Способность к регенерации частей тела удивительно распространена в животном мире. Отрежьте ногу аксолотля, руку морской звезды или хвост саламандры, и все это отрастет заново через месяц или два.
Теперь исследователи обнаружили, что эти способности восходят к общим древним генетическим корням. Недавно секвенированный геном змеехвостки, особенно впечатляющего регенератора, показывает, что она использует многие из тех же генов для восстановления своих конечностей, что и отдаленно родственные ей животные. Это говорит о том, что этот механизм не развивался у разных видов независимо, а сохранялся в течение сотен миллионов лет.
«Что действительно бросилось мне в глаза, так это то, что большинство этих организмов, способных к регенерации, имеют эту общую программу роста клеток», — говорит Шрути Наик, регенеративный биолог из Медицинской школы Икана в Маунт-Синай, которая не принимала участия в исследовании. «Эта работа позволяет нам провести четкий перекрестный анализ этой регенеративной способности в различных эволюционных масштабах. Они действительно дают нам общую картину».
Офиуры — разновидность иглокожих, наряду с морскими звездами, морскими ежами и морскими огурцами — имеют пять веретенообразных рук, выступающих из центрального диска. Многие иглокожие могут регенерировать свои конечности, если их порезать, но офиуры делают это с «огромной скоростью», говорит Элиз Парей, генетик из Университетского колледжа Лондона и ведущий автор нового исследования. Один вид, Amphiura filiformis , полностью отращивает руку всего за 4 недели. Это делает его важной моделью для изучения генетической основы регенерации.
В своей новой статье, опубликованной в Nature Ecology & Evolution, Пэри и ее команда сообщают о первом секвенировании генома змеехвостки и использовании этой последовательности для изучения того, как возникли регенеративные способности. Сравнивая геном A. filiformis с геномами морских огурцов, морских ежей и морских звезд, команда реконструировала, как змеехвостки эволюционировали с момента расхождения с этими группами около 500 миллионов лет назад. Они обнаружили, что змеехвостка претерпела более серьезные генетические изменения, чем другие иглокожие, включая увеличение числа генов, участвующих в регенерации.
Затем команда посмотрела, какие гены были активны на разных стадиях регенерации, отрезав руки более чем 3500 офиур и измерив уровни РНК по мере того, как руки отрастали в последующие дни и недели. Они обнаружили, что на начальных стадиях регенерации, когда рана начинала заживать, офиур экспрессировал гены, которые он развил относительно недавно. Но во время пролиферативной фазы регенерации, когда клетки быстро делятся, чтобы заменить утраченные ткани, он экспрессировал древние гены, которые он приобрел сотни миллионов лет назад.
Это предполагает, что офиура унаследовала способность к регенерации конечностей от древнего предка, и что другие животные могли приобрести свои регенеративные способности аналогичным образом. Чтобы проверить эту теорию, команда сравнила гены, которые офиура экспрессировала во время регенерации, с аналогичными данными двух отдаленно родственных существ, известных своей превосходной способностью к восстановлению частей тела: аксолотлей (Ambystoma mexicanum) и Parhyale hawaiensis , небольшого морского ракообразного. Исследователи обнаружили, что у всех трех животных были общие гены, которые активны во время регенерации, особенно во время поздней фазы пролиферации. Это указывает на общее предковое происхождение регенерации, говорят исследователи, а не на то, что виды развивали эти способности независимо.
«Изучаемые здесь организмы явно наделены сверхспособностями к регенерации», — говорит Наик. «Это говорит нам нечто замечательное о том, как эволюция способствовала выживанию вида». Новый геном офиуры также должен помочь «разнообразить наш инструментарий» для изучения регенерации, говорит Карин Риццоти, генетик развития из Института Фрэнсиса Крика.
Сравнение механизмов регенерации у животных также может помочь ученым понять, почему у людей и других млекопитающих отсутствует способность к регенерации, добавляет она. «Хотя нам нужно знать, почему регенерация происходит, нам также нужно понять, почему ее не происходит». Наик соглашается: «Подобные исследования действительно расскажут нам, что нужно сделать, чтобы начать перепрограммировать наши собственные органы и ткани, чтобы стать более регенеративными. Это самая большая проблема в этой области».
