Regeneroituminen (biologia)

Regeneroitumisen esiintyminen useissa eläinsukupolvissa sekä laajalle levinnyt kyky regeneroida koko keho metazoan peruslinjoissa, useissa lophotrochozoanien ja deuterostomaattien sukupolvissa antaa aihetta uskoa, että metazoanien esi-isällä oli laajalle levinnyt kyky regeneroitua. Regeneroitumisen fylogeneettinen jakauma viittaa myös siihen, että tätä kykyä on rajoitettu ja/tai se on kadonnut toistuvissa tapahtumissa.

Regeneroitumisen säilymisestä on useita hypoteeseja, sopeutumishypoteesi, pleiotropia ja fylogeneettinen inertia.

• Ensimmäisessä hypoteesissa regeneraatiota ylläpidettäisiin valinnalla, joten rakenteen häviämisen on oltava yleistä, sen puuttumisella on oltava kustannus organismille ja regeneraatiosta saatavan hyödyn on ylitettävä sen kustannukset. Esimerkkinä tällaisesta rakenteesta ovat liskojen ja salamantereiden pyrstöt, mutta Hydralla ja plantaareilla, kahdella eläinryhmällä, joilla on suurimmat uusiutumiskyvyt, ei ole todisteita amputoinneista luonnossa, joten näissä tapauksissa sopeutumishypoteesia ei voida tukea.

• Toisen hypoteesin mukaan kyky uudistua tiettyyn rakenteeseen liittyy vahvasti johonkin muuhun ilmiöön, kuten suvuttomaan lisääntymiseen, kasvuun, alkionmuodostukseen tai toisen rakenteen uudistumiseen. Kladit, kuten nilviäiset, joissa regeneraatio ja kasvu perustuvat samanlaisiin mekanismeihin, ovat ehdokkaita regeneraation ylläpidon tutkimiseen pleiotropian avulla.

• Kolmannessa hypoteesissa ehdotetaan, että regeneraation ylläpito tapahtuisi historiallisista syistä, eli regeneraatio olisi esi-isien luonne, joka ei ole kadonnut.

Regeneroituminen planarioissaEdit

Organismit, joissa regeneraatioprosessia on tutkittu parhaiten, ovat planarioita, Platyhelminthes-suvun heimoon kuuluvia, kaksipuolisesti symmetrisiä metazoaneita. Jo useiden vuosisatojen ajan on tiedetty, että kun näitä organismeja leikataan keskeltä, pääpuolisko uudistaa hännän ja hännänpuolisko pään.

Leikkauksen jälkeen ohut epiteelikerros peittää haavan, ja sekä selkä- että ventraaliset epiteelisolut menettävät luonteenomaisen morfologiansa, kun ne peittävät haavan. Amputoiduilla eläimillä havaitaan solujen proliferaatiohuippu haavakohdan lähellä, mikä johtaa epiteeli-/mesenkymaalisen itiön, niin sanotun regeneratiivisen blasteman, syntymiseen. Havaittu solujen lisääntyminen rajoittuu pieniin, hyvin erilaistumattomiin soluihin, joilla on suuret tumat ja vähän sytoplasmaa. Näitä soluja kutsutaan neoblasteiksi.

Neoblastien alkuperästä on kaksi hypoteesia, toisaalta ne voivat syntyä somaattisten solujen dedifferentioitumisesta ja toisaalta kantasolujen itseuudistumisesta, mutta todisteet viittaavat siihen, että neoblastit ovat totipotentteja kantasoluja.

Blastemamuodostuksen kautta tapahtuva regeneraatio ei muodosta kaikkia plantaarin rakenteita, vaan blasteman jälkeinen kudos on se, joka regeneroi muita rakenteita uudelleenmuodostamalla eli morphallaxis-toiminnalla. Planariaanien regeneraatioprosessi on siis seurausta kahden päämekanismin, epimorfoosin ja morfalaxiksen, yhdistelmästä.

Regeneraatio salamantereillaEdit

Salamantereilla raajojen regeneraatio tapahtuu epimorfoosin avulla, solut pystyvät tarvittaessa rakentamaan uudelleen koko raajan, mutta ne pystyvät myös rakentamaan uudelleen vain puuttuvat osat. Amputaation jälkeen, 6-12 tunnin kuluttua, endodermisolut peittävät haavan, ja tämä haavan epidermikseksi kutsuttu kerros lisääntyy muodostaen apikaalisen ektodermisen suojuksen. Seuraavien päivien aikana korkin alla olevat solut erilaistuvat muodostaen massan, regeneraatio-blasteman. Erilaistuneissa kudoksissa ilmentyvien geenien ilmentyminen vähenee ja alkion raajoihin liittyvien geenien ilmentyminen lisääntyy dramaattisesti. Nämä solut jatkavat lisääntymistään ja lopulta erilaistuvat uudelleen muodostaen uusia raajarakenteita.

Uudelleenmuodostuminen matelijoillaEdit

Matelijat pystyvät uudistamaan joitakin ruumiinosiaan, esimerkiksi raajojensa osia, erityyppisiä kudoksia, kuten hermosoluja, silmien linssejä, krokotiileilla ja liskoilla alaleuan ja yläleuan kaaria ja joillakin kilpikonnilla panssaria. Eniten on kuitenkin tutkittu liskojen hännän uusiutumista. Tiedetään, että liskot irrottavat häntänsä autatomiassa hyökkäävän petoeläimen harhauttamiseksi häntätasoihin ennalta muodostettujen katkaisupisteiden avulla, ja kun häntä on amputoitu, uudistuminen alkaa, mutta se ei kuitenkaan saavuta alkuperäistä rakennettaan (luun uudistuminen ei tapahdu), ja useimmissa tapauksissa uudistuminen tapahtuu vain kerran.

Regeneraatioprosessi alkaa epiteelisolujen siirtymisellä haavan ympärille muodostaen apikaalisen epidermiskerroksen (tai apikaalisen korkin), ja muutamaa päivää myöhemmin blastema alkaa muodostua tämän kerroksen alle muodostaen kartiomaisen rakenteen, kuten sammakkoeläimillä. Blastema koostuu erilaistumattomista mesenkyymisoluista, jotka ovat mitoosissa ja järjestäytyvät epiblastin (epiteelisolukerros) ympärille, josta syntyy selkäydin. Aluksi blastemasolut alkavat erilaistua amputaation proksimaalisessa osassa ja synnyttävät fibroblasteja, verisuonia, rasvasoluja ja lymfaattisen järjestelmän soluja. Kun nämä solut ovat vakiintuneet, muut kudokset alkavat muodostua ja luoda yhteyksiä niiden välille, kuten suonien ja valtimoiden muodostuminen, ja sitten alkaa muodostua rustomassaa, joka ympäröi ependymiä ja on jatkoa menettämättä jääneelle selkäytimelle.

Samanaikaisesti blastemasolujen takana ja sivusuunnassa lihasmassat alkavat uudistua ei-amputoituneista lihaksista peräisin olevista myoblasteista, jotka erottautuvat fibroblasteista, joiden kanssa ne jakavat lihasperäiset soluaggregaatit. Niiden välisen affiniteetin ansiosta 4-8 myoblastia alkaa sulautua. Sitten ne asettuvat riviin ja synnyttävät myotubeja, kun taas fibroblastit ryhmittyvät niiden päihin muodostaen sidekudosta, jota kutsutaan myoseptumiksi. Lihaksen uudistumisen loppuvaiheessa nämä myotubit kasvavat ja järjestäytyvät, kun solut ovat sulauttaneet sytoplasmansa muodostaen monitumaisia kuituja, jotka ryhmittyvät halkaisijaltaan samankaltaisiksi myotomeiksi. Tämä eroaa siitä, mitä tapahtuu sammakkoeläimissä, joissa myotubit muodostuvat yhdestä myoblastista ja muuttuvat sitten monitumaisiksi. Ytimien lisääntyminen johtaa lihaksen kasvuun, koska se mahdollistaa lisääntyneen mRNA-synteesin ja siten suuremman määrän supistumiskykyisiä proteiineja, jotka synnyttävät uusia sarkomeereja kuituihin.

Kun häntää kantava lihas on muodostunut, kudos asutetaan uudelleen hermosoluilla, jotka uusiutuvat läheisestä selkäytimestä ja kolmesta viimeisestä selkäytimen gangliosta, jotka ovat lähimpänä uudistuvaa häntää. Lopulta nämä hermot ottavat yhteyttä kaikkiin muihin soluihin, mikä johtaa hännän kasvuun, joka voi valmistua 3-6 kuukaudessa. Samanaikaisesti pyrstön kasvaessa pyrstön epidermiksestä uusiutuu suomuja.

Fibroblastikasvutekijöiden (FGF) 1 ja 2 (happamat ja emäksiset) on osoitettu olevan tärkeässä roolissa hännän regeneraatiossa indusoimalla solujen proliferaatiota, ja niitä on ilmentynyt regeneroivissa kudoksissa, kuten suomuissa, lihaksissa ja verikudoksissa, Uskotaan, että neuronit ja selkäydin voivat itsenäisesti tuottaa FGF:iä, jotka stimuloivat neuroblastien lisääntymistä, jotka puolestaan lähtevät näiltä alueilta ja stimuloivat blastema-soluja tuottamaan muita FGF:iä, jotka puolestaan aktivoivat apikaalisen epidermaalikerroksen, joka puolestaan tuottaa lisää FGF:iä, jotka syötetään takaisin blastema-soluihin, mikä johtaa lisääntymiseen ja kasvuun.

Regeneroituminen nisäkkäilläEdit

Maksan kompensoiva regeneroituminen on mahdollista nisäkkäillä. Tällöin puuttuvat osat eivät kasva uudelleen, vaan jäljellä olevat osat suurentuvat korvaamaan puuttuvan kudoksen menetyksen. Toisin sanoen maksa uudistuu olemassa olevan kudoksen proliferaatiolla, joka ei täysin dedifferentioidu, jokainen solutyyppi säilyttää identiteettinsä eikä blastemamuodostusta tapahdu. Yksi tärkeimmistä proteiineista maksan regeneraatiossa on hepatosyyttien kasvutekijä (HGF), joka on vastuussa useiden alkion proteiinien induktiosta.

Joitakin ihmiskehon osia, jotka voivat itsestään regeneroida, ovat:

• Hiukset
• Kynnet
• Iho
• Hermo
• Silmän limakalvot (buccalinen,…)
• Veri
• Lihas
• Luu
• Maksa

HydraEdit

Vuosikausia sitten huomattiin, että kun hydra katkaistiin kahtia, niin molemmat osat pystyisi uudistamaan puuttuvat osat, ja vaikka tämä organismi leikattaisiin pieniin palasiin (vähintään muutamaan sataan epiteelisoluun), kukin näistä palasista muodostaisi täydellisen pienoishydran. Varhainen regeneraatio tapahtuu Hydrassa aina DNA-synteesin puuttuessa eli morfallaxis-menetelmällä.

Regeneraatio kolmirivisellä pantterimadolla (Hofstenia miamia)Edit

Kolmirivisellä pantterimadolla on etummainen suu, hermosto, jossa on hermosolujen keskittymä päähän, lihaksisto, nielu, sensorinen dorsaalinen ja ventraalinen urospuolinen kopulaatiolaite. Hofstenia osoittautui helposti kasvatettavaksi laboratoriossa, ja se tuotti noin neljä alkiota eläintä kohti viikossa, eli yhteensä 100 s alkiota päivässä laboratorioviljelyssä. Alkiot kuoriutuivat ∼9 päivässä ja niistä tuli sukukypsiä aikuisia ∼8 viikossa. Sen korkea lisääntymisnopeus ja kokonaisregeneraatiokyky tekevät siitä erittäin mielenkiintoisen mallin regeneratiivisille prosesseille.

kolmikaistaisen pantterimadon regeneratiiviset mekanismit mahdollistavat täydellisen kehon uudistumisen, jolloin kaksi uutta yksilöä voi syntyä pitkittäisleikkauksen jälkeen, jolloin eläin jakautuu kahteen puolikkaaseen.

Tämä uudistuminen tapahtuu GRN:n (geenien säätelyverkosto) ansiosta, jossa tuhannet regeneratiiviset geenit aktivoituvat, ja niitä moduloi egr, jolla on kaksinkertainen pioneeri- ja säätelytekijä. Hofstenia miamia -lajissa on pystytty määrittämään egr-runt-nrg-1-geenien säätelykaskadi, joka ensimmäisen 48 tunnin aikana aktivoi kaikki koneistot koko kehon uudistamiseksi Egr-geenin ansiosta.

Regenerointi seeprakalassa (Danio rerio)Edit

Seeprakaloilla on kyky tuottaa suuri määrä jälkeläisiä munapesää kohti, ja ne ovat helppoja ylläpidettäviä keinotekoisissa olosuhteissa. Alkioiden läpinäkyvä väri ja nopea kehitys emon ulkopuolella tekevät seeprakalasta malliorganismin alkionkehityksen tutkimiseen. Lisäksi seeprakaloja käytetään usein regeneratiivisissa tutkimuksissa, koska ne kykenevät tehokkaasti regeneroimaan erilaisia elimiä, kuten eviä, selkäydintä, sydäntä, haimaa ja verkkokalvoa.

Seeprakalojen regeneraatiomekanismi on melko samankaltainen kuin sammakkoeläimillä, vaikka molempien yksilöryhmien raajat eroavat anatomisesti toisistaan suuresti. Näillä kaloilla on suuri uusiutumisprosentti riippuen siitä, mikä osa amputoidaan.

Suomen uusiutuminen: Evät koostuvat luisista säikeistä (lepidotrichia), joiden välissä on verisuonia, hermoja, pigmenttisoluja ja fibroblasteja. Kalojen evien uusiutumista alettiin tutkia 1700-luvulla René-Antoine Dateul de Reáumurin ansiosta, joka havaitsi rapujen raajojen uusiutumisen, ja tutkimukset ovat osoittaneet, että nämä organismit pystyvät uudistamaan koko evän, vaikka 95 prosenttia elimestä olisi poistettu.

Seepran evän regeneraatiotyyppi on epimorfinen, joka koostuu neljästä vaiheesta:

1. Haavan sulkeutuminen
2. Haavan epidermiksen muodostuminen
3. Haavan epidermiksen muodostuminen
4. Haavan epidermiksen muodostuminen
5. Blasteman muodostuminen
6. Blastemasolujen eriytyminen.

Seeprakalan regeneraation luonnos. Vihreä katkoviiva osoittaa leikkauskohdan, minkä jälkeen näkyy haavan epidermiksen ja blasteman muodostuminen. Lopuksi näytetään koko regeneroitunut evä.

Epidermis kontrolloi evän regeneraatiossa solujen erilaistumisen tilaa. Leikkauksen jälkeen epiteeli supistuu nopeasti haavaa ympäröivän epiteelin F-aktiinivälitteisesti. Kun tämä aktiinivälitteinen sulkemisprosessi on saatu päätökseen, haavan epiteelisolut vaeltavat muodostaen haavan epidermiksen (haavaepidermis) tässä epidermiskerroksessa ekspressoituneen β-kateniinin, jonka tehtävänä on ylläpitää solujen välisiä suhteita ja helpottaa migraatiota. Tämän epidermiskerroksen solut eroavat identiteetiltään ympäröivistä epidermissoluista. Tämän epidermisen kerroksen merkitystä on arvioitu useissa tutkimuksissa. On todettu, että jos tämä epidermiskerros poistetaan, uudistumisprosessi pysähtyy. Tämän kerroksen alle alkaa muodostua blastema. Tämän solumassan luonteesta on kaksi hypoteesia: ensimmäisen hypoteesin mukaan blastema muodostuu lepotilassa olevista kantasoluista, jotka aktivoituvat, kun amputaatio suoritetaan; toisen hypoteesin mukaan blastema on peräisin dedifferentioituvista mesenkyymisoluista. Toinen hypoteesi saa tällä hetkellä tukea. Tämän mukaan dedifferentioitumisen jälkeen blastema-solut erilaistuvat edelleen korvatakseen poistetut kudokset. Siirryttäessä blastemavaiheesta laajentumisvaiheeseen tapahtuu sekä morfologisia että molekulaarisia muutoksia, joista jälkimmäiseen kuuluvat muutokset eri geenien ilmentymisessä molemmissa vaiheissa sekä uusien geenien ilmentyminen. Blastemamuodostuksen aikana haavan fibroblastikasvutekijän (wfgf) ilmentyminen on vähäistä, kun taas laajentumisvaiheessa se on paljon suurempaa; wnt3a ei ilmenty blastemamuodostuksen aikana, mutta ilmentyy laajentumisen aikana. Blastema jakautuu kahteen vyöhykkeeseen: distaaliseen ja proksimaaliseen. On oletettavaa, että proksimaalisella vyöhykkeellä tapahtuu mesenkyymisolujen erilaistuminen, vaikka ei olekaan vielä selvää, miten tämä prosessi tapahtuu.

On osoitettu, että eri geeniryhmät, jotka ilmentyvät luurakenteiden kehittyessä seeprakalojen evissä, ilmentyvät uudelleen regeneraation aikana. Myös fibroblastien kasvutekijöiden (FGF) merkitys on osoitettu, sillä ne osallistuvat blastemien muodostumisen signalointiin. Esimerkiksi fibroblastikasvutekijän reseptori 1 on elintärkeä mesenkiimisolujen proliferaatiolle ja sitä seuraavalle blasteeman muodostumiselle, ja msx-perheen geenien (jotka osallistuvat selkärankaisten raajojen kehitykseen) ilmentymisen on myös todettu pitävän muodostuvan raajan distaaliset solut erilaistumattomina. Myös ympäristötekijät voivat vaikuttaa regeneraationopeuteen, sillä 33 °C:n lämpötilassa regeneraatio tapahtuu melkein kaksi kertaa nopeammin kuin 25 °C:n lämpötilassa. Tämän elimen uusiutuminen on myös riippuvainen angiogeneesistä (verisuonten muodostumisesta)

Sydämen uusiutuminen: Seeprakaloilla on suurin selkärankaisista kuvattu kyky sydämen uusiutumiseen. Se on nykyään laajalti käytetty malli niiden molekyylimekanismien tutkimiseen, jotka mahdollistavat sydänlihaksen rakenteellisen ja toiminnallisen palautumisen.

Sydämen regeneraatiossa on joitakin samankaltaisia prosesseja kuin evien regeneraatiossa. Se tapahtuu haavan distaalisessa osassa, ja lihas palautuu myosyytteistä. Kokeet on tehty poistamalla osa kammiosta, ja tämän kudoksen reaktio vammaan on hyperplasia, toisin sanoen uusien kardiomyosyyttien syntyminen.

Vammakohtaan muodostuu aluksi fibriinihyytymä. Toisin kuin nisäkkäillä, tämä fibriinikerros ei korvaudu arpikudoksella, ja itse asiassa haavaan jää hyvin vähän kollageenia vamman jälkeen. Tämän jälkeen fibriinikerros korvataan uudella sydänlihaksella; tämä prosessi kestää yhdestä kahteen kuukautta. Viime aikoina Cre-loxP-tekniikkaa käyttäen tehdyissä polveutumiskokeissa on tunnistettu jo olemassa olevat kardiomyosyytit uusien kardiomyosyyttien lähteenä uudistetulla alueella. Myös muiden sydämessä olevien solutyyppien on todettu osallistuvan uudistumiseen. Epikardiumin (sydämen uloin kerros) solujen on todettu olevan varsin plastisia, sillä ne voivat muuttua mesenkymisiksi soluiksi, siirtyä vauriokohtaan ja osallistua sydänlihaksen muodostumiseen vauriokohtaan sekä sepelvaltimoiden muodostumiseen. Tämä migraatio ja proliferaatio johtuu kahdesta sydänlihaksen kehityksen aikana ilmentyvästä geenistä (tbx18 ja raldh2), jotka ilmentyvät uudelleen vamman syntymisen jälkeen. Myös fibroblastien kasvutekijöillä on ratkaiseva merkitys, kuten on havaittu läppien regeneraatiossa. Sydänkudoksen regeneraatiossa FGF:t ovat välttämättömiä epikardiaaliselle toiminnalle regeneraation aikana; kokeet ovat osoittaneet, että FGF:t ohjaavat solujen siirtymistä epikardiaalisesta tilasta mesenkymaaliseen tilaan sekä edistävät niiden siirtymistä vammakohtaan. FGF:ien lisäksi haavassa indusoituu tymosiini β-4 -proteiinin tuotanto, joka synnyttää sydänlihaksen tiivistymistä.

Yleiskatsaus seeprakalojen sydämen uudistumiseen. 1) Näkymä kammion alueesta. 2) Hyytymien muodostuminen, epikardiaalisten solujen aktivoituminen ja migraatio, sydänlihaksen kantasolujen aktivoituminen. 3) fibriinikerroksen ja uuden lihaskudoksen muodostuminen. 4) Uudistunut kammio.

Verkkokalvon uudistuminen: Toisin kuin nisäkkäillä, teleostikalojen verkkokalvo kasvaa koko elämänsä ajan, verkkokalvon uudistuminen on ominaisuus, jota esiintyy sekä teleostikaloilla että urodelesillä.Yksi tapa tuottaa kaloille verkkokalvovaurioita on altistaa ne suurelle valon intensiteetille, mikä aiheuttaa sekä käpyjen että sauvojen apoptoosin. Regeneroitumisaika vaihtelee sen mukaan, millä menetelmällä kudoksen rappeutuminen tapahtuu. Aluksi uskottiin, että uusien verkkokalvosolujen syntyminen liittyi sauvojen esisolujen lisääntymiseen, mikä viittaa siihen, että nämä solut olivat verkkokalvon uudistuvien solujen tärkein lähde. Viime vuosina tehdyt tutkimukset osoittavat, että Müllerin gliasolut reagoivat nopeasti verkkokalvon vaurioihin solusyklin etenemisellä, lisääntymisellä ja kantasolujen tuottamisella verkkokalvon sisäisestä ydinkerroksesta. On mahdollista, että sauvojen esisolujen, kuten verkkokalvon sisemmän ydinkerroksen solujen, lisääntyminen riippuu verkkokalvon vaurion asteesta. Jotkin alkion verkkokalvon kehityksen aikana ilmentyvistä geeneistä (Notch, delta, rx1 vsx2, N-kadheriini) ilmentyvät myös seeprakalojen fotoreseptoreiden regeneraation aikana. Verkkokalvon poistamisen tai rappeutumisen jälkeen verkkokalvon sisemmässä ja ulommassa ytimellisessä kerroksessa on sekä Müllerin gliasolujen proliferaatiota, minkä jälkeen Müllerin solut ohjaavat proliferatiiviset solut eri vammakohtiin. Näistä proliferatiivisista soluista syntyy uusia verkkokalvon soluja, joilla on kantasolupotentiaalia. Tämä mekanismi eroaa muista regeneraatiotyypeistä, kuten epimorfisesta regeneraatiosta: verkkokalvon gliasolut dedifferentioituvat ja muodostavat neuraalisia kantasoluja, jotka voivat myöhemmin regeneroida fotoreseptoreita. Tähän prosessiin eivät osallistu ainoastaan gliasolut, vaan kun näitä soluja eristetään kokeellisesti muista silmän kudoksista, ei-neuronaaliset solut voivat ohjelmoitua uudelleen niin, että ne muodostavat jälleen verkkokalvon. Signaalimekanismeja, jotka käynnistävät solusyklin gliasoluissa, ei vielä tunneta, vaikka muilla organismeilla tehtyjen tutkimusten perusteella on ehdotettu, että FGF2 ja insuliinin kaltaiset kasvutekijät voivat olla osallisina tällaisessa signaloinnissa.