Гидры могут отращивать свои головы. Ученые хотят узнать, как они это делают.

Новый анализ выявил генетические основы того, как водные животные отращивают голову после обезглавливания.

Отредактировано 2023-25-06
Гидры наряду с некоторыми червями и другими животными доводят регенерацию до крайности Гидры, наряду с некоторыми червями и другими животными, доводят регенерацию до крайности.

Для группы мелких водных животных, известных как гидры, обезглавливание является скорее неудобством, чем чем-то еще. Благодаря невероятным способностям этих существ к регенерации, оно не обязательно должно быть смертельным.

Однако процессы, определяющие, как гидре удается отрастить голову, остаются загадкой. В надежде понять генетические основы этого подвига, ученые внимательно изучили, какие гены включаются и выключаются во время регенерации и как они контролируются.

"Мы хотели узнать... что происходит на уровне генома, который говорит этим клеткам расти или прекратить рост, и как это соотносится с нормальным развитием?" - говорит Эйда Масиас-Муньос, эволюционный биолог из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, которая проводила исследование, работая в Калифорнийском университете в Ирвайне.

Она и ее коллеги обнаружили ключевые различия в росте головы во время регенерации и почкования - формы бесполого размножения, используемой гидрами и некоторыми другими животными, например, кораллами. Команда также отметила, что некоторые механизмы, задействованные в регенерации гидры, похожи на те, которые контролируют развитие у других животных. Это может означать, что эти "инструменты развития" имеют древнюю историю в животном мире, говорит Масиас-Муньос, опубликовавший результаты исследования 8 декабря в журнале Genome Biology and Evolution.

Гидры принадлежат к более крупной группе беспозвоночных, называемой снидариями, в которую также входят морские анемоны, кораллы и медузы. Их простые тела имеют трубкообразную форму с ротовым аппаратом и щупальцами на одном конце и "ногой", которая крепится к окружающей скале или другой твердой поверхности, на другом.

Некоторые животные, такие как ящерицы и саламандры, могут отращивать утраченные конечности. Но гидры, наряду с некоторыми червями и другими животными, доводят регенерацию до крайности. Рядом с ротовым аппаратом у гидры есть скопление из 50-300 клеток, называемое головным организатором; как следует из названия, он руководит развитием головы. Если гидре отрубить голову, может образоваться новый организатор, который заставит животное отрастить голову. Между тем, отрубленная голова иногда отращивает нижнюю часть тела.

Ученые также успешно привили головы гидры к обезглавленным телам других гидр. И если гидру разорвать на небольшие куски клеток, то те куски, которые включают клетки-организаторы головы, отрастают в полноценное тело, говорит Масиас-Муньос.

Она и ее команда исследовали, следуют ли гидры аналогичным инструкциям для построения своей головы во время регенерации и почкования (когда животное выращивает маленькую почку, которая в конечном итоге отделяется и образует совершенно новую гидру). Они проанализировали образцы тканей, взятые у гидр, проходящих оба процесса, и выявили 298 генов, которые по-разному экспрессировались во время регенерации и почкования головы. Среди них были гены, ранее связанные с формированием головного органа у гидры, а также гены, участвующие в процессе регенерации у других животных.

"Регенерация и размножение, даже если вы получаете один и тот же результат, идут по разным траекториям", - говорит Масиас-Муньос.

Она и ее коллеги также изучили механизмы, контролирующие выполнение инструкций этих генов в процессе регенерации. Они обратили внимание на хроматин животных - плотно упакованный генетический материал, состоящий из ДНК и белков. Когда участок хроматина "закрыт", белки, называемые гистонами, удерживают его в свернутом состоянии, чтобы ДНК нельзя было прочитать; когда хроматин "открыт", другие белки могут связываться с ДНК и транскрибировать ее.

"Некоторые участки хроматина открыты в определенное время регенерации, а в другое время они закрыты", - говорит Масиас-Муньос. "Так что дело не только в том, что гены включаются и выключаются, но и в том, что это изменение открытого или закрытого хроматина помогает регулировать экспрессию этих важных для регенерации генов".

Исследователи также определили области в хроматине, которые, как известно, связывают белки, играющие важную роль в развитии различных видов животных. Это позволяет предположить, что некоторые генетические механизмы, лежащие в основе регенерации, развились до того, как книдарии отделились от предков более "сложных" животных, таких как человек, говорит Масиас-Муньос.

По ее словам, полученные результаты поднимают интригующий вопрос. Одинаково ли работает регенерация тканей у гидры и других животных? Или же такие животные, как ящерицы и саламандры, "перепрограммируют" гены развития уникальными и разными способами, чтобы добиться такого же эффекта, как гидры?

В будущем Масиас-Муньос будет изучать, как взаимодействуют гены и процессы управления, выявленные ею и ее командой. "Следующим шагом будет их функциональное тестирование и проверка того, что они что-то делают в процессе регенерации", - говорит она.

Изучение того, как происходит регенерация у таких простых организмов, как гидра, и насколько она похожа на процессы у других животных, потенциально может привести к пониманию того, как происходит неправильное развитие у человека.

"Изучение гидры просто дает нам фундаментальный взгляд на то, что могут делать клетки и каковы механизмы на генном уровне", - говорит Масиас-Муньос. "Если мы сможем понять, как нарушить их или исправить нарушения в других организмах, то, возможно, мы сможем начать думать о том, как эти нарушения, которые происходят и вызывают болезни, можно... лечить по-другому".