När djur upplever en stor skada, såsom förlust av en lem, börjar kroppen omedelbart en sårläkningsreaktion som inkluderar att försegla sårstället och reparera lokala skador. Hos många djur, inklusive människor, upphör detta svar när det lokala sårstället tas om hand. Men hos vissa djur övergår den initiala sårresponsen snart till ett annat stadium av läkning:regenerering, återväxt av de delar som förlorats.

Whitehead Institute-medlem Peter Reddien, även professor i biologi vid MIT och Howard Hughes Medical Investigator (HHMI), har länge studerat en plattmask känd som planarian (Schmidtea mediterranea), som kan återväxa vilken del av sin kropp som helst, för att förstå mekanismerna underliggande regenerering. Ny forskning från personalforskaren M. Lucila Scimone, doktoranderna Jennifer Cloutier och Chloe Maybrun, och Reddien identifierar en tidigare obeskriven gen, dagjämning, som spelar en nyckelroll i att initiera övergången från det initiala sårläkningsstadiet till regenereringsstadiet hos planärer. Verket, publicerat i Nature Communications den 18 maj, avslöjar också en viktig roll för sårepidermis, huden som växer för att täcka ett sårställe, för att initiera regenerering. Att upptäcka vad som gör det möjligt för djur som planärer att återväxta förlorade kroppsdelar kan informera området för regenerativ medicin, som försöker förstå gränserna för sårläkning hos människor och att förbättra vår förmåga till återhämtning och regenerering.

"Ju mer vi förstår om generna och mekanismerna som spelar nyckelroller i regenerering hos djur som är kapabla till det, desto bättre kan vi förstå varför människor saknar den förmågan och kanske genomförbarheten av framtida tillvägagångssätt för att förbättra mänsklig sårläkning." säger den första författaren Scimone.

Följet med mysteriegenen

När forskarna påbörjade detta projekt hade de ingen aning om att det skulle leda till att de identifierade en ny gen som var avgörande för regenerering. De ville ursprungligen lära sig mer om bmp4, en gen som de tidigare hade studerat. BMP-signalering, som inkluderar bmp4, är involverad i dorsal-ventral mönsterbildning, eller bildandet av kroppen runt en axel mellan dess övre (dorsal) och nedre (ventrala) sidor. Reddien hade tidigare funnit att bmp4 var nödvändigt för regenerering efter skador på ett djurs sida. Med hjälp av ny teknik som inte hade funnits när de först studerade genen, fann forskarna nu att planarianer utan bmp4 misslyckades med att regenerera efter stora skador någonstans på kroppen. Detta antydde en mycket mer grundläggande roll för bmp4 i regenerering än forskarna förväntade sig, med tanke på att dess huvudsakliga funktion relaterar till endast en kroppsaxel. Forskarna antog att tillsammans med sin roll i dorsal-ventral mönstring, kan bmp4 hjälpa till att aktivera en okänd gen som spelade en viktig, ännu oidentifierad roll i regenerering. Bmp4 skulle därför vara nödvändigt för regenerering på grund av dess koppling till denna mysteriegen.

Forskarna började titta på gener reglerade av bmp4 och hittade en lovande kandidat. De fick reda på att bmp4 behövdes för att aktivera deras mysteriegen under det initiala sårläkningssvaret, och att mysteriegenen var avgörande för att sårläkning skulle utvecklas till regenerering efter stora skador. När genen inte aktiverades inträffade inte de steg som vanligtvis följer det initiala sårläkningssvaret för att förbereda kroppen för regenerering. Såret skulle läka men de saknade delarna skulle aldrig växa ut igen, ungefär som vad som skulle hända hos en människa. Forskarna döpte mysteriegenens dagjämning för att hedra dess utseende under en viktig övergångsperiod för att föra kroppen mot förnyelse.

"Vi känner till ett fåtal gener som, när de inaktiveras, inte förekommer kännetecken för regenerering", säger medförfattaren Cloutier. "När dagjämningen inte är aktiverad ser vi en ännu kraftfullare hämning av regenerering i ett tidigt skede. Det verkar krävas tidigt för att de andra stegen ska kunna fortsätta."

Skin får en huvudroll

Forskarna fann att dagjämning uttrycks, eller aktivt i, sårepidermis, en hudvävnad som är en integrerad del av regenerering efter stora skador hos ett antal djur och som ändå inte hade varit känd för att spela en roll i den signalering som initierar regenerering hos planare. Efter en skada täcker och skyddar sårhuden sårplatsen. När djur börjar regenerera, underlättar sårets epidermis bildandet av en utväxt av celler som kallas blastema, där kroppen producerar de celltyper den behöver för att ersätta de delar som förlorats i skadan. På motsvarande sätt fann forskarna att dagjämning behövs för regenerering i alla skador som kräver ett blastema - i princip alla stora yttre skador där ersättningsvävnaderna växer ut från kroppen.

Tidigare hade Reddien-labbet hittat nyckelgener som krävs för regenerering uttryckta till stor del i muskler. Muskler hos planarians upprätthåller en aktiv ritning av kroppen, ett nätverk av positionella gener som låter celler och vävnader veta var de ska vara. Efter en skada som kräver regenerering, skalar dessa positionsgener om sin kroppskarta nära sårplatsen och vägleder nya celler i att bygga ersättningsvävnader på rätt ställen. Men om dagjämningen inte uttrycks, ändrar inte muskelvävnaden sin karta. Kroppen misslyckas också med att öka produktionen av planära stamceller eller att börja differentiera stamceller till de celltyper som gick förlorade. Tillsammans ger dessa rön konkretisera forskarnas förståelse för de fullständiga stegen som behövs för att regenerering ska inträffa, och avslöjar en tidig nyckelroll för sårepidermis, genom dess uttryck av dagjämning, i signalsekvensen som möjliggör återväxt efter en skada.

"Det finns en kaskad av händelser där sårsignalering aktiverar, bland andra gener, dagjämning; dagjämning främjar sårinducerat genuttryck i muskler; och det främjar återställning av positionsinformation som sedan kan leda till regenerering," säger Reddien. "Det som är spännande med att fylla i den här bilden är att vi identifierar den viktigaste regulatoriska logiken som kan åstadkomma regenerering."