Rozdíly v regenerační schopnosti u obratlovců
Jedním z dlouhodobých témat v oblasti komparativní biologie je snaha porozumět, proč dospělí jedinci některých druhů dokáží plně regenerovat ztracené tkáně po zranění, zatímco savci, včetně člověka, tuto schopnost nemají. V minulosti bylo učiněno několik dílčích pokroků v identifikaci potenciálně významných rozdílů v buněčné biochemii a aktivitě, například práce zaměřená na senescentní buňky a makrofágy, avšak výzva plného pochopení a replikace regeneračních procesů zůstává nevyřešena. Nové údaje se soustředí na roli vnímání kyslíku v počáteční reakci na zranění. Zatím není jasné, zda tento výzkum povede k dramatickým zlepšením v regeneraci savců, nicméně práce naznačuje, že regenerace by mohla být zlepšena manipulací s vnímáním kyslíku v poškozených tkáních.
Regenerace končetin u živočichů začíná hojením rány. Po amputaci musí buňky v místě zranění rychle uzavřít ránu a přepnout se do regenerativních buněčných typů. U obojživelníků, jako jsou mloci nebo pulci žab, tento proces probíhá hladce a jsou schopni obnovit celé končetiny. U savců se však proces zastaví v rané fázi. Uzavření rány je pomalé a dominantní se stává tvorba jizvy, která blokuje regeneraci. Jedním z klíčových rozdílů spočívá v prostředí. Larvy obojživelníků se vyvíjejí ve vodě, kde jsou hladiny kyslíku nižší než ve vzduchu. Mnoho druhů schopných regenerace žije v aquatic environments, zatímco savčí tkáně jsou po zranění obvykle vystaveny vyšším hladinám kyslíku.
V nedávné studii výzkumníci amputovali vyvíjející se končetiny žabích pulců a myších embryí a kultivovali je mimo tělo za kontrolovaných kyslíkových podmínek. Hladiny kyslíku byly sníženy tak, aby odpovídaly vodnímu prostředí, nebo naopak zvýšeny na úrovně blízké vzduchu. Sledovali, jak buňky reagovaly, měřením uzavírání ran, pohybu buněk, genové aktivity, metabolismu a epigenetických stavů, včetně změn v DNA packaging. Práce se zaměřila na protein HIF1A, který funguje jako buněčný senzor kyslíku. Když je hladina kyslíku nízká, HIF1A se stává stabilním a aktivuje programy, které připravují půdu pro hojení ran a regeneraci.
Snížení hladiny kyslíku mělo zřetelný účinek na končetiny myších embryí. Za sníženého kyslíku buňky myší rychleji uzavíraly rány a vykazovaly známky vstupu do regenerativního programu. Stabilizace proteinu HIF1A vyvolala podobné účinky, a to i v případě, že hladiny kyslíku zůstaly vysoké. Pulci žab se chovali odlišně. Jejich končetiny účinně regenerovaly v širokém rozsahu hladin kyslíku, včetně hladin výrazně vyšších, než jaké se běžně vyskytují ve vzduchu. Molekulární analýza ukázala, že jejich buňky udržují stabilní aktivitu HIF1A, i když se kyslík zvyšuje, což je způsobeno nízkou expresí genů, které normálně tuto signal transduction pathway vypínají.
Porovnáním dat od žab, axolotlů, myší a lidí, tým zjistil konzistentní vzor. Obojživelníci schopní regenerace vykazují sníženou kapacitu vnímání kyslíku, což umožňuje zahájení a udržení regenerativních programů. Savci vykazují opačný vzor. Jejich buňky silně reagují na kyslík a brzy po zranění regenerativní programy vypínají. Tyto výsledky naznačují, že savčí končetiny si v raných fázích zachovávají latentní regenerační potenciál, v závislosti na tom, jak buňky reagují na environmentální signály, jako je kyslík. To by v budoucnu mohlo znamenat, že úprava oxygen-sensing pathways by jednoho dne mohla zlepšit hojení ran nebo regenerační odezvy u lidí.