научная статья по теме РЕГЕНЕРАЦИЯ ПЛАНАРИЙ. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ ОБЪЕКТ Биология

Текст научной статьи на тему «РЕГЕНЕРАЦИЯ ПЛАНАРИЙ. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ ОБЪЕКТ»

ОНТОГЕНЕЗ, 2015, том 46, № 1, с. 3-12

ОБЗОР

УДК 591

РЕГЕНЕРАЦИЯ ПЛАНАРИЙ. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ ОБЪЕКТ

© 2015 г. И. М. Шейман, Н. Д. Крещенко

Институт биофизики клетки РАН 142290, Пущино, Московская обл., ул. Институтская, 3 E-mail: nkreshch@rambler.ru Поступила в редакцию 19.12.12 г. Окончательный вариант получен 27.01.14 г.

Обсуждается целесообразность использования в качестве экспериментальных объектов беспозвоночных животных — плоских червей, планарий. Свободноживущие плоские черви планарии (тип Platyhelminthes, класс Turbellaria) — это беспозвоночные животные, у которых впервые в эволюции появляются билатеральная симметрия, формируются органы и ткани. Как высшее звено экологической пищевой цепи — хищники — эти животные характеризуются набором определенных поведенческих реакций, контролируемых дифференцированной центральной нервной системой. Планарии обладают непревзойденной способностью к регенерации утраченных или поврежденных частей тела. Благодаря простоте их разведения и удобству манипуляций с ними, эти животные используются для исследования влияния химических и физических факторов на процессы жизнедеятельности, развития и размножения. В настоящее время планарии являются признанной биологической моделью для проведения исследований в области регенерации, биологии стволовых клеток, изучения их пролиферации и дифференцировки, а также регуляторных механизмов морфоге-нетических процессов. Геном планарии Schmidtea mediterránea полностью секвенирован, что открывает возможность работы с этим объектом на молекулярно-биологическом уровне. Кроме того, планарии используются в нейробиологических и токсикологических исследованиях, при изучении эволюционных аспектов централизации нервной системы, механизмов мышечного сокращения, при разработке новых антипаразитарных препаратов. Цель данного обзора продемонстрировать широкому кругу читателей актуальность и многообразие исследований, проводимых на простых биологических объектах — планариях, показать историческую преемственность этих исследований, их широкое географическое распространение, а также акцентировать внимание на части исследований, которые проводились и проводятся в России, и, как правило не входят в зарубежные обзоры по регенерации планарий.

Ключевые слова: беспозвоночные, планарии, регенерация, морфогенез, стволовые клетки.

DOI: 10.7868/S0475145015010073

В структуру научной публикации традиционно входит описание методики, включающей представление объекта, если речь идет об экспериментальной биологической работе. При отступлении от привычных и наиболее распространенных объектов требуется подробное описание характеристики нового объекта и обоснование его выбора. Природа наделила некоторых животных такими видовыми особенностями, что создается впечатление, будто она позаботилась об их использовании при изучении определенных биологических явлений. Благодаря таким специфическим свойствам некоторых представителей живого и был осуществлен ряд прорывов в биологии. Среди беспозвоночных животных можно перечислить настоящие модельные объекты, приведшие к научным открытиям. Достаточно назвать пресловутую мушку дрозофилу с ее политенными хромо-

сомами и ее значение для генетики; гигантские нейроны моллюсков и рецепторы растяжения рака — для нейрофизиологии, муравьев и пчел — для этологии. Цель данной публикации — привлечь внимание к объекту, на котором имеется довольно многочисленный опыт исследований.

Одним из важнейших разделов биологии развития является регенерация. В изучении принципов, источников и механизмов процесса регенерации трудно конкурировать по объему исследований и по вкладу с таким объектом, как плоский червь — планария (рис. 1а, 1б, рис. 2). Планарии наделены природой целым рядом замечательных свойств, привлекательных для многих экспериментальных задач. Далее приводится краткая характеристика объекта.

Планарии — низшие черви. Они широко распространены в природе, в пресных и соленых во-

Рис. 2. Регенерация головного конца тела планарий О. tigrina. Имммунопозитивная окраска к нейропептиду NPF (светло-серая окраска) в регенерирующем головном нервном ганглии планарий, темно-серая окраска демонстрирует мускулатура тела; (а) — 1 сут, (б) — 2 сут, (в) — 4 сут, (г) — 7 сут регенерации. Масштаб 100 мкм.

дах и на влажных почвах. Чаще встречаются виды, длина тела которых составляет 1—3 см. Пресноводные планарии средних широт располагаются на нижней стороне водных растений или камней, избегая света. Плоское тело планарий бывает

прозрачным, бурым, почти черным, пятнистым и покрыто слизью. Планарии занимают ключевую позицию в эволюции животного мира. У них впервые возникает билатеральная симметрия, у них впервые происходит концентрация нервных

элементов в центральную нервную систему, у них впервые выделяется парный головной ганглий ("мозг") в передней части тела (рис. 2в, 2г). Ввиду отсутствия у планарий кровеносной системы, большинство клеток связываются друг с другом и средой с помощью сигнальных молекул или химических мессенжеров, которые синтезируются нейронами. В нервной системе планарий обнаружены: серотонин, ацетилхолин, катехоламины, ГАМК, нейропептиды и ростовые факторы (Welsh, Williams, 1970; Тирас и др., 1975; Kabotyan-ski et al., 1991; Maule et al., 1994; Johnston et al., 1995; 1996; Eriksson, Panula, 1994; Reuter et al., 1995; Nishimura et al., 2007; Cebria et al., 2002, Ce-bria, 2008; Kreshchenko et al., 2008; Kreshchenko, Tolstenkov, 2012).

Планарии относятся к семейству трехветви-стокишечных. Их кишечник состоит из трубки, стенка которой состоит из одного слоя клеток. При принятии пищи стенки клеток естественным образом разрушаются, а по окончании пищеварения клетки естественным образом восстанавливаются, являя собой одну из свойственных плана-риям моделей физиологической регенерации. Такое поведение кишечника обеспечивает две его функции: пищеварение и распределение питательных веществ (Sheiman, Sakharova, 1974; Sa-kharova, Sheiman, 1977).

Планарии — гермафродиты и размножаются половым путем. Но есть виды и расы, которые размножаются бесполым путем, простым отделением хвостового фрагмента перетяжкой тела в "зоне деления". Из двух половинок планарий восстанавливаются два новых полноценных организма. Это еще одна естественная модель регенерации планарий. Из таких фрагментов можно получать популяции чистой линии. Некоторые виды плана-рий владеют обоими способами размножения (Best et al., 1974, Kobayashi, Hoshi, 2011). Таким образом, планарии обладают способностью не только к репаративной регенерации, вызванной повреждением их тела извне, но и физиологической, обусловленной характером их жизнедеятельности. Постоянное обновление клеток и структур вследствие колоссальной морфогенетической пластичности этих животных обеспечивает циклы пищеварения, бесполого размножения, и ежедневного тканевого самообновления.

Интерес к регенерации планарий имеет свою большую историю. Еще старик Дарвин попробовал взглянуть на замечательное свойство плана-рий восстанавливаться после рассечения их тела на две части (Darwin, 1884). Методичное изучение этого явления относится к началу 20-го столетия, когда такие классики биологии, как Морган (Morgan, 1901) и Чайлд (Child, 1941) производили эксперименты на планариях и описали основные закономерности их регенерации. Следующий вклад в исследование регенерации планарий при-

надлежит французской школе эмбриологов во главе с Вольфом (Wolff, 1962) и Ланде (Lender, 1965) и относится к середине 20-го века. Они значительно дополнили и углубили понимание этого процесса, определили временные рамки и морфологические характеристики регенерации у планарий. В том же направлении работали в 60-е и последующие годы сотрудники кафедры эмбриологии Ленинградского университета под руководством Б.П. Токина (Токин, 1959). Брондстед собрал и издал наиболее полную для того времени сводку публикаций по регенерации планарий (Brondsted, 1969). В этот период в теле планарий были описаны клетки, названные необластами и обладающие способностью делиться и дифференцироваться в клетки разных тканей. Необла-сты были идентифицированы гистологически по интенсивной базофилии цитоплазмы и сравнительно слабо развитым цитоплазматическим ор-ганеллам, большому ядру и наличию ядрышка, богатого РНК (Pedersen, 1959; Baguna, 1975а, b; Romero, Baguna, 1981; Hori, 1992). Многие исследователи, изучающие регенерацию у планарий, придерживались мнения о том, что необласты являются клеточными источниками регенерации (Bronsted, 1969; Wolff, 1962; Lender, 1965).

Всплеск интереса к планариям произошел в 50-е годы и в связи с работами американского зоопсихолога МакКоннелла, которые близко соприкасались с проблемой регенерации (McCon-nel, 1967). Он исследовал у планарий простейшие условные рефлексы: вырабатывал реакции на световой сигнал, подкрепленный электрическим раздражением. Обученных планарий, реагировавших на свет, как на ток, он разрезал пополам и обнаружил, что регенерировавшие из обеих половинок планарии сохраняли памятный след, образованный у исходной материнской особи. Поскольку этот след сохранялся в равной степени, как у головного, так и у хвостового фрагмента, лишенного церебрального нервного ганглия, МакКоннелл решил, что памятный след сохранялся в особых клетках — необластах, из которых при регенерации образуется новый ганглий. Он приписал эту функцию молекулам РНК, которыми очень богаты необласты. В пору повального интереса к ДНК в середине прошлого столетия возможная связь РНК с хранением и "переносом" памяти прозвучала сенсационно. Во многих лабораториях мира опыты МакКоннелла повторяли и модифицировали, переносили на других животных, а результаты развивали или опровергали. Множественные неудачи в сохранении памятного следа в сходных опытах привели к их постепенному прекращению. Однако, в скромной лаборатории Пущинского биологического Центра в те же годы была предпринята попытка воспроизвести опыты МакКоннелла и найти им объяснение посредством целенаправленного экспе-

риментального анализа. Результаты опытов, полученные МакКоннеллом, действительно п

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Биология»