Hand2: позиционный код, который позволяет аксиолотлам отрастать конечности

Живя в мутном озере вокруг Мехико, в окружении агрессивных и каннибалистских соседей, аксолотл живет в постоянном риске потери конечности для соседа. К счастью, потерянные конечности вырастают и функционируют всего за восемь недель. Чтобы достичь этого подвига, отражающие части тела должны «знать» их положение в корпусе аксолотла, чтобы регенерировать правильную структуру для определенного места. Давно продуманный код, который рассказывает ячейки, где они находятся, и, таким образом, дает части тела, их идентичность теперь взломала Элли Танака и ее группа в IMBA, Институте молекулярной биотехнологии Австрийской академии наук. Исследование, опубликованное в журнале Природа 21 мая показывает, как ячейки «запоминают» их положение и при травме включите сигнал, который транслируется по одной стороне конечности и инструктирует ячейки регенерировать структуры, которые соответствуют их местоположению.

После начала регенерации стволовые клетки на передней (большой) стороне экспрессируют сигнальный фактор FGF8, в то время как задние (мизинские) боковые стволовые клетки экспрессируют SHH. Эти два сигнала укрепляют друг друга, чтобы сказать клеткам выращивать и срабатывать регенерирующую руку – предыдущее открытие из лаборатории Танака. «То, что мы не знали, было то, какие сигналы гарантируют, что FGF8 и SHH включаются на двух сторонах конечности во время регенерации, главный механизм, который лежит в основе позиционной информации», – объясняет Лео Оцуки, первый автор исследования. Аксиолотлы имеют очень большие и сложные геномы, а генетические инструменты, легко доступные для других модельных организмов, часто не существуют для аксолотлей. Только недавние достижения с этими молекулярными инструментами позволили ученым систематически искать сигнальные сигналы в корне регенерации.

Много подсказок, чтобы кодировать позиционную память

К их удивлению, исследователи обнаружили сотни факторов, которые различались в передней (стороне большого пальца) по сравнению с задней (мизинкой) половиной конечности еще до травмы. Но один ген застрял: соответствующим образом названная рука2 экспрессируется только на задней стороне и совсем не в передней половине. «Hand2 привлекла наше внимание, потому что она выражается в нужном месте, чтобы выступать в качестве позиционного сигнала», – говорит Оцуки. Эксперименты по разработке и регенерации конечностей подтвердили важную роль Hand2 в включении SHH после травмы – демонстрируя ее роль центрального игрока в предоставлении позиционной информации.

Ученые прибыли к новой модели регенерации конечностей, напоминающей радиопередачу: в полностью развитой конечности только клетки на задней стороне экспрессируют руку2 на низких уровнях. Эта экспрессия hand2 поддерживает стабильную память клеток «быть в мизинской зоне». После травмы эти ячейки поднимают экспрессию Hand2 на более высокий уровень, который включает сигнал Shh в подмножестве, экспрессирующие Hand2 ячеек. Клетки SHH вблизи источника SHH затем регенерации в форме клеток с идентичностью задней части; Клетки далеко от сигнала SHH регенерируют в виде передних частиц. Как только конечность полностью регенерирована, клетки снова экспрессируют руку2 на низком уровне, обеспечивая, чтобы стабильная память об их положении была готова для следующего цикла травм и регенерации. Эти выводы могут впервые объяснить, как ранее существовавший сигнал позиционной памяти повторно активирует при повреждении, чтобы неоднократно вызвать правильный паттерн.

Многообещающие возможности для тканевой и органоидной инженерии

Обнаружение, ставшее возможным благодаря инструментам генетической манипуляции и прослеживания клеток, разработанных в лаборатории Танака, является основным прорывом для всего области регенерации. «Мы обнаружили более гибкую модель регенерации, чем ожидали, и это действительно захватывающе. Наша модель предсказывала, что мы должны быть в состоянии переключать ячейки с передней идентичности на заднюю идентичность, используя преимущества трансляции SHH», – объясняет Оцуки.

Действительно, когда исследователи поместили клетки со стороны большого пальца рук в мизинчую сторону, эти клетки большого пальца регенерировали и вели себя как розовые клетки, когда они попали в диапазон «трансляции Shh». “Мы смогли перепрограммировать клетки спереди и изменить их идентичность. “

Способность изменять клеточные идентичности обладает огромным потенциалом для тканевой инженерии и регенеративной терапии. Эта концепция – по существу «перепрограммирование» клеток, чтобы изменить их функцию – может позволить ученым трансформировать клетки в разных частях тела.

«Возможность преобразовать ячейки, оставшиеся после травмы и изменять их функцию, критически важна для применений в регенеративной терапии», – отмечает Оцуки. «Это также усиливает нашу способность работать с органоидами и инженерными тканями: теперь мы знаем сигналы, которые могут трансформировать идентичность клеток и изменять их регенеративные выходы. Использование таких сигналов может позволить нам вытолкнуть клетки за пределы их нормальных биологических ограничений». Это может позволить им взять на себя совершенно новые роли – захватывающую перспективу медицинских инноваций.

Обнаружение того, что аксолотл полагается на цепь сигнализации Hand2-SHH для регенерации конечностей, особенно многообещающе. «Эти же гены также присутствуют у людей, и тот факт, что аксолотл повторно использует эту схему в течение взрослой жизни, чтобы регенерировать конечность, является захватывающим. Это предполагает, что, если аналогичная память существует в человеческих конечностях, ученые могут однажды нацелиться на них, чтобы разблокировать новые регенеративные возможности», – говорит Элли Танака.

Более того, экспрессируя этот ген в областях, где он, как правило, не активен, таких как передняя половина конечности, он может направлять клетки, чтобы инициировать образование конечностей с нуля. «Это открытие подпитывает оптимизм, который, используя экспрессию Hand2, вместе с другими идеями из модели Axolotl, мы можем в конечном итоге в состоянии отразить конечности у млекопитающих», – добавляет Танака. «Такие достижения имеют обещание для области регенеративной медицины».