Учёные обнаружили уникальную систему восстановления тканей у медуз

Медузы обладают удивительной способностью восстанавливать повреждённые ткани без швов, корок и образования рубцов. На протяжении многих лет учёные пытались понять, каким образом эти морские животные способны практически мгновенно закрывать раны, однако теперь новое исследование раскрыло клеточный механизм этого необычного процесса.

Работа, опубликованная в журнале Molecular Biology of the Cell, показала, что за бесшрамное заживление у медуз отвечают две клеточные структуры, которые действуют строго в определённой последовательности. Они позволяют ткани быстро восстанавливаться и возвращаться к нормальному состоянию без следов повреждения.

Около десяти лет назад биолог Джоселин Маламы начала изучать прозрачных медуз вида Clytia hemisphaerica размером примерно с монету. Во время экспериментов она обнаружила, что отдельные клетки самостоятельно перемещаются навстречу друг другу и постепенно закрывают разрыв в ткани.

Теперь вместе с коллегами Максвеллом Сассаманом и Манджулой П. Мони исследователь смогла подробно описать последовательность этих клеточных событий и определить, почему такой механизм восстановления оказался настолько эффективным.

Медуза которая постоянно создаёт новые поколения

Свободно плавающая медуза, которую большинство людей представляет при упоминании этих животных, является лишь одной стадией жизненного цикла Clytia hemisphaerica. Большую часть жизни этот организм проводит в виде колонии полипов, прикреплённых к камням, причалам или подводной растительности.

Периодически колония производит новых медуз, подобно тому как кустарник выпускает цветы. При этом отдельные медузы живут всего несколько месяцев, тогда как колонии полипов могут существовать значительно дольше.

Медузы Clytia известны своей способностью быстро восстанавливать повреждения. Небольшие раны у них закрываются всего за несколько минут, а даже более серьёзные повреждения полностью заживают менее чем за час.

При этом процесс проходит без образования рубцовой ткани. По словам Джоселин Маламы, такой тип восстановления напоминает бесшрамное заживление, которое наблюдается у эмбрионов на ранних стадиях развития.

Исследователи считают Clytia hemisphaerica удобной моделью для изучения регенерации тканей. Эти медузы прозрачны, быстро восстанавливаются и не имеют сложной иммунной реакции с воспалением, которая у млекопитающих часто мешает наблюдать сам процесс ремонта тканей.

Благодаря этому учёные могут непосредственно видеть, как эпителиальные клетки перемещаются и закрывают повреждения в реальном времени. При этом механизмы, обнаруженные у медуз, вероятно, имеют большое значение и для других животных, включая человека.

«Многие процессы, которые мы наблюдаем при заживлении ран у Clytia, очень похожи на те, что происходят в других организмах, включая млекопитающих. Когда вы смотрите на эти эпителиальные клетки, невозможно понять, что это клетки медузы», — объяснила Маламы.

Две структуры управляющие восстановлением тканей

Эпителиальные клетки образуют внешние и внутренние поверхности организма. Они формируют кожу, слизистые оболочки кишечника и другие защитные структуры, поэтому их способность быстро восстанавливаться после повреждений имеет огромное значение для выживания.

Ранее Маламы описала отдельные особенности восстановления тканей Clytia в исследованиях 2017 и 2018 годов. Однако оставался главный вопрос: каким образом именно закрывается повреждение?

Учёные спорили между двумя возможными механизмами. Согласно одной гипотезе, клетки должны просто перемещаться через область повреждения и постепенно закрывать её. Согласно другой, специальный белковый «кабель» внутри клеток должен сокращаться, словно мышечное кольцо, стягивая края раны.

Новое исследование показало, что работают оба механизма, но они включаются последовательно. Главную роль в переключении между ними играет базальная мембрана — тонкий слой белков, расположенный под эпителиальными клетками.

Первой реакцией организма становится образование ламеллиподий — специальных богатых актином клеточных выростов. Они позволяют клеткам перемещаться по поверхности базальной мембраны и постепенно закрывать повреждённый участок.

Исследователи обнаружили, что ламеллиподии появляются даже при очень маленьких повреждениях, которые затрагивают всего одну клетку. Ранее такое поведение клеток не было описано.

После того как ламеллиподии продвигаются вперёд и покрывают область повреждения, начинает работать второй механизм. В клетках формируется актомиозиновый кабель, который сокращается и окончательно закрывает рану.

Если поверхность базальной мембраны повреждена или на ней находятся препятствия и остатки разрушенной ткани, ламеллиподии не могут эффективно двигаться дальше. В этом случае включается альтернативный механизм с помощью сокращающегося актомиозинового кабеля, который не только закрывает отверстие, но и помогает удалить препятствия.

При крупных повреждениях существует ещё один вариант восстановления. Если разрыв слишком большой и клетки не могут перекрыть его только за счёт вытягивания ламеллиподий, весь слой эпителиальных клеток начинает перемещаться как единое целое.

После того как клетки с противоположных краёв повреждения встречаются, запускается тот же механизм закрытия раны, который используется при небольших повреждениях.

«Это действительно элегантный механизм, который позволяет системе быстро адаптироваться и восстанавливать практически любые повреждения, которые могут возникнуть в природе», — отметила Маламы.

Что учёным ещё предстоит выяснить

Если механизмы восстановления эпителиальных тканей действительно сохранились у животных на протяжении эволюции, изучение медуз может помочь открыть фундаментальные процессы заживления, которые у млекопитающих часто скрыты из-за воспаления и образования рубцов.

У человека и других млекопитающих иммунная система активно участвует в восстановлении повреждений, что усложняет изучение непосредственного поведения клеток. Медузы позволяют наблюдать эти процессы в более простом и чистом виде.

Однако исследователям ещё предстоит разобраться с одной из самых важных частей механизма — базальной мембраной. Именно она координирует действия клеток во время восстановления, но при этом остаётся наименее изученным элементом процесса заживления.

Учёные пока не знают, каким образом организм самостоятельно восстанавливает повреждённую базальную мембрану после того, как эпителиальные клетки закрывают рану.

«Прекрасно, что вы можете заживить рану, перемещая клетки через повреждённую область, но в какой-то момент повреждённая базальная мембрана тоже должна быть восстановлена», — подчеркнула Джоселин Маламы.

Именно изучение этого вопроса станет следующим направлением работы исследовательской группы. Учёные надеются, что понимание природных механизмов восстановления у медуз поможет лучше разобраться в процессах регенерации тканей у более сложных организмов и, возможно, откроет новые подходы к лечению повреждений у человека.

Исследование опубликовано в журнале Molecular Biology of the Cell.