Sötvattenpolypen Hydra är känd för sin förmåga att regenerera. Efter att huvudet eller foten har tagits bort – eller både huvudet och foten – kan Hydra regenerera de saknade strukturerna och reformera helt intakta organismer. Heidelberg-forskarna undersökte de molekylära interaktioner som leder från skada till regenerering av de frånvarande strukturerna. Bilden visar ett Hydra-regenerat från vilket huvudet och foten tidigare tagits bort. Regenerering via rekombinant Wnt ledde till bildandet av ett andra huvud med tentakler istället för en regenererad fot. Kredit:Anja Tursch och Thomas W. Holstein (Heidelberg University)
Fenomenet regenerering upptäcktes för över 200 år sedan i sötvattenpolypen Hydra. Fram till nu var det dock i stort sett oklart hur den ordnade regenereringen av förlorade vävnader eller organ aktiveras efter skada. I sina undersökningar av Hydra kunde ett tvärvetenskapligt forskarlag vid Heidelbergs universitet visa hur sårläkningssignaler som frigörs vid skada omvandlas till specifika signaler om mönsterbildning och celldifferentiering. Väsentliga komponenter är de mitogenaktiverade proteinkinaserna (MAPK) och Wnt-signaleringsvägen - molekylära mekanismer som har förblivit relativt oförändrade under hela evolutionen.
Förmågan att regenerera varierar kraftigt hos djur. De flesta däggdjur och ryggradsdjur har endast begränsad regenereringsförmåga, medan basala och enkla djur som dök upp tidigt i evolutionen, som cnidarians och planarians, kan regenerera hela sin kropp. I alla fall börjar regenereringsprocessen med sårläkning. Cellerna på platsen för skadan förökar sig och bildar en odifferentierad massa - ett blastema - från vilket de saknade strukturerna mönstras på nytt. Detta aktiverar genetiska processer som också styr embryonal utveckling. För att fastställa de inblandade molekylära mekanismerna studerade forskargruppen under ledning av prof. Dr. Thomas W. Holstein sötvattenpolypen Hydra för att förstå de grundläggande egenskaperna hos denna aktivering av regenerering.
Kärnan i deras undersökningar är Anja Turschs doktorsavhandling. Hon upprepade Genèvenaturforskaren Abraham Trembleys (1710 till 1784) nyckelexperiment som fick honom att upptäcka förnyelsefenomenet. Hydra-polypen delas i två delar, vilket får den övre halvan att regenerera ett nytt "huvud" och den nedre halvan en ny "fot" - därför kan helt olika kroppsdelar växa från exakt samma vävnad vid snittytan i mitten. Med utgångspunkt i sitt tidigare arbete med Hydra-regenerering har forskarna vid Centre for Organismal Studies (COS) vid Heidelbergs universitet nu visat hur detta är möjligt.
Oavsett var den inträffar utlöser varje skada ospecifika signaler för ett skadesvar, dvs sårläkning, via kalciumjoner och produktion av reaktiva syrearter. Signalerna överförs intracellulärt av tre mitogenaktiverade proteinkinaser - p38, JNKs och ERK. Aktivering av dessa tre molekyler krävs för både huvud- och fotregenerering. Wnt-signalvägar aktiveras då som är viktiga under embryonal utveckling för bildandet av rudimentära organ och kroppsaxeln. De generiska signalerna för sårläkning överförs således till positionsspecifika signaler om mönstring och celldifferentiering för regenerering.
"Våra experiment visar att Wnt-signalvägen är en huvudkomponent i det initiala generella skadesvaret och, beroende på signalstyrka, styr vävnaden mot huvud- eller fotutveckling", förklarar prof. Holstein. Det är därför, i fallet med MAPK-hämning, den annars frånvarande regenereringen kan induceras av artificiellt genererade, rekombinanta Wnt-proteiner. "Det var också förvånande att i mellankroppsdelar som hade tagit bort både huvud och fot, kan huvuden induceras i båda ändarna på detta sätt", tillägger Dr Suat Özbek, medlem av Prof. Holsteins forskningsgrupp "Molecular Evolution and Genomics". på COS.
Wnt/β-catenin, en del av Wnt-signalvägen, var redan känt för att koda positionsinformation för bildning av ny huvudstruktur. I samarbete med matematiker under ledning av prof. Dr. Anna Marciniak-Czochra, utvecklade forskargruppen av Prof. Holstein och Dr. Özbek en modell som visar hur basal positionsinformation i vävnaden omvandlar det initialt odifferentierade skadesvaret till en differentiell mönstringsprocess via Wnt-signalvägen. "Eftersom MAPK och Wnts är mycket evolutionärt konserverade, är den här mekanismen troligen djupt inbäddad i vårt genom, vilket är viktigt för regenerativa processer även hos ryggradsdjur och däggdjur", säger Thomas Holstein.
Forskningen publicerades i Proceedings of the National Academy of Sciences . + Utforska vidare
