Американські біологи встановили, що під час регенерації плоских хробаків відмінності між клітинами голови і хвоста з'являються в перші три години після ампутації однієї з частин тіла. Визначення правильного положення нового органу в тілі черв'яка відбувається за рахунок біоелектричного сигналу і управляється розподілом мембранних потенціалів у ще не диференційованих клітин. У разі порушення цього механізму відбувається формування планарій з двома головами і іноді досить незвичайною формою тіла, пишуть вчені в.
Одна з особливостей плоских хробаків - їх дивовижна здатність до регенерації пошкоджених частин тіла. За рахунок великої кількості стовбурових клітин у сполучній тканині ці тварини здатні до безстатевого розмноження, а також можуть швидко відновлювати втрачені органи, в тому числі голову. Цікаво, що при безстатевому розмноженні дочірні особини формуються після ділення хробака поперек, при цьому тіло хробака має досить виражену поздовжню асиметрію, тобто задня половина дорощує собі голову, а передня - навпаки, хвіст.
Помітити перші відмінності між клітинами нового хвоста і нової голови під час регенерації можна приблизно через шість годин після ампутації якоїсь з частин черв'яка. Однак питання про те, як клітини бластеми - основи для створення нової тканини - розуміють, якої частини тіла у планарії не вистачає і який орган повинен з них вирости, залишається предметом досліджень вже більше століття. Відомо, що управління процесом регенерації відбувається за досить складною схемою: зростання контролюється за допомогою біохімічних реакцій, але при цьому реагує і на фізичні стимули. Зокрема, нещодавно вчені з'ясували, що в умовах мікрогравітації при безстатевому розмноженні може утворитися плоский хробак з двома головами, а ось слабке магнітне поле, на відміну від сильного, помітно знижує швидкість відновлення.
Група американських біологів з Університету Тафтса під керівництвом Майкла Левіна (Michael Levin) виявила, що для диференціації голови і хвоста на ранніх стадіях регенерації плоскі хробаки використовують біоелектричні сигнали і стежать за розподілом мембранного потенціалу в клітинах бластеми. Зараз основним молекулярним механізмом, які керують регенерацією і визначенням правильного розташування ще недифференційованої бластеми в тілі планарії, вважається сигнальний шлях Wnt: два важливі компоненти цього механізму - лід-катенін і білок Wnt1 - можуть пригнічувати зростання голови у черв'яка, призводячи до формування хвоста. Однак ніякої різниці в експресії цих компонентів між передньою і задньою половинами хробака протягом першої доби регенерації не спостерігається. Фермент, концентрація якого виявляється розподілена асиметрично раніше за інших, - це нотум, експресія якого в передній половині хробака починається тільки через шість годин після ампутації. Цей фермент дійсно взаємодіє з лід-катенином, а ось що стає початковою причиною цієї асиметрії, досі залишалося незрозумілим.
Автори роботи припустили, що при регенерації плоского хробака для визначення «полярності» тіла (тобто відмінностей між його передньою і задньою половинами) використовується механізм, схожий на фізіологічні сигнали для диференціації лівої і правої частин тіла у хребетних. Найчастіше для цього хребетні тварини реагують на відмінність у потенціалі спокою у клітин. Неоднорідний розподіл мембранного потенціалу запускає каскад реакцій транскрипції, які дозволяють визначити положення недифференційованих клітин в організмі.
Для перевірки цієї гіпотези вчені за допомогою іонофорів змінювали нормальний розподіл мембранних потенціалів у бластемі хробаків і стежили, як це позначиться на процесі їх регенерації. Відразу після розрізання хробаків поміщали в розчин нігерицину або монескіна, в якому вони перебували кілька годин, після чого розчин іонофору вимивався з організмів.
Виявилося, що в разі обробки клітин іонофором відбувається «деполяризація» пошкодженої тканини, тобто розподіл мембранних потенціалів вирівнюється, в результаті чого пригнічується асиметрія в експресія нотума. Це призводить до того, що клітини не можуть визначити, в якій частині організму вони знаходяться і через два тижні виростає планарія з двома головами. Такий ефект спостерігався при використанні обох іонофорів і не спостерігався в контрольному експерименті, при якому розподіл потенціалів залишався нормальним.
Крім того, дослідження мембранних потенціалів і зміна часу впливу іонофорів показало, що процес диференціювання між головою і хвостом запускається в перші три години після ампутації - тобто значно раніше асиметричної експресії самого нотума. Подальше видалення іонофора з організму не впливає на процес регенерації тканин протягом наступних десяти діб. Для пояснення механізму вчені запропонували біохімічну модель, яка повністю описує процес, починаючи з біоелектричного запуску асиметричної регенерації і закінчуючи формуванням нормального або двоголового хробака.
Автори роботи зазначають, що про вплив електричного поля може впливати на швидкість регенерації біля пласких хробаків, було відомо і раніше, проте цього разу вченим вдалося показати, що саме біоелектричні сигнали, ймовірно, першими запускають процес диференціації клітин, щоб відрізнити передню половину тіла тварини від задньої. За словами біологів, виявлений ефект у майбутньому можна буде використовувати для керованого морфогенезу, наприклад, контролюючи розподілом мембранних потенціалів стовбурових клітин за допомогою оптогенетичних інструментів.
Нещодавно вчені виявили, що можливість відновлювати ампутовані частини тіла і переносити смертельні дози опромінення плаванням допомагає мембранний білок TSPAN-1. Саме його наявність у стовбурових клітинах хробаків виявилася причиною їх живучості.