Występowanie regeneracji w wielu filiach zwierząt, jak również powszechna obecność zdolności do regeneracji całego ciała w bazalnych liniach metazoan, w kilku filiach lophotrochozoans i deuterostomates prowadzi nas do przekonania, że przodek metazoans miał powszechną zdolność do regeneracji. Filogenetyczny rozkład regeneracji również wskazuje, że zdolność ta została ograniczona i/lub utracona w powtarzających się zdarzeniach.
Istnieje kilka hipotez dotyczących utrzymania regeneracji, hipoteza adaptacyjna, plejotropia i inercja filogenetyczna.
- W pierwszej hipotezie regeneracja byłaby utrzymywana przez selekcję, a zatem utrata struktury musi być powszechna, jej brak musi mieć koszt dla organizmu, a korzyść z regeneracji musi przewyższać jej koszt. Przykładem tego typu struktury byłyby ogony jaszczurek i salamander, jednak u Hydry i planariów, dwóch grup zwierząt o największych zdolnościach regeneracyjnych, nie ma dowodów na występowanie amputacji w przyrodzie, więc w tych przypadkach hipoteza adaptacyjna nie znalazłaby poparcia.
- Druga hipoteza postuluje, że zdolność do regeneracji danej struktury jest silnie związana z innym zjawiskiem, takim jak rozmnażanie bezpłciowe, wzrost, embriogeneza lub regeneracja innej struktury. Klady takie jak knidaria, u których regeneracja i wzrost oparte są na podobnych mechanizmach, są kandydatami do badań nad utrzymaniem regeneracji przez plejotropię.
- Trzecia hipoteza proponuje, że utrzymanie regeneracji zachodzi z powodów historycznych, tzn. regeneracja byłaby cechą przodków, która nie została utracona.
Regeneracja u planariiEdit
Jednym z organizmów, u których proces regeneracji został najlepiej zbadany, są planarie, dwustronnie symetryczne metazoany należące do gromady Platyhelminthes. Od kilku wieków wiadomo, że po przecięciu tych organizmów w środku, połowa głowy regeneruje ogon, a połowa ogona regeneruje głowę.
Po przecięciu cienka warstwa nabłonka pokrywa ranę, zarówno grzbietowe, jak i brzuszne komórki nabłonka tracą swoją charakterystyczną morfologię w miarę pokrywania rany. U zwierząt po amputacjach, w pobliżu miejsca rany wykrywa się szczyt proliferacji komórek, co prowadzi do wytworzenia nabłonkowo-mezenchymalnego zarodka, znanego jako blastema regeneracyjna. Obserwowana proliferacja komórek jest ograniczona do populacji małych, wysoce niezróżnicowanych komórek z dużymi jądrami i niewielką ilością cytoplazmy. Komórki te znane są jako neoblasty.
Istnieją dwie hipotezy dotyczące źródła neoblastów, z jednej strony mogą one powstać z odróżnicowania komórek somatycznych, a z drugiej strony z samoodnowy komórek macierzystych, dowody wskazują na to, że neoblasty są totipotencjalnymi komórkami macierzystymi.
Regeneracja przez tworzenie blastemy nie tworzy wszystkich struktur planariów; to tkanka znajdująca się poniżej blastemy jest odpowiedzialna za regenerację innych struktur przez remodelowanie, czyli przez morfaksję. Proces regeneracji u planariów jest więc wynikiem połączenia dwóch głównych mechanizmów, epimorfozy i morfaksji.
Regeneracja u salamandryEdit
Regeneracja kończyn u salamandry zachodzi na drodze epimorfozy, komórki są zdolne do odbudowy całej kończyny w razie potrzeby, ale mogą też odbudować tylko brakujące części. Po amputacji, między 6 a 12 godziną, komórki endodermalne pokrywają ranę, ta warstwa zwana naskórkiem rany proliferuje tworząc czapeczkę ektodermalną. W ciągu kilku następnych dni komórki pod czapeczką ulegają dediferacji tworząc masę – blastemę regeneracyjną. Geny ulegające ekspresji w tkankach zróżnicowanych są wyciszone, natomiast ekspresja genów związanych z kończyną embrionalną jest gwałtownie zwiększona. Komórki te kontynuują proliferację i ostatecznie redifunkcjonują, tworząc nowe struktury limb.
Regeneracja u gadówEdit
Gady mogą regenerować niektóre części ciała, na przykład części kończyn; różne rodzaje tkanek, w tym komórki nerwowe; soczewki oczu; łuki żuchwowe i szczękowe u krokodyli i jaszczurek; pancerz u niektórych żółwi. Najwięcej badań dotyczy jednak regeneracji ogona u jaszczurek. Wiadomo, że jaszczurki uwalniają ogon przez autotomię w celu odwrócenia uwagi atakującego drapieżnika, za pomocą wcześniej przygotowanych punktów złamania w płaszczyznach ogona, a po amputacji ogona rozpoczyna się regeneracja, ale bez osiągnięcia pierwotnej struktury (brak regeneracji kości), w większości przypadków regeneracja następuje tylko raz.
Proces regeneracji rozpoczyna się od migracji komórek nabłonkowych wokół rany w celu utworzenia wierzchołkowej warstwy naskórka (lub czapeczki wierzchołkowej), kilka dni później pod tą warstwą zaczyna się tworzyć blastema, tworząc strukturę stożkową, jak u płazów. Blastema składa się z niezróżnicowanych komórek mezenchymalnych, które są w fazie mitozy i organizują się wokół epiblastu (warstwy komórek nabłonkowych), z którego powstanie rdzeń kręgowy. Początkowo komórki blastemy zaczynają się różnicować w proksymalnej części amputacji dając początek fibroblastom, naczyniom krwionośnym, komórkom tłuszczowym i komórkom układu limfatycznego. Po ustaleniu tych komórek, inne tkanki zaczynają się tworzyć i generować połączenia między nimi, takie jak tworzenie żył i tętnic, a następnie zaczynają tworzyć masę chrząstki, która otacza ependymis jako kontynuację rdzenia kręgowego, który nie został utracony.
W tym samym czasie za i bocznie od komórek blastemy, masy mięśniowe zaczynają się regenerować z mioblastów pochodzących z mięśni nieamputowanych, które oddzielają się od fibroblastów, z którymi dzielą agregaty komórek pochodzenia mięśniowego. Poprzez powinowactwo między nimi, 4 do 8 mioblastów zaczyna się łączyć. Następnie ustawiają się one w linii i wytwarzają miotuby, podczas gdy fibroblasty skupiają się na ich końcach, tworząc tkankę łączną, zwaną myoseptum. Ostatni etap regeneracji mięśni prowadzi do wzrostu i organizacji tych miotub, w których komórki połączyły swoją cytoplazmę, tworząc wielojądrowe włókna, które łączą się w miotomy o podobnej średnicy. Różni się to od tego, co dzieje się u płazów, gdzie miotuby powstają z pojedynczego mioblastu, a następnie stają się wielojądrowe. Wzrost liczby jąder generuje wzrost mięśni, ponieważ umożliwia większą syntezę mRNA, a tym samym większą liczbę białek kurczliwych, które generują nowe sarkomery we włóknach.
Od momentu powstania mięśnia podtrzymującego ogon, tkanka jest rekolonizowana przez komórki nerwowe, które regenerują się z pobliskiego rdzenia kręgowego i trzech ostatnich zwojów kręgowych najbliższych regenerującemu się ogonowi. Ostatecznie nerwy te nawiązują kontakt z pozostałymi komórkami prowadząc do wzrostu ogona, który może być zakończony w ciągu 3-6 miesięcy. W tym samym czasie, gdy ogon rośnie, łuski regenerują się z naskórka ogona.
Fibroblastyczne czynniki wzrostu (FGFs) 1 i 2 (odpowiednio kwaśne i zasadowe) odgrywają ważną rolę w regeneracji ogona poprzez indukowanie proliferacji komórek, i zostały wyrażone w regenerujących się tkankach, takich jak łuski, mięśnie, tkanki krwi, Uważa się, że neurony i rdzeń kręgowy mogą autonomicznie generować FGF-y, które stymulują proliferację neuroblastów, które z kolei opuszczają te obszary i stymulują komórki blastemy do produkcji innych FGF-ów, które z kolei aktywują apikalną warstwę naskórka, która z kolei produkuje więcej FGF-ów, które zasilają z powrotem komórki blastemy, co prowadzi do proliferacji i wzrostu.
Regeneracja u ssakówEdit
Kompensacyjna regeneracja wątroby jest możliwa u ssaków. W tym przypadku brakujące części nie odrastają, pozostałe części ulegają powiększeniu, aby zrekompensować utratę brakującej tkanki. Innymi słowy, wątroba regeneruje się poprzez proliferację istniejącej tkanki, która nie ulega całkowitej dedyferencjacji, każdy typ komórki zachowuje swoją tożsamość i nie dochodzi do tworzenia blastemy. Jednym z najważniejszych białek w regeneracji wątroby jest czynnik wzrostu hepatocytów (HGF), który jest odpowiedzialny za indukcję kilku białek embrionalnych.
Niektóre części ciała ludzkiego, które mogą się samoistnie regenerować to:
- Włosy
- Paznokcie
- Skóra
- Błona śluzowa (policzkowa, pokarmowa,…)
- Krew
- Mięśnie
- Kości
- Wątroba
Regeneracja w HydrzeEdit
Od lat zauważono, że kiedy hydra została przecięta na pół, oba kawałki mógłby zregenerować brakujące części i nawet gdyby organizm ten został pocięty na małe kawałki (co najmniej kilkaset komórek nabłonkowych), każdy z nich zregenerowałby kompletną miniaturową hydrę. Wczesna regeneracja u Hydry zachodzi zawsze przy braku syntezy DNA tj. przez morfalaksję.
Regeneracja u trójpaskowego robaka panterowatego (Hofstenia miamia)Edit
Trójpaskowy robak panterowaty ma przedni otwór gębowy, układ nerwowy z koncentracją neuronów w głowie, muskulaturę, gardło, czuciowy grzbietowy i brzuszny męski aparat kopulacyjny. Hofstenia okazała się łatwo podatna na hodowlę laboratoryjną, produkując około czterech zarodków na zwierzę tygodniowo, co daje w sumie 100 zarodków dziennie w naszej hodowli laboratoryjnej. Zarodki wykluwały się w ciągu ∼ 9 dni, a stawały się dojrzałymi płciowo osobnikami dorosłymi w ciągu ∼ 8 tygodni. Jego wysoki wskaźnik reprodukcji i całkowita zdolność do regeneracji czynią go bardzo interesującym modelem dla procesów regeneracyjnych.
mechanizmy regeneracyjne robaka pantery trójpaskowej pozwalają na całkowitą regenerację ciała, umożliwiając powstanie dwóch nowych osobników po cięciu podłużnym, dzielącym zwierzę na dwie połowy.
taka regeneracja zachodzi dzięki sieci GRN (gene regulatory network), w której aktywowane są tysiące genów regeneracyjnych, modulowanych przez egr, który ma podwójny czynnik pionierski i regulacyjny. Udało się ustalić kaskadę regulacyjną genów egr-runt-nrg-1 u Hofstenia miamia, która w ciągu pierwszych 48 godzin aktywuje całą maszynerię do regeneracji całego ciała dzięki genowi Egr.
Regeneracja u zeberek (Danio rerio)Edycja
Zebrafish mają zdolność do produkcji dużej liczby potomstwa z jednego pęczka jaj i są łatwe do utrzymania w sztucznych warunkach. Przezroczysta barwa embrionów i ich szybki rozwój poza organizmem matki sprawiają, że zebrafish jest modelowym organizmem do badania rozwoju embrionalnego. Ponadto, zebrafish są często wykorzystywane w badaniach regeneracyjnych ze względu na ich zdolność do skutecznej regeneracji różnych narządów, w tym płetw, rdzenia kręgowego, serca, trzustki i siatkówki.
Mechanizm regeneracji u zebrafish jest dość podobny do tego u płazów, mimo że kończyny w obu grupach osobników są bardzo różne anatomicznie. Ryby te wykazują wysoki procent regeneracji w zależności od tego, która część jest amputowana.
Regeneracja płetw: Płetwy składają się z promieni kostnych (lepidotrichia), między każdym promieniem znajdują się naczynia krwionośne, nerwy, komórki pigmentowe i fibroblasty. Badania nad regeneracją płetw u ryb rozpoczęły się w XVIII wieku dzięki René-Antoine Dateul de Reáumur, który zaobserwował regenerację kończyny u raków, a badania wykazały, że organizmy te potrafią zregenerować całą płetwę, nawet jeśli 95% organu zostało usunięte.
Typ regeneracji w płetwie zebry jest epimorficzny, który składa się z czterech etapów:
- Zamykanie rany
- Tworzenie naskórka rany
- Tworzenie naskórka rany
- Tworzenie blastemy
- Różnicowanie komórek blastemy.
W regeneracji płetw, naskórek kontroluje stan różnicowania się komórek. Po wycięciu dochodzi do szybkiego skurczu nabłonka wokół rany z udziałem F-aktyny. Po zakończeniu tego zapośredniczonego przez aktynę procesu zamykania, komórki nabłonkowe rany migrują, tworząc naskórek rany (wound epidermis) w tej warstwie naskórka z ekspresją β-kateniny, której zadaniem jest utrzymywanie relacji międzykomórkowych i ułatwianie migracji. Komórki tej warstwy naskórka mają inną tożsamość niż otaczające je komórki epidermy. Przeprowadzono wiele badań mających na celu ocenę znaczenia tej warstwy naskórka. Stwierdzono, że jeśli ta warstwa naskórka zostanie usunięta, proces regeneracji zostanie zatrzymany. Pod tą warstwą zaczyna tworzyć się blastema. Istnieją dwie hipotezy dotyczące natury tej masy komórkowej: pierwsza hipoteza mówi, że blastema powstaje z puli uśpionych komórek macierzystych, które są aktywowane podczas amputacji; druga hipoteza mówi, że blastema pochodzi z komórek mezenchymalnych, które ulegają dediferacji. Druga hipoteza jest obecnie wspierana. Zgodnie z powyższym, po dedifferentyzacji, komórki blastemy ulegają dalszemu różnicowaniu, aby zastąpić usunięte tkanki. Przejście od stadium blastemy do stadium rozrostu wykazuje zarówno zmiany morfologiczne, jak i molekularne, przy czym te ostatnie obejmują zmiany w ekspresji różnych genów w obu stadiach, jak również ekspresję nowych genów. Podczas tworzenia blastemy ekspresja czynnika wzrostu fibroblastów rany (wfgf) jest niska, podczas gdy w fazie rozrostu jest znacznie wyższa; wnt3a nie ulega ekspresji podczas tworzenia blastemy, ale ulega ekspresji podczas rozrostu. Blastema dzieli się na dwie strefy: dystalną i proksymalną. Przypuszcza się, że w strefie proksymalnej zachodzi różnicowanie komórek mezenchymalnych, choć nie jest jeszcze jasne, jak ten proces zachodzi.
Wykazano, że różne grupy genów ulegających ekspresji podczas rozwoju struktur kostnych w płetwach zebrafa ulegają reekspresji w czasie regeneracji. Wykazano również znaczenie czynników wzrostu fibroblastów (FGFs), które biorą udział w sygnalizacji powstawania blastemy. Na przykład, receptor 1 czynnika wzrostu fibroblastów ma istotne znaczenie dla proliferacji komórek mezenchymalnych i późniejszego tworzenia blastemy, a ekspresja genów rodziny msx (zaangażowanych w rozwój kończyn kręgowców) również została odkryta w celu utrzymania niezróżnicowanych komórek dystalnych tworzącej się kończyny. Na tempo regeneracji mogą również wpływać czynniki środowiskowe, w temperaturze 33°C zachodzi ona prawie dwukrotnie szybciej niż w temperaturze 25°C. Regeneracja tego organu jest również zależna od angiogenezy (tworzenie naczyń krwionośnych)
Regeneracja serca: Zebrafish wykazują największą zdolność do regeneracji serca opisaną u kręgowców. Jest to obecnie szeroko stosowany model do badania mechanizmów molekularnych, które umożliwiają strukturalną i funkcjonalną odbudowę mięśnia sercowego.
Regeneracja serca wykazuje pewne procesy podobne do tych przedstawionych w regeneracji płetw. Dochodzi do niego w dystalnej części rany, a mięsień odbudowuje się z miocytów. Przeprowadzono eksperymenty polegające na usunięciu części komory, a odpowiedzią tej tkanki na uraz jest hiperplazja, czyli inaczej mówiąc tworzenie nowych kardiomiocytów.
W początkowym okresie w miejscu urazu tworzy się skrzep fibrynowy. Inaczej niż u ssaków, ta warstwa fibryny nie jest zastępowana przez tkankę bliznowatą, w rzeczywistości bardzo mało kolagenu pozostaje w ranie po urazie. Ta warstwa fibryny jest następnie zastępowana przez nowy mięsień sercowy; proces ten trwa od jednego do dwóch miesięcy. Eksperymenty z wykorzystaniem technologii Cre-loxP pozwoliły zidentyfikować wcześniej istniejące kardiomiocyty jako źródło nowych kardiomiocytów w regenerowanym obszarze. Stwierdzono, że inne typy komórek obecnych w sercu również biorą udział w regeneracji. Stwierdzono, że komórki nasierdzia (zewnętrznej warstwy serca) są dość plastyczne, ponieważ mogą przekształcać się w komórki mezenchymalne, migrować do miejsca uszkodzenia i przyczyniać się do tworzenia mięśniówki serca w miejscu uszkodzenia, jak również do tworzenia naczyń wieńcowych. Za tę migrację i proliferację odpowiedzialne są dwa geny ulegające ekspresji podczas rozwoju mięśnia sercowego (tbx18 i raldh2), które ulegają reekspresji po wytworzeniu urazu. Istotne znaczenie mają również czynniki wzrostu fibroblastów, co zaobserwowano w regeneracji płatów. W regeneracji tkanki sercowej FGFs są niezbędne dla aktywności nasierdzia podczas regeneracji; eksperymenty wykazały, że FGFs kierują przejściem komórek ze stanu nasierdzia do stanu mezenchymalnego, jak również promują ich migrację do miejsca uszkodzenia. Oprócz FGFs, produkcja białka Thymosin β-4 jest indukowana w ranie i generuje zagęszczenie mięśnia sercowego.
Regeneracja siatkówki: W przeciwieństwie do ssaków, siatkówka u ryb teleostowych rośnie przez całe życie, regeneracja siatkówki jest cechą obecną zarówno u ryb teleostowych, jak i urodeles.Jednym ze sposobów generowania uszkodzeń siatkówki u ryb jest ekspozycja na światło o dużym natężeniu, co indukuje apoptozę zarówno czopków jak i pręcików. Czas regeneracji jest różny w zależności od sposobu, w jaki następuje degeneracja tkanki. Początkowo sądzono, że generowanie nowych komórek siatkówki związane jest z proliferacją komórek progenitorowych pręcików, co sugerowało, że to właśnie te komórki są głównym źródłem komórek regeneracyjnych siatkówki. Prace ostatnich lat wskazują, że komórki glejowe Müllera szybko reagują na uszkodzenie siatkówki poprzez progresję cyklu komórkowego, proliferację i produkcję komórek macierzystych z wewnętrznej warstwy jądrowej siatkówki. Jest możliwe, że proliferacja komórek progenitorowych pręcików, takich jak komórki warstwy jądrowej siatkówki wewnętrznej, zależy od stopnia uszkodzenia siatkówki. Niektóre z genów ulegaj±cych ekspresji podczas rozwoju embrionalnego siatkówki (Notch, delta, rx1 vsx2, N-kadheryna) ulegaj± również ekspresji podczas regeneracji fotoreceptorów u zeberek. Po usunięciu lub degeneracji siatkówki dochodzi do proliferacji komórek glejowych Müllera w wewnętrznej i zewnętrznej warstwie j±drowej siatkówki, a komórki Müllera kieruj± komórki proliferacyjne do różnych miejsc uszkodzenia. To właśnie te proliferujące komórki dadzą początek nowym komórkom siatkówki, które, jak się uważa, mają potencjał komórek macierzystych. Mechanizm ten różni się od innych rodzajów regeneracji, takich jak regeneracja epimorficzna: komórki glejowe siatkówki ulegają dediferacji i tworzą neuronalne komórki macierzyste, które mogą później regenerować fotoreceptory. Nie tylko komórki glejowe biorą udział w tym procesie, kiedy komórki te są eksperymentalnie izolowane z innych tkanek oka, komórki nieneuronalne mogą być poddane przeprogramowaniu, aby ponownie utworzyć siatkówkę. Mechanizmy sygnalizacji, które indukuj± cykl komórkowy w komórkach glejowych nie s± jeszcze znane, chociaż na podstawie badań przeprowadzonych na innych organizmach przypuszcza się, że FGF2 i insulinopodobne czynniki wzrostu mog± być zaangażowane w tak± sygnalizację.