Разгадан механизм регенерации конечностей

Аксолотль — земноводное, сохраняющее способность к восстановлению утраченных конечностей в течение всей жизни. Это сделало его излюбленным объектом биологов, изучающих механизмы регенерации (фото © А. Кропотова с сайта www.vitawater.ru)

Процесс регенерации утраченных конечностей во многом сходен с процессом их формирования во время эмбрионального развития. Как выяснилось, это сходство не только внешнее. Оба процесса регулируются одними и теми же генно-регуляторными каскадами — Wnt/beta-catenin и BMP. Включая и выключая отдельные гены — участники этих каскадов, можно не только отключить регенерацию у животных, способных к ней, но и включить ее у тех животных, которые эту способность потеряли. В частности, ученым удалось таким путем включить процесс регенерации утраченного крыла у цыпленка.

Биологи из Испании и США провели серию генно-инженерных экспериментов, в результате которых им удалось показать, что регенерация конечностей у позвоночных регулируется теми же ключевыми регуляторными белками, которые управляют развитием конечностей у эмбриона. Белки, о которых идет речь, образуют два сигнально-регуляторных каскада, или пути (pathways), которые называются Wnt/beta-catenin (о роли белка Wnt в развитии червя Caenorhabditis elegans см. Развитие червей начинается с хвоста, «Элементы», 23.11.2006) и BMP (по названию ключевого участника каскада — белка BMP, bone morphogenetic protein).

Для первого эксперимента ученые сконструировали специальный вирус, в геном которого был встроен ген белка Axin1. Этот белок блокирует работу Wnt-каскада. Введение вируса аксолотлю снизило способность к регенерации. У аксолотля в норме отрезанные конечности восстанавливаются полностью, однако у зараженных искусственным вирусом аксолотлей вместо лапы вырастала лишь заостренная культя без пальцев.

Нормально регенирировавшая после ампутации конечность аксолотля (А) и недоразвитая конечность у особи, которой был введен Axin1 — ингибитор Wnt-каскада. Фото из статьи в Genes & Development

Этот эксперимент показал, что нормальная работа Wnt-каскада — необходимое условие регенерации, но является ли она также и достаточным условием? Чтобы проверить это, ученые поставили эксперимент на шпорцевой лягушке, у которой, в отличие от аксолотля, способность к регенерации есть только у головастиков и с возрастом исчезает. Был сконструирован еще один вирус, производящий белок бета-катенин — один из ключевых участников Wnt-каскада. Введение этого вируса улучшало способность шпорцевых лягушек к регенерации конечностей на тех стадиях развития, когда эта способность уже ослаблена. Однако у взрослых лягушек, полностью потерявших способность к регенерации, этого не наблюдалось. Следовательно, для регенерации необходимо что-то еще, кроме Wnt-каскада.

Третьим подопытным объектом стала рыбка данио-рерио (zebrafish). В норме эта рыбка способна заново отращивать утраченные плавники. Ранее было показано, что различные ингибиторы Wnt-каскада снижают эту способность (так же, как и у аксолотля и шпорцевой лягушки). Чтобы проверить, способно ли активирование Wnt-каскада усилить способность к регенерации у данио-рерио, исследователи использовали рыбок, потерявших эту способность в результате мутации. Введение таким рыбкам бета-катенинового вируса привело к частичному «исправлению» данного дефекта. На данио-рерио исследователям удалось также показать, что для успешной регенерации, помимо Wnt-каскада, должен нормально работать также и сигнально-регуляторный каскад BMP.

Самое интересное, что оба каскада (Wnt и BMP) руководят и развитием конечностей в ходе нормального эмбрионального развития. На клеточно-тканевом уровне оба процесса — регенерация и развитие конечности в эмбриогенезе — тоже очень сходны. Авторы не исключают, что у регенерации может быть и какая-то своя специфика (то есть могут быть какие-то особые регуляторы, необходимые для регенерации, но не участвующие в эмбриогенезе). Но в целом полученные на сегодняшний день данные указывают на то, что восстановление утраченных конечностей, по сути дела, осуществляется на основе той же самой программы развития, которая руководит формированием конечностей у эмбриона. И эту программу, по-видимому, можно искусственно «включить» даже у тех животных, которые в норме вообще не способны восстанавливать утраченные конечности. Ведь программа эмбрионального развития есть у всех!

А — нормальное крыло куриного эмбриона. B — недоразвитое крыло, образовавшееся после ампутации верхушечного эпителия (AER — apical ectodermal ridge) зачатка крыла. D — крыло после такой же ампутации у цыпленка, у которого был искусственно активирован ген бета-катенина, развилось гораздо лучше. Фото из статьи в Genes & Development

Ученым удалось подтвердить это предположение в опытах на курином эмбрионе (см. рисунок). Удаление особого многослойного эпителия, расположенного на верхушке зачатка крыла, приводит к недоразвитию крыла (B). Однако если активировать у цыпленка ген бета-катенина, крыло после такой ампутации развивается гораздо лучше (D).

Ученые делают из всего этого осторожный вывод, что сигнально-регуляторные каскады, управляющие развитием зародыша, вероятно, стали тем «сырым материалом», на основе которого у некоторых животных развилась способность к регенерации. Не исключено, что дальнейшее изучение этих регуляторных систем позволит в будущем «включать» регенерацию у взрослых животных, полностью лишенных способности к восстановлению утраченных частей тела, в том числе и у человека.

Источник: Yasuhiko Kawakami, Concepción Rodriguez Esteban, Marina Raya, Hiroko Kawakami, Mercè Martí, Ilir Dubova, Juan Carlos Izpisúa Belmonte. Wnt/beta-catenin signaling regulates vertebrate limb regeneration // Genes & Development. 2006 (Article published online ahead of print).

Александр Марков