Аксолотли — мастера регенерации. Передние клетки и их кончики (фиолетовые) и задние клетки (зелёные) у трансгенного аксолотля обладают чёткой позиционной памятью в регенерирующей конечности. ©Лео Оцуки

В мутных водах мексиканских озёр птицы охотятся на аксолотлей, впиваясь острыми зубами в конечности саламандр и откусывая их. Но в отличие от людей, которые не могут отрастить утраченные конечности, аксолотли — мастера регенерации. На месте ампутации постепенно вырастает почка, которая в конечном счёте превращается в идеальную копию исходной конечности, с большим и мизинцем на правильных сторонах.

Как тело аксолотля узнаёт, что нужно регенерировать конечность в месте отсечения, а не хвост или другую ткань? Отчасти это происходит благодаря позиционной памяти — пространственной идентичности, которую приобретают взрослые клетки во время эмбрионального развития, — которую клетки сохраняют и используют для восстановления правильного органа после травмы.1 «Было неизвестно, как взрослые клетки до ампутации сохраняют информацию о том, что задние и передние клетки отличаются друг от друга», — сказала Элли Танака, биолог-регенератолог из Института молекулярной биотехнологии Австрийской академии наук.

Теперь Танака и ее команда определили сигналы, которые побуждают клетки в конечностях аксолотля восстанавливать ткани, соответствующие тем, которые были утрачены.2 Их результаты, опубликованные в Nature, раскрывают ключевые молекулярные механизмы регенерации органов, что имеет значение для регенеративной медицины и тканевой инженерии.

«[Результаты] дают нам некоторое представление о том, какие инструкции, вероятно, будут более эффективными для программирования клеток с целью создания идеальной конечности», — сказала Джессика Уайт, биолог-регенератолог из Гарвардского университета, которая не участвовала в исследовании. «Это действительно детальное и надёжное исследование, которое было необходимо для того, чтобы по-настоящему понять, как это происходит». Она добавила: «[Это] фундаментальная биологическая работа в то время, когда фундаментальная биология подвергается критике, особенно здесь, в Соединённых Штатах».

Ранее Танака и её команда обнаружили, что стволовые клетки, расположенные рядом с большим пальцем на передней стороне регенерирующей руки аксолотля, выделяют фактор роста фибробластов 8, в то время как стволовые клетки, расположенные рядом с мизинцем, экспрессируют Sonic hedgehog (Shh) — белок, участвующий в эмбриональном развитии.3 Эта сигнальная петля определяет формирование регенерирующей руки.

В рамках настоящего исследования учёные хотели лучше понять молекулярные сигналы, участвующие в этой системе регенерации, уделяя особое внимание регуляции экспрессии Shh в задней части конечности. Они сравнили транскрипционные профили передних и задних клеток в интактных конечностях аксолотля и обнаружили сотни генов, экспрессия которых различается. Среди них выделялась одна: в задних клетках значительно повысилась экспрессия гена под названием Heart and Neural Crest Derivatives Expressed 2 (Hand2), который, как известно, индуцирует Shh у мышей и рыбок данио.4,5 «Когда [мы] увидели название этого гена, у нас по спине побежали мурашки», — вспоминает Лео Оцуки, биолог-регенератолог из лаборатории Танаки. Предыдущие исследования показали, что Hand2 важен для развития конечностей у эмбрионов.

Когда исследователи отрезали аксолотлям руки, экспрессия Hand2 резко возросла и вернулась к исходному уровню после регенерации конечности. Отследив происхождение клеток, которые экспрессировали этот ген во время эмбрионального развития, команда обнаружила, что эти клетки сохраняются в задней части руки и во взрослом возрасте и являются частью пальцев, которые регенерируют после травмы. Клетки Hand2 также экспрессировали Shh во время регенерации.

Чтобы исследовать, кодирует ли Hand2 заднюю позиционную память, Танака и ее команда экспрессировали ген на передней стороне конечности, где он обычно не экспрессируется. Это привело к росту новой конечности из этого места, что согласуется с предыдущими сообщениями о внематочном развитии конечности из-за переднезаднего разрыва.Экспрессия Hand2 в этих передних клетках “апостериоризировала” их; теперь они экспрессировали гены, связанные с апостериорной идентичностью.6

Затем исследователи изучили пластичность клеточных идентичностей. Они ввели передние клетки одного животного в заднюю часть тела другого и через две недели ампутировали лапу. Во время регенерации пересаженные передние клетки экспрессировали маркеры задних клеток, что указывает на их трансформацию в задние клетки.

Танака и её команда выдвинули гипотезу о том, что воздействие на трансплантированные передние клетки эндогенного Shh, выделяемого задними клетками, могло привести к их превращению в задние клетки. Подавление передачи сигналов Shh во время регенерации предотвратило активацию Hand2 и заблокировало превращение трансплантированных передних клеток в задние. И наоборот, обработка передних клеток активатором Shh во время регенерации повысила экспрессию Hand2, придав им свойства задних клеток, что подтвердило, что передача сигналов Shh достаточна для индукции экспрессии Hand2 и формирования позиционной памяти задних клеток. В целом результаты показали наличие положительной обратной связи между Hand2 и Shh при кодировании последующей памяти.

«[Результаты] позволяют определить, какое именно лицо или молекула отвечают за позиционную память», — сказал Танака.

Оцуки добавил, что полученные результаты «позволяют сосредоточить внимание на животных, не обладающих способностью к регенерации, чтобы выяснить, какая часть этого процесса работает, а какая нет». Он продолжил: «Этот ген есть и у людей, так что, возможно, наше исследование когда-нибудь поможет лучше понять и человеческий организм».

Уайт считает, что это исследование поможет лучше понять процесс регенерации конечностей, а в будущем его результаты можно будет применить в тканевой инженерии и регенеративной медицине. Например, исследователи могли бы давать клеткам-предшественникам в пробирке конкретные инструкции по выращиванию конечности.7

Однако она отметила: «У конечностей есть не одна ось». Таким образом, будущие исследования могут быть направлены на интеграцию этих результатов с данными о молекулах, участвующих в дорсально-вентральной и проксимально-дистальной полярности.

Оцуки согласился. «Мы добились хороших результатов в работе над каждой осью по отдельности, но как [нам] собрать все координаты воедино и воссоздать все трёхмерные детали?» — спросил он. «Это будет непросто для тех, кто занимается интерфейсом между биологией и инженерией».

Ссылки:

1. Оцуки Л., Танака Э. М. Позиционная память в регенерации позвоночных: столетние наблюдения за конечностями саламандр. Cold Spring Harb Perspect Biol. 2022;14(6):a040899.

2. Оцуки Л. и др. Молекулярные основы позиционной памяти при регенерации конечностей. Nature. 2025;642: 730–738

3. Наку Э. и др. FGF8 и SHH заменяют взаимодействие передних и задних тканей, стимулируя регенерацию конечностей. Nature. 2016;533(7603):407-410.

4. Шарите Ж. и др. Транскрипционный фактор bHLH dHAND контролирует Sonic hedgehog экспрессию и формирование зоны поляризационной активности во время развития конечностей. Development. 2000;127(11):2461-2470.

5. Йелон Д. и др. Транскрипционный фактор bHLH Hand2 играет параллельную роль в развитии сердца и грудных плавников у рыбок данио. Development. 2000;127(12):2573-2582.

6. Эндо Т. и др. Поэтапная модельная система для регенерации конечностей. Dev Biol. 2004;270(1):135-145.

7. Чен И. и др. Получение клеток-предшественников конечностей из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток для стимуляции регенерации фаланг у взрослых мышей. Cell Discov. 2017;3:17046.