środa, 24 września 2014

Co łączy salamandrę i Oskara Pistoriusa?

Salamandra może okazać się największym przyjacielem człowieka. Nie dlatego, że salamandry są miłe i towarzyskie, ale dlatego, że posiadają jedną, bardzo ciekawą umiejętność. Chodzi o ich zdolność do regeneracji utraconych części ciała. To rzeczywiście niesamowite - salamandrom odrastają kończyny, zupełnie takie same jak te utracone. Potrafią jednak znacznie więcej. Genetycy już rozszyfrowali mechanizm regeneracji tkanek u salamander. Być może kwestią czasu jest wyzwolenie tego mechanizmu u pozostałych kręgowców, w tym u człowieka. Ostatnio też dowiedzieliśmy się, że ten mechanizm regeneracji jest bardzo stary i istniał już 300 mln lat temu, u karbońskich temnospondyli. 

O tym, że jaszczurka zwinka (Lacerta agilis) potrafi odrzucić ogon, który jej potem odrasta, wielu z Was pewnie już wie. Zjawisko to nosi nazwę autotomii i występuje głównie u bezkręgowców, które w razie zagrożenia pozbywają się różnych części ciała, które później się regenerują. Jednak salamandry są pod tym względem wyjątkowe.

Salamandry to płazy, są więc bliżej spokrewnione z człowiekiem niż bezkręgowce, stanowią jednocześnie jedyną grupę kręgowców, którym odrastają amputowane kończyny. U owodniowców (Amniota) taka cecha nie występuje. Zatem salamandry to nasi najbliżsi krewni, którzy mają taką zdolność regeneracji.

Jak pisałem wcześniej, to nie wszystko co potrafią salamandry. Ich zdolność do regeneracji tkanek wydaje się wprost nieograniczona. Oprócz kończyn salamandry potrafią odtworzyć niemal każdą tkankę swojego ciała. Dotyczy to także tkanek mięśnia sercowego, oka, rdzenia kręgowego czy nawet części mózgu. Wydaje się również, że ta umiejętność trwa u nich przez całe życie. Nawet 20-letnie salamandry radzą sobie z amputowaną kończyną, która odrasta im niczym zupełnie nowa.
Schemat regeneracji kończyny u salamandry sprzed odkrycia ścieżki aktywacji kinaz ERK (Kumar et al., 2007)
Genetycy wzięli zatem na warsztat salamandry i dokładnie przyjrzeli się jakiż to mechanizm wyzwala u nich regenerację tkanek. Okazuje się, że sprawcą są struktury białkowe, tzw. kinazy aktywowane mitogenami. A dokładnie grupa kinaz nazywana w skrócie ERK (ang. extracellular signal-regulated kinases). Generalnie, kinazy mają wpływ na ekspresję genów, podziały i różnicowanie komórek. Zaś zdolność do długotrwałej i stałej aktywacji ERK u salamander powoduje, że komórki są przeprogramowywane i ulegają podziałowi tak, jak te występujące w brakujących (amputowanych) tkankach. Cały proces rozpoczyna się od komórek, które znajdują się blisko miejsca amputacji. Komórki te wykonują swoisty "reset" i zachowują się tak jak komórki macierzyste, które rozpoczynają podział według planu brakujących tkanek (Yun et al., 2014). W ten sposób salamandry potrafią wyhodować sobie dowolny, brakujący organ.
Różnica w aktywacji ERK u salamander i ssaków (Yun et al., 2014)
Teraz więc można przejść do najsłynniejszego ostatnio człowieka z amputowanymi nogami - Oskara Pistoriusa. Gdyby udało się u człowieka pobudzić ERK, podobnie jak u salamander, Oskar nie rozpoczynałby kariery jako paraolimpijczyk. Miałby swoje nowe nogi. Na razie jednak musimy zadowolić się wyjaśnieniami dlaczego ludzie nie mogą tak jak salamandry.

Proces odrastania utraconej kończyny wymaga stałej aktywacji ERK, aż do ukończenia całkowitej regeneracji. U ludzi, inaczej niż u salamander, proces ten jest częściowy i krótkotrwały. Jak na razie udało się go podtrzymać tylko przez kilka godzin. Dla porównania salamandry potrafią aktywować ERK przez kilka dni. Czy wobec tego, można będzie zmusić ludzkie komórki do salamandrowego resetu?
Micromelerpeton credneri - późnokarbońska skamieniałość temnospondyla, w której odkryto zregenrowane kończyny (Fröbisch et al., 2014)
Wiele wskazuje na to, że tak. Między innymi dlatego, że proces regeneracji utraconych kończyn jest bardzo stary i prawdopodobnie nasz dewoński, wspólny z płazami przodek już go posiadał. Dowodów dostarczyło znalezisko późnokarbońskiego temnospondyla (tzw. płaza tarczogłowowego) z rodzaju Micromelerpeton. W dobrze zachowanych skamieniałościach, liczących sobie 300 mln lat, udało się zidentyfikować odrośnięte fragmenty kończyn.
Pozycja filogenetyczna salamander pokazująca wspólną dla tzw. płazów i ryb kostnych zdolność do regeneracji. Obcięte rączki oznaczają brak takiej zdolności u owodniowców (Amniota), ryb chrzęstnych i plakoderm (Fröbisch et al., 2014).
Identyfikacja polegała na tym, że zauważono nietypowe ułożenie palców w kończynach, które spowodowane zostało błędami wzrostu tkanek podczas regeneracji. To zdarza się u salamander dość często, szczególnie kiedy kończyna była amputowana kilkakrotnie lub uszkodzenie wyjątkowo źle się goi, np. rozległe zmiażdżenie. Wtedy właśnie dochodzi do anormalnego odtworzenia kończyny w którym jest więcej lub mniej palców lub też są zrośnięte. Takie właśnie cechy znaleziono w materiale kopalnym (Fröbisch et al., 2014).

Jak się wydaje umiejętność regeneracji była wspólna dla wszystkich nieowodniowych tetrapodów (zwyczajowo nazywanych płazami), a być może także dla ryb kostnych (Fröbisch et al., 2014).

Źródła:

Zdjęcie w nagłówku → Photo Credit: cotinis via Compfight cc

Fröbisch, N. B. et al., 2014. Early evolution of limb regeneration in tetrapods: evidence from a 300-million-year-old amphibian. Proceedings of the Royal Society B, 281 (1794): 20141550.

Yun, M. H. et al., 2014. Sustained ERK Activation Underlies Reprogramming in Regeneration-Competent Salamander Cells and Distinguishes Them from Their Mammalian Counterparts. Stem Cell Reports, 3 (1): 15-23. 


http://www.foxnews.com/health/2014/06/19/salamanders-may-hold-key-to-regrowing-human-limbs-study-finds/

5 komentarze:

ooo, ktoś przeczytał książeczke z lat 80 -Uczyć sie choćby od salamandry.
Szacun.

Rewelacja!
ale bardziej niż pytanie jak aktywować ERK u człowieka? Nurtuje mnie pytanie... skoro ten mechanizm wydaje się taki dobry, to czemu ewolucja go utrąciła?
Albo więc wcale nie jest taki dobry, albo niesie ze sobą coś o czym nie wiemy, a lepiej żebyśmy się nie dowiadywali...

Dumałem kiedyś nad zagadnieniem czy organizmy o dużych zdolnościach do regeneracji - załóżmy porównywalnymi do salamander - są w sytuacji uprzywilejowanej czy wręcz odwrotnie? Osobniczo bezdyskusyjnie są uprzywilejowane - unika się konsekwencji przypadkowych (bądź wynikłych z niechlujstwa życiowego) urazów. Jednak dla całego gatunku to ślepa uliczka, każdy kto nie stał się żerem, lub nie padł ze starości bierze udział w prokreacji. - ale to powiedzmy sobie szczerze bardzo proste rozumowanie... zbyt proste by dokądkolwiek prowadziło, haczyk musi się kryć gdzie indziej.

Gdyby ewolucja umiała przewidywać i wybierać, to pewnie zastanawiałaby się czy nie pozostawić ten mechanizm, ale ewolucja jest wypadkową wielu przypadków.
Owodniowce są zapewne potomkami jakiegoś gatunku, w którym przypadkowa mutacja pozbawiła możliwości regeneracji. Jak widać, zdolność ta nie zahamowała rozwoju całego kladu owodniowców.

"Owodniowce są zapewne potomkami jakiegoś gatunku, w którym przypadkowa mutacja pozbawiła możliwości regeneracji.:" - ale przypadkowa mutacja nie mogła zadziałać w całej populacji, czyli musiał być mechanizm selekcyjny, który preferował właśnie to "nieodrastające" sztuki... i to jest właśnie ciekawe - co mogło być takim selekcjonerem?
Ja widzę tylko jedno rozwiązanie - wiek gotowości prokreacyjnej i liczebność potomstwa - jeśli grupa zwierząt z aktywowanym ERK osiągała gotowość prokreacyjną w późniejszym wieku i miała mniej liczne potomstwo (zakładam że aktywowanie ERK nie jest bezpłatne dla organizmu) to zwyciężyła ilość a nie jakość, ale to oczywiście wyłacznie snucie dywagacji.

Ciekawy wpis :) Widziałem ostatnio artykuł z "Proc. R. Soc. B", ale nie miałem czasu dokładnie go przeczytać...

U owodniowców kończyny rozwijają się na znacznie wcześniejszym etapie rozwoju niż u płazów (u płazów są też strukturami bardziej "niezależnymi" w rozwoju) (Galis i in. 2003). Można się w tym doszukać pewnej wartości adaptacyjnej, więc "coś za coś" ;)

Swoją drogą pewne zdolności regeneracyjne są obecne u owodniowców - ostatni paliczek może się zregenerować u nowo narodzonych myszy i ludzi. To dość zastanawiające, że zdolności regeneracyjne spadają z wiekiem - nie tylko u owodniowców, ale też np. płazów bezogonowych, u których zanikają w stadium larwalnym, choć badania laboratoryjne wskazują, że potencjał regeneracyjny wciąż istnieje nawet u dorosłych żab, choć normalnie nie jest wykorzystywany (Galis i in. 2003).

Prześlij komentarz

Szanowni Czytelnicy!
Zachęcam Was gorąco do komentowania wpisów na blogu i jednocześnie zachęcam równie gorąco do korzystania z tagów HTML, szczególnie przy wklejaniu linków do stron internetowych.

Oto kilka przykładów tagów HTML obsługiwanych przez bloggera:
link - a href=
wytłuszczenie - b
kursywa - i