyjaśnia dr Gąsiorowski.
U płazińców natomiast to stan fizjologiczny, a neoblast jest jak „udomowiony nowotwór”. Co ważne, to metaforyczne określenie podkreśla podobieństwo w zachowaniu komórek, a nie sugeruje chorobę.
Badając, jak płazińce kontrolują te komórki, naukowcy mogą używać ich jako modelu do poszukiwania nowych mutacji genetycznych, czy badania sposobu blokowania ekspresji niepożądanych genów. Zrozumienie mechanizmów, które pozwalają płazińcom trzymać w ryzach tak potężne komórki, może w przyszłości pomóc w badaniach nad kontrolą nowotworów u ludzi.
