Другие животные идут еще дальше. Планарные черви, медузы и актинии могут регенерировать все свое тело после того, как их разрезают пополам.
Под руководством доцента кафедры органической и эволюционной биологии Манси Шривастава группа исследователей проливает новый свет на то, как животные справляются с этой задачей, и обнаружила ряд переключателей ДНК, которые, по-видимому, контролируют гены для регенерации всего тела. Исследование описано в статье в Science от 15 марта.
Используя трехполосных пантер-червей для проверки процесса, Шривастава и Эндрю Герке, научный сотрудник, работающий в ее лаборатории, обнаружили, что участок некодирующей ДНК контролирует активацию «главного контрольного гена», называемого реакцией раннего роста. или EGR.
После активации EGR управляет рядом других процессов, включая или выключая другие гены.
“Мы обнаружили, что этот главный ген включается…и это активирует гены, которые включаются во время регенерации », – сказал Герке. “По сути, происходит то, что некодирующие области сообщают кодирующим областям, чтобы они включались или выключались, поэтому можно думать об этом как о переключателях.”
По словам Герке, для того, чтобы этот процесс работал, ДНК в клетках червей, которая обычно плотно свернута и уплотнена, должна измениться, открывая новые области для активации.
«Многие из этих очень плотно упакованных частей генома фактически физически становятся более открытыми, потому что там есть регуляторные переключатели, которые должны включать или выключать гены», – сказал он. “Таким образом, одним из важных открытий в этой статье является то, что геном очень динамичен и действительно изменяется во время регенерации, поскольку различные части открываются и закрываются.”
Но прежде чем Герке и Шривастава смогли понять динамическую природу генома червя, им пришлось собрать его последовательность – что само по себе было непросто.
«Это большая часть этой статьи – мы публикуем геном этого вида, что важно, потому что он первый из этого типа», – сказал Шривастава. “До сих пор не было доступной полной последовательности генома.”
И это также примечательно, сказала она, потому что трехполосный пантерный червь представляет собой новую модельную систему для изучения регенерации.
«Предыдущая работа с другими видами помогла нам многое узнать о регенерации», – сказала она. “Но есть несколько причин работать с этими новыми червями, одна из которых заключается в том, что они занимают важное филогенетическое положение, поэтому их родство с другими животными…позволяет нам делать заявления об эволюции.
«Другая причина в том, что они действительно отличные лабораторные крысы», – продолжила она. “Я собрал их в полевых условиях на Бермудских островах несколько лет назад во время моей постдокторской работы, и с тех пор, как мы принесли их в лабораторию, они поддаются гораздо большему количеству инструментов, чем некоторые другие системы.”
И хотя эти инструменты могут продемонстрировать динамическую природу генома во время регенерации – Герке удалось идентифицировать до 18000 регионов, которые меняются, – по ее словам, важно, какое значение он смог извлечь из их изучения.
Результаты, по ее словам, показывают, что EGR действует как выключатель питания для регенерации – после его включения могут происходить другие процессы, но без этого ничего не происходит.
«Нам удалось снизить активность этого гена, и мы обнаружили, что если у вас нет Egr, ничего не происходит», – сказал Шривастава. “Животные просто не могут регенерировать. Все эти нижестоящие гены не включаются, поэтому другие переключатели не работают, и весь дом в основном темнеет.”
Хотя исследование раскрывает новую информацию о том, как этот процесс работает у червей, оно также может помочь объяснить, почему он не работает у людей.
«Оказывается, что Egr, главный ген, и другие гены, которые включаются и выключаются ниже по течению, присутствуют у других видов, включая человека», – сказал Герке.
«Причина, по которой мы назвали этот ген у червей Egr, заключается в том, что, если посмотреть на его последовательность, он похож на ген, который уже был изучен у людей и других животных», – сказал Шривастава. “Если у вас есть человеческие клетки в чашке и вы подвергаете их стрессу, будь то механически или вы помещаете в них токсины, они сразу же выразят Egr.
“Но возникает вопрос: если люди могут включить Egr, и не только включить его, но и сделать это, когда наши клетки повреждены, почему мы не можем регенерировать??”Шривастава сказал. “Ответ может заключаться в том, что если EGR – это выключатель питания, мы думаем, что проводка другая. То, с чем EGR говорит в человеческих клетках, может отличаться от того, с чем он говорит в трехполосном черве-пантере, и то, что Эндрю сделал с этим исследованием, придумал способ добраться до этой проводки.
Итак, мы хотим выяснить, что это за связи, а затем применить это к другим животным, включая позвоночных, которые могут только более ограниченно восстанавливаться.”
В дальнейшем, по словам Шриваставы и Герке, они надеются выяснить, являются ли генетические переключатели, активируемые во время регенерации, такими же, как те, которые использовались во время разработки, и продолжить работу, чтобы лучше понять динамическую природу генома.
«Теперь, когда мы знаем, что такое переключатели для регенерации, мы смотрим на переключатели, участвующие в разработке, и на то, одинаковы ли они», – сказал Шривастава. “Вы просто занимаетесь разработкой заново, или это другой процесс??”
Команда также работает над пониманием точных способов, которыми EGR и другие гены активируют процесс регенерации, как для трехполосных пантер-червей, так и для других видов.
В конце концов, по словам Шриваставы и Герке, исследование подчеркивает ценность не только понимания генома, но и понимания всего генома – как некодирующих, так и кодирующих частей.
«Только около двух процентов генома вырабатывает такие вещества, как белки», – сказал Герке. «Мы хотели знать: что делают остальные 98 процентов генома во время регенерации всего тела??
Некоторое время люди знали, что многие изменения ДНК, вызывающие заболевание, происходят в некодирующих областях…но его недооценивают из-за такого процесса, как регенерация всего тела.
«Я думаю, что мы только коснулись поверхности», – продолжил он. «Мы рассмотрели некоторые из этих переключателей, но есть совершенно другой аспект того, как геном взаимодействует в более крупном масштабе, а не только то, как части открываются и закрываются, и все это важно для включения и выключения генов, поэтому Я думаю, что существует несколько уровней регулятивного характера.”
«Это очень естественный вопрос – смотреть на мир природы и думать: если геккон может это делать, почему я не могу», – сказал Шривастава. “Есть много видов, которые могут регенерировать, и другие, которые не могут, но оказывается, если вы сравните геномы всех животных, большинство генов, которые у нас есть, также находятся в трехполосом черве пантеры…поэтому мы думаем, что некоторые из этих ответов, вероятно, будут исходить не от того, присутствуют ли определенные гены, а от того, как они связаны или связаны вместе, и этот ответ может исходить только от некодирующей части генома.”
Это исследование финансировалось Фондом Милтона Гарвардского университета, Программой стипендиатов Сирла, Фондом семьи Смит, Национальным научным фондом, Фондом Хелен Хей Уитни, Программой науки о человеческих рубежах, Национальными институтами здравоохранения, Биомедицинской организацией.
Программа обучения, Калифорнийский университет в Беркли, кафедра биологических наук Мартеллы Фоскетт Браун и Медицинский институт Говарда Хьюза.