Когда дело доходит до регенерации, некоторые животные способны на удивительные трюки — если отрезать ногу саламандре, она отрастет снова. Когда им угрожают, другие гекконы отбрасывают хвосты, чтобы отвлечь противника, а потом отращивают их снова.
Другие животные пошли еще дальше. Планарные черви, медузы и морские анемоны могут регенерировать все свое тело после разрезания пополам.
Под руководством доцента кафедры Органической и Эволюционной Биологии Манси Шривастава, команда исследователей проливает новый свет на то, как эти животные могут проворачивать такие трюки, и обнаружила ряд переключателей ДНК, которые, по-видимому, контролируют гены для регенерации всего тела.
Используя трехполосных леопардовых червей для тестирования процесса, Шривастава и Эндрю Герке, аспирант, работающий в ее лаборатории, обнаружили, что часть некодирующих участков ДНК контролирует активацию «главного гена управления», называемого ранней реакцией роста, или EGR. После активации EGR контролирует ряд других процессов путем включения или выключения других генов.
«Мы обнаружили, что появляется один мастер-ген… и это активирует гены, которые включаются во время регенерации», — сказал Герке. «В основном, то, что происходит,- это то, что некодирующие участки говорят кодирующим участках включать или выключать, поэтому в принципе их можно называть переключателями.»
Чтобы этот процесс работал, сказал Герке, ДНК в клетках червей, которая обычно плотно свернута и уплотнена, должна измениться, делая новые области доступными для активации.
«Многие из этих очень плотно упакованных частей генома фактически физически становятся более открытыми, потому что там есть регуляторные переключатели, которые должны включать или выключать гены», — сказал он. «Итак, один из больших выводов в этой статье заключается в том, что геном очень динамичен и действительно меняется во время регенерации, когда различные части открываются и закрываются.»
Но прежде, чем Герке и Шривастава смогли понять динамическую природу генома червя, они должны были собрать его последовательность — не простая задача сама по себе.
«Важно то, что мы раскрываем геном этого живого существа, что само о себе очень важно, потому что делается это впервые», — сказал Шривастава. — До сих пор полной последовательности генома не существовало.»
И это также примечательно, сказала она, потому что трехполосные леопардовые черви представляют собой новую модельную систему для изучения регенерации.
«Предыдущая работа над другими видами помогла нам узнать много нового о регенерации», — сказала она. «Но есть несколько причин, по которым нам следует продолжить работать с этими новыми червями, одна из которых заключается в том, что они находятся в важном филогенетическом положении, поэтому они связаны с другими животными… и это позволяет нам сделать заявления об эволюционном развитии.»
«Другая причина в том, что они действительно отличные лабораторные крысы, — продолжила она. — Я собрал их в полевых условиях на Бермудах несколько лет назад, когда работала там врачом, и с тех пор, как мы привезли их в лабораторию, они подходят к гораздо большему количеству инструментальных опытов, нежели другие подопытные.»
И хотя все это демонстрирует динамическую природу генома во время регенерации (Герке смог идентифицировать целых 18 000 участков, которые поддаются изменению) важно то, сколько смысла мы смогли извлечь из этих исследований.
Результаты, сказала она, показывают, что EGR действует как выключатель питания для регенерации — как только он включен, запускаются другие процессы, но без него ничего не происходит.
«Мы смогли снизить активность этого гена, и обнаружили, что если у вас нет EGR, ничего не произойдет», — сказал Шривастава. «Животные просто не могут регенерировать. Все эти нижестоящие гены не включаются, поэтому другие переключатели не работают, и «в их доме свет не загорается».»
Не смотря на то, что это исследование открывает новую информацию о том, как этот процесс работает у червей, оно также может помочь объяснить, почему он не работает у людей.
«Оказывается, EGR, главный ген и другие гены, которые способны включаться и выключаться, присутствуют у других живых видов, включая людей», — сказал Герке.
«Причина, по которой мы назвали этот ген в червях EGR, заключается в том, что, когда вы смотрите на его последовательность, он похож на ген, который уже изучался у людей и других животных», — сказал Шривастава. «Если в тарелку положить клетки человека и подвергнуть их стрессу, будь то механически или с помощью токсинов, они сразу же начнут выделять EGR.»
— Но вопрос вот в чем: если люди могут включать EGR, и не только включать, но и делать это именно тогда, когда наши клетки повреждены, почему мы не можем регенерировать?- сказал Шривастава. «Ответ может заключаться в том, что если EGR — это переключатель питания, мы предполагаем, что наша электропроводка совсем другая. То, как EGR передает информацию в человеческих клетках, может отличаться от того, как он это делаем в трехполосных леопардовых червях, и то, что Эндрю Герке собирается сделать в этом исследованием — это придумать способ добраться до этой электропроводки. Итак, мы хотим подробно разобраться в связях, а затем применить эту информацию к другим животным, включая позвоночных, которые могут производить только ограниченную регенерацию.»
Продвигаясь вперед, Шривастава и Герке сказали, что они надеются исследовать, являются ли генетические переключатели, активированные во время регенерации, такими же, как те, которые используются во время развития, и продолжать работать, чтобы лучше понять динамическую природу генома.
«Теперь, когда мы знаем, что такое переключатели для регенерации, мы более пристально должны присмотреться ка переключателям, участвующим в развитии организма, и выяснить одинаковы ли они», — сказал Шривастава. «Вы просто запускаете процесс роста снова или это совсем другой процесс?»
Команда также работает над пониманием точных способов, которыми EGR и другие гены активируют процесс регенерации, как для трехполосных леопардовых червей, так и для других видов.
В конце концов, как сказали Шривастава и Герке, исследование подчеркивает ценность не только понимания генома, но и понимания всего генома — как некодирующих, так и кодирующих участков.
«Только около двух процентов генома отвечают за производства белка», — сказал Герке. «Мы хотели бы знать: что делают остальные 98 процентов генома во время регенерации всего тела? Уже давно известно, что многие изменения ДНК, которые вызывают болезни происходят в некодирующих участках… но эту информацию недооценивают в части изучения такого процесса, как регенерация всего тела.»
— Я думаю, мы только прошлись по поверхности этой проблемы, — продолжил он. «Мы рассмотрели лишь некоторые из этих переключателей, но есть огромный, не исследованный пласт неизвестного, надо понять как геном взаимодействует между собой в более крупном масштабе, а не только как часть его может открываться и закрываться, и все это важно для включения и выключения генов, поэтому я думаю, что есть несколько слоев этой регуляторной природы.»
«Это очень естественный вопрос — смотреть на естественный, природный мир и думать, если ящерица может это делать, почему я не могу», — сказал Шривастава. «Есть много видов животных, которые могут регенерировать, и другие, которые не могут, но оказывается, если вы сравните геномы всех животных, большинство генов, которые у нас есть, также есть и в трехполосных леопардовых червях. Поэтому мы предполагаем, что некоторые из этих ответов, вероятно, не будут зависеть от наличия или отсутствия определенных генов, а от того, как они связаны или связаны вместе, и этот ответ может исходить только из некодирующей участков генома.»
Это исследование финансировалось из Фонда Милтона Гарвардского Университета, Фонда Семьи Смитов, Национального Научного Фонда, Фонда Хелен Хей Уитни, Национальных Институтов Здравоохранения, Программы Биомедицинской Подготовки, Университета Беркли, Кафедры Биологических Наук Мартеллы Фоскетт Браун и Медицинского Института Говарда Хьюза.