Ambystoma meksykańska słynie z ze swoich zdolności do regeneracji kończyn, serca czy rdzenia kręgowego. W 1964 roku naukowcy zaobserwowali, że dorosłe osobniki potrafią odbudować fragment mózgu, nawet jeśli duża jego część została całkowicie usunięta. Teraz naukowcy zidentyfikowali różne typy komórek zaangażowanych w regeneracje mózgu tego małego płaza.
Badaczy od lat zastanawia, w jaki sposób niektóre zwierzęta mogą regenerować części swojego ciała. Ciekawość ta zmierza do prostego pytania: Czy człowiek mógłby być zdolny do tego samego? Czy podobne procesy można uruchomić także u ludzi? Gdyby uczonym udało się poznać mechanizmy, które dają tym zwierzętom ich zdumiewające zdolności, mogłoby to odmienić oblicze medycyny.
Ambystoma meksykańska (Ambystoma mexicanum) zwana także aksolotlem meksykańskim lub salamandrą meksykańską, jest obdarzona niezwykłą cechą. Posiada zdolność do regeneracji niemal każdej części ciała. Utrata kończyny, oka, części serca, a nawet kawałka mózgu nie stanowi problemu. Narządy i kończyny odrastają. Płaz ten występuje naturalnie wyłącznie w jednym z jezior znajdujących się w pobliżu miasta Meksyk. Ze względu na swoje zdolności jest cennym zwierzęciem laboratoryjnym, ale jest też hodowany przez akwarystów na całym świecie.
W nowych badaniach, które ukazały się na łamach pisma „Science” (DOI: 10.1126/science.abp9444), naukowcy z Politechniki Federalnej w Zurychu oraz z Instytutu Patologii Molekularnej w Wiedniu chcieli sprawdzić, czy ambystoma meksykańska jest w stanie zregenerować wszystkie typy komórek obecne w mózgu, w tym połączenia łączące jeden region mózgu z drugim. W ramach badań uczeni stworzyli atlas komórek, które tworzą część mózgu aksolotla, rzucając światło zarówno na sposób jego regeneracji, jak i ewolucję mózgu u różnych gatunków.
Różne typy komórek mają różne funkcje. Są w stanie specjalizować się w określonych rolach, ponieważ każdy z typów wyraża inne geny. Zrozumienie, jakie typy komórek znajdują się w mózgu i co one właściwie robią, pomaga wyjaśnić ogólny obraz funkcjonowania mózgu. Pozwala także naukowcom dokonywać porównań w obrębie ewolucji i próbować znaleźć trendy biologiczne wśród różnych gatunków.
Jednym ze sposobów zrozumienia, które komórki wyrażają które geny, jest zastosowanie techniki zwanej sekwencjonowaniem jednokomórkowego RNA (scRNA-seq). To narzędzie pozwala naukowcom policzyć liczbę aktywnych genów w każdej komórce określonej próbki. Zapewnia to wiedzę dotyczącą czynności wykonywanych przez każdą komórkę. To narzędzie odegrało zasadniczą rolę w zrozumieniu typów komórek istniejących w mózgach zwierząt. Naukowcy wykorzystali scRNA-seq u ryb, gadów, myszy, a nawet ludzi. Brakowało jednak jednego głównego elementu układanki ewolucji mózgu: płazów.
Jak przyznała Ashley Maynard z Politechniki Federalnej w Zurychu, jej zespół postanowił skoncentrować się na kresomózgowiu aksolotla. U ludzi kresomózgowie jest największą częścią mózgu i zawiera obszar zwany korą nową, który odgrywa kluczową rolę w zdolnościach poznawczych oraz zachowaniu. W trakcie ewolucji kora nowa znacznie się rozrosła w porównaniu z innymi obszarami mózgu. Podobnie, typy komórek, które składają się na kresomózgowie, z czasem bardzo się zróżnicowały, czyniąc ten region intrygującym obszarem do badań.
Badacze wykorzystali metodę sekwencjonowania jednokomórkowego RNA do zidentyfikowania różnych typów komórek tworzących kresomózgowie aksolotlów, w tym różnych typów neuronów i komórek, które mogą dzielić się na więcej lub przekształcać się w inne typy komórek. - Zidentyfikowaliśmy, które geny są aktywne, gdy komórki progenitorowe stają się neuronami i odkryliśmy, że wiele z nich przechodzi przez pośredni typ komórek zwany neuroblastami, zanim staną się dojrzałymi neuronami – przyznała Maynard.
Zespół naukowców przetestował zdolności regeneracyjne tych niezwykłych płazów, usuwając kawałek ich kresomózgowia. Stosując metodę scRNA-seq, badacze byli w stanie uchwycić i zsekwencjonować wszystkie nowe komórki na różnych etapach regeneracji, od jednego do 12 tygodnia po urazie. Ostatecznie stwierdzili, że wszystkie usunięte typy komórek zostały całkowicie przywrócone.
„Zaobserwowaliśmy, że regeneracja mózgu przebiega w trzech głównych fazach. Pierwsza faza rozpoczynała się szybkim wzrostem liczby komórek progenitorowych, a niewielka ich część aktywowała proces gojenia ran. W fazie drugiej komórki progenitorowe zaczynały różnicować się w neuroblasty. Wreszcie, w fazie trzeciej, neuroblasty różnicowały się w te same typy neuronów, które pierwotnie zostały utracone – podkreślił Maynard.
Co zaskakujące, badacze zaobserwowali również, że zerwane połączenia neuronalne między usuniętym obszarem a innymi obszarami mózgu zostały ponownie przywrócone. To wskazuje, że zregenerowany obszar odzyskał swoją pierwotną funkcję.
Dodanie płazów do ewolucyjnej układanki pozwala naukowcom wywnioskować, w jaki sposób mózg i różne jego typy komórek zmieniały się w czasie, a także jakie mechanizmy stoją za regeneracją.
- Kiedy porównaliśmy nasze dane dotyczące aksolotla z danymi od innych gatunków, odkryliśmy, że komórki w ich kresomózgowiu wykazują silne podobieństwo do hipokampu ssaków, obszaru mózgu odpowiedzialnego za tworzenie pamięci, oraz do kory węchowej, obszaru mózgu odpowiedzialnego za odczuwanie zapachu. Znaleźliśmy nawet pewne podobieństwa w jednym typie komórek aksolotla do kory nowej, obszaru mózgu znanego z percepcji, myślenia i rozumowania przestrzennego u ludzi. Te podobieństwa wskazują, że te obszary mózgu mogą być ewolucyjnie chronione w toku ewolucji – zaznaczyła Maynard.
- Podczas gdy nasze badanie rzuca światło na proces regeneracji mózgu, w tym jakie geny są w ten proces zaangażowane i jak komórki ostatecznie stają się neuronami, nadal nie wiemy, jakie sygnały zewnętrzne inicjują ten proces. Co więcej, nie wiemy, czy zidentyfikowane przez nas procesy są nadal dostępne dla zwierząt, które ewoluowały w późniejszym czasie, takich jak myszy czy ludzie - dodała.
Identyfikacja wszystkich typów komórek w mózgu aksolotla może pomóc utorować drogę do innowacyjnych badań w medycynie regeneracyjnej. Mózgi myszy i ludzi w dużej mierze straciły zdolność do regeneracji. Interwencje medyczne w przypadku poważnego uszkodzenia mózgu koncentrują się obecnie na lekach i terapiach komórkami macierzystymi w celu wzmocnienia lub promowania naprawy. Zbadanie genów i typów komórek, które pozwalają aksolotlom na osiągnięcie niemal doskonałej regeneracji, może być kluczem do poprawy leczenia ciężkich urazów i odblokowania potencjału regeneracyjnego u ludzi.
Źródło: The Conversation, fot. Amandasofiarana/Wikimedia Commons, CC BY-SA
