Аксолотли, известные своими выразительными улыбками и розовыми жабрами, стали знаменитостями в мире саламандр. Но они не только милые создания: возможно, они хранят секрет регенерации человеческих конечностей.
Удивительная способность аксолотлей
Биологи восхищаются аксолотлями за их замечательную способность к регенерации, которая позволяет им отращивать целые конечности и даже органы. Джеймс Монаган, заведующий кафедрой биологии и профессор в Северо-Восточном университете, начал раскрывать секрет этой суперсилы и возможности её применения в регенеративной медицине человека.
«Это может помочь в заживлении ран без образования рубцов, а также в более амбициозных задачах, например, в отращивании пальца», — говорит Монаган. «Не исключено, что в будущем можно будет вырастить и целую руку».
Ответ на вопрос, который мучил учёных 200 лет
В статье, недавно опубликованной в журнале Nature Communications, Монаган попытался ответить на вопрос, который «беспокоил научное сообщество на протяжении 200 лет»: как аксолотль определяет, какую часть тела ему нужно отрастить? Если он теряет руку, то как он понимает, что нужно отрастить именно руку, а не всю конечность?
Монаган проследил эту способность, называемую позиционной памятью, до молекулы, известной как ретиноевая кислота. Она отвечает за то, чтобы клетки аксолотля знали, какую часть тела отрастить. Важно, что ретиноевая кислота — это не специфическая для аксолотлей молекула: она есть и у людей, хотя мы получаем её в основном из пищи и средств для ухода за кожей, таких как ретинол.
Градиент ретиноевой кислоты
Изучая аксолотлей, Монаган обнаружил, что у них есть градиент ретиноевой кислоты. Например, в руке это означает, что у аксолотлей больше ретиноевой кислоты в плечах и меньше фермента CYP26B1, который расщепляет эту молекулу, а также меньше ретиноевой кислоты в кистях. Ретиноевая кислота действует как сигнал для регенеративных клеток, называемых фибробластами, указывая им, что и как отращивать.
«Клетки могут интерпретировать этот сигнал так: „Я нахожусь в локте и буду отращивать руку“ или „Я нахожусь в плече. У меня высокий уровень ретиноевой кислоты, поэтому я буду способствовать росту всей конечности“», — говорит Монаган.
Эксперименты с ретиноевой кислотой
Поняв, насколько важна ретиноевая кислота для передачи сигналов в организме, Монаган начал тестировать пределы этой системы. Добавив дополнительную ретиноевую кислоту в кисть аксолотля, учёный заставил саламандру отрастить дублированную конечность вместо просто кисти.
Перспективы применения в регенеративной медицине
Понимание сигнала, запускающего регенерацию, — это важный шаг на пути к применению этих знаний на практике в отношении человека, говорит Монаган. У людей есть ретиноевая кислота и фибробласты, но, в отличие от тела аксолотля, где сигналы передаются между всеми биологическими участниками, клетки в человеческом теле не реагируют таким же образом.
«Если мы сможем найти способы заставить наши фибробласты реагировать на эти сигналы регенерации, они сделают всё остальное», — говорит Монаган. «Они уже знают, как сделать конечность, потому что, как и у саламандры, они формировали её во время развития».
Однако предстоит проделать ещё много работы, прежде чем люди смогут начать отращивать конечности. Монаган говорит, что понимание сигналов в регенеративной системе аксолотля — это только часть решения. Следующий шаг — понять механику самих клеток и то, на что нацелена ретиноевая кислота внутри клеток.
Монаган уже определил одну из мишеней — короткий ген гомеобокса, или shox. Когда уровень ретиноевой кислоты повышался, shox активировался, что указывает на его чрезвычайную важность для регенерации. Удалив shox из генома аксолотля с помощью техники генного редактирования CRISPR-Cas9, Монаган обнаружил, что аксолотли отращивают очень короткие конечности с нормальными по размеру кистями.
Примечательно, что именно это происходит, когда у человека есть мутация shox, добавляет Монаган.
«Чтобы регенеративная биология или регенеративная медицина продвинулись вперёд, нам нужно понять, где находится позиционная память и как ею манипулировать и управлять», — говорит Монаган. «Как заставить клетку двигаться туда, куда вы хотите? Изменение её позиционной памяти имеет решающее значение для этого».