Ученые открыли механизмы, позволяющие позвоночным животным отращивать конечности

Фото из открытых источников

Лишь немногие животные в мире обладают способностью к регенерации тканей, позволяющей им восстанавливать части конечностей или целые конечности после ампутации. В исследовании, опубликованном в журнале PNAS, группа ученых из Inserm, Университета Монпелье и Университетской больницы Монпелье показала, что выращенные в лаборатории эмбрионы мышей могут инициировать регенерацию зачатков передних конечностей, таких как передние лапы, только в течение чрезвычайно короткого периода: от 10,5 до 12,5 дней после оплодотворения, когда зачатки конечностей только начинают формироваться. За пределами этого периода эта способность полностью исчезает. 

Ученые продемонстрировали, что это явление зависит от специфической популяции клеток нервного гребня, которые, как известно, играют ключевую роль в развитии многих тканей. Их результаты предполагают, что эти клетки лежат в основе механизмов регенерации у всех позвоночных. Команде также удалось индуцировать регенерацию после ампутации, пересадив эти клетки в эмбрион, который их не имел и утратил способность к регенерации. Это исследование, проведенное в рамках программы исследований «Биотерапия и биопроизводство инновационных методов лечения», знаменует собой новый шаг к регенеративной медицине, способной восстанавливать биологические ткани и их функции.

В отличие от ящериц и саламандр, у которых хвосты могут отрастать, регенерация тканей у млекопитающих очень ограничена. Однако есть несколько хорошо известных исключений: олени ежегодно обновляют свои рога, а кролики способны восстанавливать удаленные ткани в ушах.

Еще одно примечательное исключение касается эмбрионов мышей. Предыдущее исследование показало, что у мышей регенерация зачатков передних конечностей (передних лап) возможна на десятый день после оплодотворения. Однако ранее было неизвестно, как долго сохраняется эта способность и какие биологические и клеточные механизмы делают это возможным.

«Наше открытие показывает, что эмбрионы мышей могут начать регенерацию зачатков передних конечностей только в течение чрезвычайно узкого периода развития: от 10,5 до 12,5 дней после оплодотворения, когда зачатки только начинают формироваться», — объясняет соавтор исследования Фарида Джуад. «Вне этого периода эта способность полностью исчезает».

В частности, ученые ампутировали зачаток передних конечностей у выращенных в лаборатории эмбрионов мышей через 10,5 дней после оплодотворения и наблюдали, что зачаток начал регенерировать в течение следующих 24 часов. Однако, когда тот же эксперимент был проведен через 12,5 дней после оплодотворения, регенерации не наблюдалось.

Исследование показывает, что эта способность зависит от специфической популяции клеток, называемых клетками нервного гребня, которые, как известно, играют ключевую роль в развитии нервной системы, лицевого скелета и многих тканей.

В первые три часа после ампутации эти клетки мигрируют в поврежденную область и помогают сформировать бластему — скопление незрелых клеток, которое инициирует регенерацию. «Когда эти клетки отсутствуют, регенерация не происходит. Но если мы пересадим их снова, эта способность, похоже, восстанавливается», — подчеркивает Фарида Джуад.

Используя ДНК-чипы для одновременного анализа активности тысяч генов, ученые показали, что гены bmp4 и fgf8, специфические маркеры, активируемые во время формирования конечности на эмбриональной стадии, утрачиваются после ампутации, но реактивируются во время регенерации, подчеркивая их важную роль в восстановлении ампутированных структур.

Другие гены, WNT1 и FOXD3, характерные для клеток нервного гребня и обычно активные на еще более ранней стадии развития эмбриона (между 8 и 10 днями после оплодотворения, когда начинают формироваться зачатки конечностей), также были реактивированы. «Эта временная реактивация, по-видимому, возвращает клетки в более молодое, более гибкое состояние, способное к мобилизации и участию в реконструкции тканей», — продолжает автор.

Предыдущие исследования уже продемонстрировали роль клеток нервного гребня в регенерации хвостов и конечностей у тритонов, а также в регенерации кончиков пальцев у эмбрионов мышей.

«Наши результаты показывают, что клетки, происходящие из нервного гребня, лежат в основе механизмов регенерации у всех позвоночных, от амфибий до млекопитающих», — объясняет соавтор исследования Джоли Де Ла Крус.

Эти результаты дают начало объяснению утраты способности к регенерации у взрослых мышей: клетки, происходящие из нервного гребня, присутствуют, но они больше не могут реактивировать гены, необходимые для регенерации тканей, которые экспрессируются в эмбриональном состоянии.

Теперь исследовательская группа хочет выяснить, существуют ли эти механизмы и у людей.

«В конечном итоге мы надеемся, что наша работа внесет вклад в лучшее понимание регенерации тканей, в том числе у человека, и того, как в будущем может стать возможным активировать эти механизмы в терапевтических целях», — заключает Фарида Джуад.