Разгадан механизм регенерации конечностей

Аксолотль — земноводное, сохраняющее способность к восстановлению утраченных конечностей в течение всей жизни. Это сделало его излюбленным объектом биологов, изучающих механизмы регенерации (фото © А. Кропотова с сайта www.vitawater.ru)
Аксолотль — земноводное, сохраняющее способность к восстановлению утраченных конечностей в течение всей жизни. Это сделало его излюбленным объектом биологов, изучающих механизмы регенерации (фото © А. Кропотова с сайта www.vitawater.ru)

Процесс регенерации утраченных конечностей во многом сходен с процессом их формирования во время эмбрионального развития. Как выяснилось, это сходство не только внешнее. Оба процесса регулируются одними и теми же генно-регуляторными каскадами — Wnt/beta-catenin и BMP. Включая и выключая отдельные гены — участники этих каскадов, можно не только отключить регенерацию у животных, способных к ней, но и включить ее у тех животных, которые эту способность потеряли. В частности, ученым удалось таким путем включить процесс регенерации утраченного крыла у цыпленка.

Биологи из Испании и США провели серию генно-инженерных экспериментов, в результате которых им удалось показать, что регенерация конечностей у позвоночных регулируется теми же ключевыми регуляторными белками, которые управляют развитием конечностей у эмбриона. Белки, о которых идет речь, образуют два сигнально-регуляторных каскада, или пути (pathways), которые называются Wnt/beta-catenin (о роли белка Wnt в развитии червя Caenorhabditis elegans см. Развитие червей начинается с хвоста, «Элементы», 23.11.2006) и BMP (по названию ключевого участника каскада — белка BMP, bone morphogenetic protein).

Для первого эксперимента ученые сконструировали специальный вирус, в геном которого был встроен ген белка Axin1. Этот белок блокирует работу Wnt-каскада. Введение вируса аксолотлю снизило способность к регенерации. У аксолотля в норме отрезанные конечности восстанавливаются полностью, однако у зараженных искусственным вирусом аксолотлей вместо лапы вырастала лишь заостренная культя без пальцев.

Нормально регенирировавшая после ампутации конечность аксолотля (А) и недоразвитая конечность у особи, которой был введен Axin1 — ингибитор Wnt-каскада. Фото из статьи в Genes & Development
Нормально регенирировавшая после ампутации конечность аксолотля (А) и недоразвитая конечность у особи, которой был введен Axin1 — ингибитор Wnt-каскада. Фото из статьи в Genes & Development

Этот эксперимент показал, что нормальная работа Wnt-каскада — необходимое условие регенерации, но является ли она также и достаточным условием? Чтобы проверить это, ученые поставили эксперимент на шпорцевой лягушке, у которой, в отличие от аксолотля, способность к регенерации есть только у головастиков и с возрастом исчезает. Был сконструирован еще один вирус, производящий белок бета-катенин — один из ключевых участников Wnt-каскада. Введение этого вируса улучшало способность шпорцевых лягушек к регенерации конечностей на тех стадиях развития, когда эта способность уже ослаблена. Однако у взрослых лягушек, полностью потерявших способность к регенерации, этого не наблюдалось. Следовательно, для регенерации необходимо что-то еще, кроме Wnt-каскада.

Третьим подопытным объектом стала рыбка данио-рерио (zebrafish). В норме эта рыбка способна заново отращивать утраченные плавники. Ранее было показано, что различные ингибиторы Wnt-каскада снижают эту способность (так же, как и у аксолотля и шпорцевой лягушки). Чтобы проверить, способно ли активирование Wnt-каскада усилить способность к регенерации у данио-рерио, исследователи использовали рыбок, потерявших эту способность в результате мутации. Введение таким рыбкам бета-катенинового вируса привело к частичному «исправлению» данного дефекта. На данио-рерио исследователям удалось также показать, что для успешной регенерации, помимо Wnt-каскада, должен нормально работать также и сигнально-регуляторный каскад BMP.

Самое интересное, что оба каскада (Wnt и BMP) руководят и развитием конечностей в ходе нормального эмбрионального развития. На клеточно-тканевом уровне оба процесса — регенерация и развитие конечности в эмбриогенезе — тоже очень сходны. Авторы не исключают, что у регенерации может быть и какая-то своя специфика (то есть могут быть какие-то особые регуляторы, необходимые для регенерации, но не участвующие в эмбриогенезе). Но в целом полученные на сегодняшний день данные указывают на то, что восстановление утраченных конечностей, по сути дела, осуществляется на основе той же самой программы развития, которая руководит формированием конечностей у эмбриона. И эту программу, по-видимому, можно искусственно «включить» даже у тех животных, которые в норме вообще не способны восстанавливать утраченные конечности. Ведь программа эмбрионального развития есть у всех!

А — нормальное крыло куриного эмбриона. B — недоразвитое крыло, образовавшееся после ампутации верхушечного эпителия (AER — apical ectodermal ridge) зачатка крыла. D — крыло после такой же ампутации у цыпленка, у которого был искусственно активирован ген бета-катенина, развилось гораздо лучше. Фото из статьи в Genes & Development
А — нормальное крыло куриного эмбриона. B — недоразвитое крыло, образовавшееся после ампутации верхушечного эпителия (AER — apical ectodermal ridge) зачатка крыла. D — крыло после такой же ампутации у цыпленка, у которого был искусственно активирован ген бета-катенина, развилось гораздо лучше. Фото из статьи в Genes & Development

Ученым удалось подтвердить это предположение в опытах на курином эмбрионе (см. рисунок). Удаление особого многослойного эпителия, расположенного на верхушке зачатка крыла, приводит к недоразвитию крыла (B). Однако если активировать у цыпленка ген бета-катенина, крыло после такой ампутации развивается гораздо лучше (D).

Ученые делают из всего этого осторожный вывод, что сигнально-регуляторные каскады, управляющие развитием зародыша, вероятно, стали тем «сырым материалом», на основе которого у некоторых животных развилась способность к регенерации. Не исключено, что дальнейшее изучение этих регуляторных систем позволит в будущем «включать» регенерацию у взрослых животных, полностью лишенных способности к восстановлению утраченных частей тела, в том числе и у человека.

Источник: Yasuhiko Kawakami, Concepción Rodriguez Esteban, Marina Raya, Hiroko Kawakami, Mercè Martí, Ilir Dubova, Juan Carlos Izpisúa Belmonte. Wnt/beta-catenin signaling regulates vertebrate limb regeneration // Genes & Development. 2006 (Article published online ahead of print).

Александр Марков


17
Показать комментарии (17)
Свернуть комментарии (17)

  • dims  | 28.11.2006 | 00:57 Ответить
    А насколько далеко от этих опытов до регенерации утраченных конечностей у людей? Что ещё надо пройти? Что мешает сразу проверить метод на тех людях, которые потеряли, скажем, ноги или руки, и которым в некотором роде, нечего терять?
    Ответить
    • Vitall > dims | 28.11.2006 | 09:29 Ответить
      Вот рак например. Уже десятки раз добивались успеха и рапортовали о нем на модельных организмах(главным образом новые "тергет специфик" тритменты), в основном мышах и крысах. И ведь раковым больным действительно нечего терять - при диагностировании некоторых форм средняя продолжительность жизни бывает и 6 месяцев, и 12... Вот только подать заявку в FDA, это заполнить множество документов с обоснованием почему предложенная методика безопасна для человека плюс провести огромное количество экспериментов с целью обоснования этой безопасности. После чего заявку рассмотрят бюрократы FDA и, если повезет, разрешат проверку сначала исключительно безвредности, на нескольких пациентах и очень низкой дозой лекарства. Так называемая стадия один. А до третьей+ стадии и коммерческого внедрения лекарства пройдут многие годы...
      Ответить
      • dims > Vitall | 28.11.2006 | 15:08 Ответить
        То есть, Вы утверждаете, что технических проблем не осталось, только бюрократические?

        Но ведь бюрократические приблемы легко преодолимы, можно, например, пройти тестирование в другой стране, где задержки меньше....

        P.S. Ведь не мешал же тормозизм ФДА делать американкам себе силиконовые груди в других странах! Так бы и отращивать конечности ездиди бы за границу. И им выгодно и врачам выгодно и стране пребывания выгодно...
        Ответить
        • Vitall > dims | 29.11.2006 | 00:40 Ответить
          В каком смысле не осталось технических проблем? До эффективных и широко пременимых методик лечения рака ОЧЕНь далеко, до отращивания органов - еще дальше.
          Ответить
          • dims > Vitall | 29.11.2006 | 01:08 Ответить
            Я про регенирацию.

            И спрашиваю: что ещё надо сделать? Ведь на курицах получилось?

            А Вы про FDA говорите. Вот у меня и сложилось впечатление, что Вы утверждаете, что проблемы остались только бюрократические.
            Ответить
            • Vitall > dims | 29.11.2006 | 01:09 Ответить
              По поводу легкопреодолимости. Представить aмериканского/западноевропейского (90+% всех исследований) ученого тайком отправляющего экспериментальные лекарства в страны третьего мира для тестирования я не могу. Во первых на какие шиши он будет это делать? Ни гранты, ни акедем финансирование такого не предусматривают. Есть же официальные организации собственно в стране которые если у тебя есть что либо заслуживающее внимание рассмотрят твою заявку самым лучшим и утвержденным способом.
              Во вторых - ну нашел он деньги(непонятно как) на производство, оплатил как-то провидение эксперимента с сотнями больных. В итоге выяснилось, что продолжительность жизни возраста на 20%. С 6-ти месяцев до семи. Или в многолетнем эксперименте с 12 до четырнадцати. Что дальше? Кто-то будет доверять статистике собранной в России или Зимбабве?

              P.S. Да, слово "бюрократ" часто абсолютно не имеет негативного оттенка. Я не утверждал что FDA плохо работает или неэффективна.
              Ответить
              • dims > Vitall | 29.11.2006 | 01:12 Ответить
                Зачем же тайком? Тайком не надо. Если есть почти готовая технология регенерация органов, то идёшь в любую фирму, она тебе отваливает бабок и занимаешься этой работой там, где по закону можно.
                Ответить
              • dims > Vitall | 29.11.2006 | 01:16 Ответить
                По поводу "во-вторых".

                Я не понял. Мы вроде про регенерацию говорим.

                Берём безноговго в Зимбабве, и говорим ему, что вот, мол, у нас есть лекарство, которое, возможно, тебе ноги отрастит. И устраиваем это всё так, чтобы по законам Зимбабве было всё легально.

                У него ноги отрастают. К нам начинают стекаться сотни безногих, которым мы всем отращиваем ноги.

                Наконец, народ начинает валить валом, в том числе и из родной Америки, и вот тут-то мы и говорим, что теперь за деньги. Зарабатываем кучу денег и живём себе хоть в Зимбабве, хоть где, припеваючи. А пока там система признает, что и где, это нас не касается.
                Ответить
                • Vitall > dims | 29.11.2006 | 01:35 Ответить
                  Давайте определимся. На курицах получилось в случае ампутации эпетилия улучшить развитие крыла в эмбрионе. То есть и без методики оно развивалось, но было недоразвитым. С внедрением "лекарства", они тоже развилось, тоже осталось недоразвитым(!!!), но результат получился немного лучше. По сути все достижение - это дополнительные знания про регуляцию каскада участвующего в процессе регенерации. То есть и раньше было известно, что Wnt и BMP принимают участие в этом, после опубликования этой работы их влияние стало более понятно. Это все, что есть в статье.

                  По поводу того, если имеется разработка позволяющая с большой вероятностью лечить рак, отращивать ноги и так далее. Первый шаг - нахождение частного финансирования. Есть такие - венчурные капиталисты. Они готовы вкладывать деньги даже в очень рискованные предприятия - но откуда-то мы знаем, что наша методика работает? А дальше чистый капитализм, коммерциализации в самый быстрый срок, если выгодно/возможно в Японии, России, Китае, ЕС, то начнут оттуда. Наладат производство и начнут зарабатывать деньги.
                  Ответить
                  • dims > Vitall | 29.11.2006 | 03:06 Ответить
                    Да, действительно, я почему-то излишне оптимистически оценил статью. Меня, вероятно, смутила фраза из краткого содержания, где говорится про регенерацию крыла у цеплёнка. При более внимательном прочтении я увидел, что окончательного решения вопроса нет даже у животных, а мне показалось, что есть.
                    Ответить
            • PavelS > dims | 30.11.2006 | 02:05 Ответить
              Получилось на зародыше цыплёнка, а не курицах.
              Ответить
  • dims  | 28.11.2006 | 00:58 Ответить
    И ещё: получается всё так просто? Не надо "думать", не надо определять, чего именно не хватает, надо просто нажать "генную кнопку" и организм сам всё что надо сделает?
    Ответить
    • Vitall > dims | 28.11.2006 | 09:31 Ответить
      Ох, хотелось бы, чтобы так просто. Сейчас статью пересмотрю еще раз - но по моему максимум они добились улучшения регенерации там, где она сама включалась - ту же курицу брали совсем не взрослую, а зародыш. И даже если поймут как включать - не факт, что этот процесс сможет без сбоев срабатывать на взрослых организмах. Будем надеяться. Само само по себе исследование интересное, но на прорыв никоим образом не тянет, IMHO.
      Ответить
  • dims  | 28.11.2006 | 01:02 Ответить
    Придумал опыт.

    Добиваемся/дожидаемя образования на каком-либо органе или конечности злокачественной опухоли (на ранних стадиях). Ампутируем конечность. Включаем регенерацию и регенерируем конечность или орган.

    Если опухоль тоже возникнет снова (в каком-то числе случаев), то значит достаточная причина рака находится не в опухоли, а в организме. То есть, цепочка генных превращений озлокачествления необходима, но не достаточна.
    Ответить
    • PavelS > dims | 30.11.2006 | 02:12 Ответить
      Во-первых, рак тут не в тему, во-вторых, нет технологий отращивать конечности у людей, в 3-их, у не-людей рак бывает или реже, или чаще, или по-другому, в 4-ых есть много статей, показывающих что рак стимулирован в т.ч. канцерогенными микроорганизмами, т.е. инфекционая болезнь может быть причиной рака так же, как и обдучение.
      Ответить
      • dims > PavelS | 30.11.2006 | 14:23 Ответить
        Ну и что, просто мысли на тему.

        Просто я предполагаю, что рак вызывается гипертолерантностью, то есть, антигенспецифичным нарушением иммунитета в сторону избыточной толератности.

        Когда в каком-то месте происходит длительное время воспалительный процесс или развитие каких-то микроорганизмов, то в этом месте постоянно "работает" иммунитет. В какой-то момент он даёт сбой и становится толерантным к определённым изменениям в клетках. Далее, когда происходят соответствующие мутации, возникает рак. То есть, мутация -- есть необходимое, но недостаточное условие.

        Если эта версия верна, то в лимфатических тканях организма возникает избыток тормозящих клеток, специфичных к опухоли, которые подавляют иммунный ответ. Эти тормозящие клетки, являясь причиной рака, находятся не в опухоли, а в организме.
        Ответить
        • Vitall > dims | 07.12.2006 | 20:25 Ответить
          Вы знаете, очень широко известен факт, что люди, дожившие до 100 лет, имеют шанс умереть от чего угодно, но не от рака(немно утрировано конечно). Основное обьяснение - генетически предопределенный иммунитет.
          Второй факт за вашу теорию - вывели мутацию мышей, имеющих врожденный иммунитет к раку. То есть пересаженные опухоли некоторое время развиваются, после чего следует ответ иммуной системы и опухоль полностью исчезает за считаные дни. В ходе дальнейшего изучения определили, что мутация связана с лейкоцитами... Если хотите найду ссылки на это исследование.
          Ответить
Написать комментарий

Другие новости


Элементы

© 2005-2017 «Элементы»