Биологи узнали, как аксолотль регенерирует мозг

Аксолотль — животное удивительное уже само по себе, ведь оно представляет собой неотеническую форму бесхвостой амфибии амбистомы (Ambystoma mexicanum). Это означает, что в процессе эволюции аксолотли научились размножаться, задерживаясь на личиночной стадии развития и обходясь без метаморфоза, который превращает их во взрослую особь.

Однако уникальная амфибия имеет и другую «суперспособность» — речь идет о ее фантастической регенерации. Аксолотлю ничего не стоит не только заживить тяжелые раны, но и отрастить утраченные конечности, хвост, сердце и даже мозг. В том числе поэтому этот родич саламандр оказался популярным объектом биологических исследований.

В то же время популярность среди владельцев террариумов аксолотль приобрел благодаря экзотическому виду и очень симпатичному «выражению» морды.

В новой статье для ведущего научного журнала Science ученые описывают молекулярные механизмы регенерации аксолотля, а именно — его поврежденного мозга. По этому случаю его фото даже красуется на обложке этого престижного издания.

Сама возможность амфибии к воссозданию наиболее сложного органа — не новость: о ней биологи узнали еще в далеком 1964 году. Тогда удалось показать, что крупному аксолотлю не страшна потеря части мозга (даже довольно крупной), ведь она довольно быстро восстанавливается.

В то же время биологи полагали, что аксолотль не может в полной мере воссоздать структуру утраченных тканей мозга.

Этим вопросом занялись авторы новой публикации — исследователи из Швейцарской высшей технической школы Цюриха (Швейцария) и Института молекулярной патологии (Австрия), которые изучают процесс регенерации тканей на молекулярном уровне. В данном случае их интересовало, сможет ли аксолотль создать заново все те различные типы клеток, которые имелись в удаленной части его мозга, — то есть будет ли новый орган структурно полноценным.

К проблеме авторы подошли основательно — ранее они даже опубликовали анатомический атлас мозга этой амфибии. В итоге стало известно много нового и о причинах ее регенеративной способности, и об эволюционном прошлом вида Ambystoma mexicanum.

Чтобы точно знать, с какими тканями и клеткам они имеют дело и получить картину происходящего в высоком разрешении, биологи обратились к методу транскриптомики одиночных клеток (single-cell RNA sequencing, scRNA-seq).

В отличие от изучения морфологии нейронов и даже их биохимических маркеров, эта методика чрезвычайно точна. В разных клетках в определенный момент времени работают конкретные гены — об этом позволяют судить молекулы РНК, которые анализируют при помощи scRNA-seq.

Ранее эта передовая методика применялась к рыбам, пресмыкающимся, мышам и людям, но не амфибиям — и новая публикация восполнила пробел.

Авторы сосредоточили свое внимание на определенной части мозга, так называемом конечном мозге, или теленцефалоне. У человека и других млекопитающих к этому отделу относят большие полушария, ответственные за самые сложные поведенческие и когнитивные функции.

В процессе эволюции теленцефалон претерпел сильные изменения — стал намного больше и сложнее. Однако у всех позвоночных он имеет общее происхождение, поэтому, изучая его развитие на примере аксолотля, мы узнаем и об эволюции мозга человека.

Транскриптомику одиночных клеток авторы применили к различным клеткам в конечном мозге, включая недифференцированные, нейробласты. Они либо воспроизводят сами себя, либо становятся новыми нейронами — иными словами, благодаря им нервные клетки успешно восстанавливаются.

Итак, биологи выяснили, какие именно гены активны в клетках-предшественниках, когда те превращаются в нейроны. Оказалось, такая дифференциация происходит через стадию особых промежуточных клеток, о которых ранее не было известно. После удаления части конечного мозга аксолотля ученые наблюдали его регенерацию в течение 12 недель и отмечали появление новых популяций клеток по характерным паттернам экспрессии генов в них.

Выяснилось, что аксолотль и правда успешно и в полной мере восстанавливает ткани поврежденного и даже частично утраченного мозга — для этого у амфибии имеется сложная и многостадийная регуляция процесса регенерации мозга.

На первой стадии регенерации увеличивается число клеток-предшественниц, часть из них инициирует заживление раны. На второй — эти клетки начинают дифференцироваться в нейробласты. На третьей, завершающей стадии нейробласты дают начало специализированным клеткам, которые в точности соответствуют исходным нейронам — и аксолотль возвращает себе полноценный мозг.