Механизм регенерации глаз у планарий постепенно проясняется

Рис. 1. Слева: передняя часть тела планарии и её глаз, состоящий из фоторецепторных нейронов (Photoreceptor neurons) и пигментных клеток глазной чашечки (Optic cup cells). Клеточный состав глаза обновляется за счет специализированных стволовых клеток (необластов), экспрессирующих ген ovo (ovo+ cells). Эти клетки рассеяны в передней части тела и по мере необходимости мигрируют туда, где нужно поучаствовать в поддержании имеющегося глаза либо в восстановлении утраченного. Справа: отрезанная голова планарии за несколько недель реорганизуется в маленького, но целого червя; этот процесс называется «морфаллаксис». Глаза при этом уменьшаются в размерах и сдвигаются к переднему концу тела в соответствии с новой пространственной разметкой организма. Изображения из обсуждаемой статьи в Science

Плоские черви планарии — один из самых удобных модельных объектов для изучения регенерации. Эти животные способны отрастить заново практически любую часть своего тела благодаря присутствующей в их организме разнообразной популяции стволовых клеток — необластов. В обычной ситуации необласты служат для постоянного обновления клеточного состава всех органов и тканей, а при утрате части тела — для ее восстановления. Хитроумные эксперименты с ампутированными головами планарий позволили американским биологам расшифровать механизм, посредством которого необластам удается точно определить позицию, в которой нужно восстановить утраченный орган, даже если вся система пространственных координат в отрезанном кусочке животного исказилась.

Между процессами регенерации и индивидуального развития (онтогенеза) много общего. В обоих случаях ключевую роль играет самоорганизация, то есть самопроизвольное формирование упорядоченных структур, направляемое локальными взаимодействиями между элементами системы (см. «Как клетки понимают, что одни должны стать волосами, другие костями, третьи мозгами и т. п.?»). Изучение молекулярных основ и общих принципов самоорганизации — одна из главных задач, стоящих перед специалистами по регенерации и биологии развития.

Удобными объектами для таких исследований являются ресничные черви, такие как планария (см. Planarian) Schmidtea mediterranea. Это животное способно отрастить заново практически любую часть тела — даже голову с мозгом и глазами. Отрезанная голова, со своей стороны, тоже восстанавливается до целого червя. Столь удивительная способность связана с тем, что в организме планарии в течение всей жизни сохраняется множество разнообразных стволовых клеток — так называемых необластов. Среди них есть как плюрипотентные (умеющие превращаться в клетки разных тканей и органов), так и специализированные — способные превратиться только в клетки какого-то одного органа.

Клетки всех тканей планарии в течение жизни постоянно обновляются: для того-то и нужны необласты. Непрекращающийся кругооборот клеток создает предпосылки и для успешного восстановления потерянных частей тела.

В свежем выпуске журнала Science опубликована статья американских биологов, проливающая свет на механизм регенерации глаз у планарии. Ученые выбрали глаза по двум причинам: во-первых, их хорошо видно, во-вторых, их удаление почти не сказывается на жизнеспособности планарии в лабораторных условиях.

Глаза планарии состоят из фоторецепторных нейронов и пигментных клеток (рис. 1, слева). Новые клетки глаз формируются из прогениторных клеток (клеток-предшественников) — специализированных необластов, экспрессирующих ген ovo (клетки ovo+). Этих клеток много в передней части тела, в основном позади глаз. По мере необходимости клетки ovo+ мигрируют вперед к своему месту назначения, то есть к глазу, и заменяют отслужившие глазные клетки. Если глаз ампутировать, клетки ovo+ скапливаются в том месте, где он был, и самоорганизуются в новый глаз. Интересно, что удаление глаза не приводит даже к усиленному размножению прогениторных клеток. Глаз восстанавливается как бы сам собой, автоматически, благодаря постоянному притоку клеток ovo+, которые как ползли к глазу до ампутации, так и после нее продолжают ползти к тому месту, где глаз раньше был.

Авторы сосредоточили свои усилия на выяснении вопроса о том, откуда прогениторные клетки знают, куда именно им нужно ползти. Ученые предположили, что у необластов есть два потенциальных источника информации, причем сведения, полученные из этих источников, могут иногда противоречить друг другу.

Первый источник — это существующие анатомические структуры, в том числе мозг и глаза, которые с помощью каких-то сигналов приманивают себе прогениторные клетки, чтобы обновлять свой клеточный состав.

Второй источник — градиенты концентрации внеклеточных сигнальных белков (морфогенов). У высших животных пространственная разметка, создаваемая морфогенами, обеспечивает клетки эмбрионов позиционной информацией в ходе развития (см.: Эмбриональные клетки вычисляют свои координаты математически оптимальным способом, «Элементы», 05.07.2017). У некоторых просто устроенных многоклеточных, таких как планарии, эта разметка сохраняется в течение всей жизни. Например, морфогены семейства Wnt у планарий маркируют задний конец тела и препятствуют развитию лишних голов. Это типично для эмбрионов билатерий (см., например: Развитие червей начинается с хвоста, «Элементы», 23.11.2006), хотя у книдарий Wnt, наоборот, маркирует тот конец тела, который считается головным (на нем находятся рот и щупальца). У планарии белки Wnt синтезируются мышечными клетками в задней части тела. Если искусственно подавить чувствительность клеток к Wnt, у планарии начинают отрастать дополнительные головы в неположенных местах.

Авторы работали с ампутированными головами планарий. После того, как голова лишилась туловища, первым делом заново создается градиент «задних» морфогенов, которые начинают производиться на заднем краю отрезанной головы. Это происходит быстро — в течение 48 часов после ампутации. При этом область экспрессии передних морфогенов (или «генов позиционного контроля» — это альтернативное название морфогенов, подходящее для случаев, когда они работают во взрослом организме) уменьшается в рамерах и сдвигается к переднему концу. Затем очень медленно, в течение нескольких недель, идет так называемый «морфаллаксис» — реорганизация отрезанной головы в маленькую, но целую планарию (рис. 1, справа). Глаза и мозг при этом постепенно уменьшаются в размерах и смещаются вперед. Их новая позиция в организме восстановленного червя определяется, по всей вероятности, новой «координатной сеткой», задаваемой градиентами концентраций передних, задних, краевых и осевых морфогенов. В течение всего этого процесса глаза и мозг остаются в рабочем состоянии и исправно выполняют свои функции.

Таким образом, новая пространственная разметка формируется быстро, а анатомия червя подстраивается к ней медленно. Поэтому в течение длительного времени (нескольких недель после ампутации) должно существовать противоречие между позиционной информацией, которую стволовые клетки получают из двух упомянутых выше источников. Например, новые градиенты морфогенов «требуют», чтобы глаза располагались ближе к переднему концу тела, но реальные глаза еще не успели переползти в эту новую оптимальную позицию. Текущее положение глаз зависит и от положения связанных с ними анатомических структур, прежде всего мозга, который тоже далеко не сразу добирается до уготованного ему нового места. Воспринимают ли стволовые клетки оба типа инструкций (от морфогенов и от органов), и если да, то как они выбирают, кого слушать?

Чтобы в этом разобраться, авторы удаляли у отрезанных голов правый глаз и смотрели, где он будет восстанавливаться: напротив уцелевшего левого глаза (то есть ориентируясь на органы) или ближе к переднему концу (ориентируясь на градиенты морфогенов).

Планарии выбрали второй вариант (рис. 2). Новый правый глаз всегда формировался ближе к переднему концу, то есть в «идеальной» позиции, диктуемой новыми градиентами морфогенов, а не текущим анатомическим строением. В результате получились животные с асимметрично расположенными глазами.

Рис. 2. Схема эксперимента (слева) и его результат (справа). Через трое суток после ампутации головы у нее удаляли правый глаз, чтобы посмотреть, в каком месте прогениторные клетки будут создавать новый глаз взамен утраченного. Будут ли они ориентироваться на положение органов в данный момент (и тогда новый правый глаз сформируется напротив левого) или на новые градиенты морфогенов (и тогда глаз сформируется ближе к переднему концу тела)? Подтвердился второй вариант (справа внизу). Справа вверху — контроль (ампутированная голова, у которой глаза не удаляли). Длина масштабных отрезков — 200 мкм. Изображение из обсуждаемой статьи в Science

Итак, если глаз удален, место для нового глаза выбирается на основе «морфогенных», а не анатомических координат. Чтобы окончательно в этом убедиться, планариям отрезали передний конец тела (перед глазами). Эта процедура сдвигает «морфогенную» координатную сетку назад. Как и ожидалось, в этом случае ампутированный глаз восстанавливался не спереди, а позади уцелевшего.

Однако у отрезанных голов, которым глаз не удаляли, прогениторные клетки почему-то идут не туда, куда велят морфогены, а к имеющимся глазам. По-видимому, это значит, что глаза каким-то образом притягивают к себе прогениторные клетки. Более того, «приказы», поступающие от глаз, для клеток ovo+ важнее, чем указания морфогенов. Чтобы это проверить, ученые попробовали удалять не весь глаз, а только его часть. Оказалось, что даже крошечного сохранившегося кусочка старого глаза достаточно, чтобы все прогениторные клетки направлялись к нему. При этом никакого дополнительного глаза впереди от старого не появляется.

Прогениторные клетки движутся в основном вперед, подходя к глазам сзади (рис. 3, вверху слева). Авторы предположили, что глаз создает вокруг себя «зону притяжения», попав в которую, прогениторные клетки уже не могут выйти. Существующий глаз перехватывает все направляющиеся вперед клетки, не позволяя им создать лишний глаз ближе к переднему концу тела — в «идеальной» позиции с точки зрения морфогенов.

Рис. 3. Изготовление трехглазых планарий. Вверху слева показан нормальный маршрут миграции прогениторных клеток к левому глазу: все клетки «улавливаются» глазом, и поэтому лишние глаза впереди не формируются. Правее — схема миграции при смещенном вправо градиенте морфогенов, задающих медиально-латеральные координаты (shifting ML target). Этого можно добиться, отрезав у планарии левый бок. В результате часть клеток обходит справа зону притяжения левого глаза и формирует второй левый глаз спереди от имеющегося. Получаются трехглазые планарии. Формирование переднего левого глаза происходит позже, чем регенерация удаленного правого глаза. За это время передне-задний градиент морфогенов успевает немного сместиться вперед, и поэтому передний левый глаз обычно оказывается спереди от восстановившегося правого. Изображения из обсуждаемой статьи в Science и дополнительных материалов к ней

Это предположение можно проверить, отклонив прогениторные клетки вбок от обычного маршрута — так, чтобы некоторые из них смогли обойти зону притяжения, создаваемую существующим глазом. Тогда спереди от существующего глаза, находящегося в «неправильной» позиции, должен сформироваться дополнительный глаз.

Эксперименты подтвердили это предположение. Чтобы отклонить прогениторные клетки вправо от обычного маршрута, у несчастных планарий отрезали не только туловище, но и левый бок. Это привело к реорганизации градиентов экспрессии генов позиционного контроля slit и wnt5, задающих латерально-медиальные координаты (по ним клетки могут определить, где они находятся относительно боков и продольной оси животного). Путь клеток ovo+, направляющихся сзади к новой идеальной позиции для левого глаза («целевой зоне», как назвали ее авторы), отклонился вправо, так что существующий левый глаз не смог их перехватить. Часть клеток благополучно миновала зону притяжения глаза и сформировала дополнительный левый глаз впереди от имеющегося (рис. 3). Получились трехглазые планарии. Все три глаза у них соединены с мозгом и нормально видят (любого из них достаточно, чтобы обеспечить нормальную реакцию животного на свет).

Авторы провели еще множество экспериментов, подтвердивших идею о двойственном характере позиционной информации, получаемой прогениторными клетками ovo+. С одной стороны, клетки пытаются мигрировать к «оптимальной» позиции (целевой зоне), определяемой градиентами передне-задних и латерально-медиальных морфогенов. С другой стороны, имеющиеся глаза создают вокруг себя зону притяжения, из которой попавшие туда прогениторные клетки уже не могут выйти. Зная эти правила, можно — путем хирургических операций или отключая те или иные гены позиционного контроля — предсказуемым образом получать уродцев с необычным числом и расположением глаз.

Рис. 4. Восьми- и четырехглазые планарии, полученные путем отключения генов позиционного контроля wnt5 и slit. Эти гены обеспечивают медиально-латеральную разметку, то есть сообщают клеткам, где они находятся относительно боков и центральной оси животного. Изображение из обсуждаемой статьи в Science

Например, манипулируя работой генов wnt5 и slit при помощи РНК-интерференции, можно получить многоглазых планарий, у которых глаза располагаются в один ряд поперек тела (рис. 4). Изменения в работе этих генов ведут к возникновению новых «целевых зон» не спереди, а сбоку от имеющихся глаз. В такой ситуации глаза уже не могут «прикрыть собой» новые целевые зоны, перехватывая направляющиеся к ним прогениторные клетки (клетки ovo+ движутся в основном вперед, и поэтому имеющиеся глаза успешно прикрывают собой целевые зоны, находящиеся впереди, но не сбоку).

Дополнительные эксперименты вскрыли и другие детали работы механизма, отвечающего за позиционирование глаз. В целом, исследование показало, что градиенты морфогенов задают целевую зону, где глаз должен находиться «в идеале». Эта зона невелика по размеру и задается весьма точно. Если существующий глаз по какой-то причине оказывается вне целевой зоны, он не атрофируется, а его существование поддерживается благодаря тому, что глаз притягивает к себе прогениторные клетки. Такой неправильно расположенный глаз будет постепенно смещаться к целевой зоне — но только в том случае, если она еще не занята другим глазом. Если глаз, расположенный вне целевой зоны, ампутировать, то новый глаз возникнет не на старом месте, а в целевой зоне. Если получить многоглазую особь, у которой два глаза находятся в целевых зонах, а остальные нет, то после ампутации восстановятся только те глаза, которые находились в целевых зонах. Остальные глаза сами собой не рассасываются (потому что каждый глаз поддерживает свое существование, приманивая прогениторные клетки), но, если такой глаз ампутировать, он уже не восстановится.

Полученные результаты объясняют, каким образом планариям удается сохранять и восстанавливать нормальную анатомию при разнообразных повреждениях невзирая на то, что эти повреждения искажают систему координат, создаваемую генами позиционного контроля. Данная проблема аналогична той, с которой сталкиваются растущие эмбрионы, у которых абсолютные и относительные размеры частей быстро меняются, а значит, неизбежно меняются и градиенты морфогенов (подробнее об этом см. в новости Развивающиеся части спинного мозга сначала регулируются централизованно, а затем переходят на самоуправление, «Элементы», 01.10.2014). Если бы уцелевшие глаза не приманивали к себе прогениторные клетки, то, оказавшись в неправильном месте в результате травмы, они не смогли бы предотвратить появление новых глаз в новых целевых зонах. И тогда у планарий вырастали бы лишние глаза чуть ли не после любой травмы. С другой стороны, если бы градиенты морфогенов не задавали целевые зоны с высокой точностью, после серьезных повреждений нельзя было бы восстановить правильную анатомию. С третьей стороны, чтобы такое восстановление было возможно, необходимо, чтобы новые целевые зоны могли возникать в пределах обширной области, которую авторы называют «targetable zone» — зона потенциального таргетирования, в отличие от «target zone» (целевая зона). Для глаз планарий такой зоной потенциального таргетирования является вся передняя часть тела, в которой есть клетки ovo+. За ее пределами не могут ни возникать новые глаза, ни сохраняться пересаженные.

Таким образом, механизмы регенерации планарий постепенно проясняются. Вряд ли мы в ближайшее время научимся так же хорошо восстанавливать утраченные части тела, как планарии, но знания эти нам наверняка пригодятся.

Источник: Kutay Deniz Atabay, Samuel A. LoCascio, Thom de Hoog, Peter W. Reddien. Self-organization and progenitor targeting generate stable patterns in planarian regeneration // Science. 2018. V. 360. P. 404–409. DOI: 10.1126/science.aap8179.

См. также о регенерации, формировании осей тела и о роли сигнального пути Wnt в этих процессах:
1) Разгадан механизм регенерации конечностей, «Элементы», 27.11.2006.
2) Обнаружено фундаментальное сходство между развитием актинии и развитием позвоночных, «Элементы», 02.06.2016.
3) Эмбриональное развитие брахиопод проливает свет на природу первично- и вторичноротости, «Элементы», 26.12.2016.
4) У актинии нематостеллы гаструляция может идти разными путями, «Элементы», 14.03.2018.

Александр Марков