Asteci su mu pripisivali božanske karakteristike; regenerira noge, moždinu, mrežnicu. Sekvenciran genom meksičkog aksolotla

Sposobnost regeneracije ima i riba zebrica, često korišteni modelni organizam u molekularnoj biologiji. I kod aksolotla i kod zebrice otkrivena je ista vrsta genetičke regulacije procesa regeneracije iako su te životinje imale zajedničkog evolucijskog pretka prije više od 400 milijuna godina. To daje nade da se radi o procesu koji je u evoluciji, unatoč razdvajanju vrsta, ostao genetički sačuvan te da možda postoji potencijal za njegovu aktivaciju i u drugih životinjskih vrsta

• Naslovna slika: Meksički aksolotl.

• dr. sc. Tamara Čačev viša je znanstvena suradnica u Zavodu za molekularnu medicinu Instituta Ruđer Bošković. Čačev je također članica Savjeta Ideje.hr

Tijekom fakuleta jedan od obaveznih kolegija bila je i zoologija. Iako sam uvijek pokazivala više interesa za životinje nego za biljke, nisu me interesirale toliko koliko sam morala o njima učiti. Posebno su mi bile “omiljene” one koje je vjerojatno vidjelo samo nekoliko ljudi na svijetu a svejedno sam o njima morala znati sve detalje kao da se radi o bliskim prijateljima. Ipak, s vremena na vrijeme, došla bih do neke vrste koja me uistinu fascinirala nekim svojim specifičnostima. Jedna od takvih specifičnosti bilo je svojstvo regeneracije pojedinih dijelova tijela. Poznata je ta sposobnost kod zvjezdača, gujavice nekih paukova i žohara, no ona u životinjskom svijetu nije česta, a pogotovo je rijetkost kada se radi o složenijim organizmima poput kralježnjaka koji su daleko odmaknuli na evolucijskoj ljestvici. Sigurno ste čuli i da gušteri u slučaju opasnosti mogu odbaciti rep koji im zatim može ponovno narasti. Takvih primjera regeneracije ima još i kod nekolicine vodozemaca te nekih vrsta riba.

Konceptualno regeneracija i nije nezamisliva. Uostalom, ukoliko je postojao “program” kojim su nastali svi dijelovi tijela tijekom embrionalnog razvoja, zašto ne bi bilo moguće da se takvi programi pokrenu i kasnije tijekom života? Ipak, to se kod velike većine životinja, pa tako i čovjeka, ne događa. Znamo da možemo regenerirati pojedina tkiva poput kože ili jetre ali nemamo sposobnost regeneracije čitavih organa i ekstremiteta. Zamislimo kako bi bilo dobro kada bi se i kod čovjeka moglo postići da se regeneriraju ruka ili noga izgubljeni nesretnim slučajem, zbog kongenitalnog deformiteta ili neke druge bolesti. Argumentacija zašto se to ne događa je da se radi o kompleksnim procesima koji se nakon embriogeneze više nikada ne mogu tako segmentirano i izolirano ponoviti zbog kontrolnih mehanizama koji njima vladaju i koji ih utišavaju kada se stvori organizam.

Ipak,  interes znanstvenika za proučavanje procesa regeneracije je oduvijek postojao. Još u 18. stoljeću opisano je kako neki gušteri mogu regenirati svoje ekstremitete. Do ne tako davno najviše se o samom procesu nastanka i regeneracije organizma spoznalo zahvaljujući istraživanjima u području embriologije. Tek su nam moderne tehnologije omogućile da regeneraciji pristupimo na novi način kroz sekvenciranje gena koji su uključeni u ove procese.

Tako je prošli mjesec objavljen znanstveni članak kako je sekvenciran genom meksičkog aksolotla (Ambystoma mexicanum) te  su mapirane regije genoma mu omogućuju da regenerira svoje udove ili rep ako budu otrgnuti ili oštećeni. Ovaj je vodozemac čije je prirodno stanište jezero u blizini Mexico Citya poznat po tome kako u kratkom periodu od svega nekoliko tjedana može ponovno stvoriti noge kao potpuno funkcionalne strukture s kostima, mišićima i živcima. Također može regenerirati leđnu moždinu te mrežnicu oka. Stoga i ne čudi kako su mu Asteci pripisivali božanske moći. Suvremenoj znanosti postao je dostupan zahvaljujući von Humboldtu koji ga je prenio u Europu gdje se počeo uzgajati u laboratoriju kao modelni organizam još davne 1864. godine. Paradoksalno, danas više jedinki živi u laboratorijima po svijetu nego na njegovom nativnom staništu gdje je postao ugrožena vrsta.

Alexander von Humbolt, prenio ga je u Europu i počeo uzgajati u laboratoriju. Danas više meksičkih aksolotla živi u laboratorijima nego u prirodnom staništu

Sekvenciranje genoma ovog vodozemca bio je iznimno velik zahvat budući da se radi o genomu koji je oko deset puta veći od genoma čovjeka te se radi o jednom od najvećih ikad sekvenciranih genoma.¹ Analizom dobivenih podataka utvrđeno je nekoliko gena koji su specifični za aksolotla ali i za druge vodozemce sa sposobnošću regeneracije, od kojih je posebnu važnost zadobio gen PAX7. Naravno, ova studija je tek početak jer će se tek usporedbom njegovog genoma s drugim organizmima sličnih sposobnosti, te budućim selektivnim funkcionalnim analizama pojedinih gena potencijalnih kandidata u ovim procesima moći detaljnije razjasniti molekulatni procesi koji reguliraju regeneraciju kod ovog tetrapoda.

Kako se odvija proces regeneracije kod aksolotla? Kada životinja ostane bez noge ili repa, na mjestu prekida tkivo se dediferencira, odnosno pojednostavljeno, stanice koje su bile visoko specijalizirane i usmjerene samo na neku specifičnu ulogu, sada opet prelaze u nespecijaliziranu formu i u takvom obliku mogu poslužiti kao stanice iz kojih se mogu diferencirati sve vrste stanica potrebne za stvaranje novog ekstremiteta (Slika 2). Ovo je vanjska manifestacija procesa regeneracije, no tek nedavno se otkrilo koji je genetički potpis ovih promjena, odnosno koje su skupine gena odgovorne za pokretanje ovih procesa.²  Danas se zna da je to dijelom moguće i zato što ovi organizmi čitav život zadržavaju sposobnost postizanja tzv. “pluripotentnosti” stanica odnosno ovog prethodnog procesa de- i re- diferencijacije. Kod čovjeka se nakon rođenja većina takvih pluripotentnih stanica zamjenjuje s tzv. “matičnim” stanicama koje zadržavaju tek limitirani opseg mogućnosti popravka tkiva u kojem se nalaze, kao što su to primjerice koštana srž gdje nastaju nove krvne stanice ili koža gdje se aktiviraju pri zaraštanju rana.

Slika 2. Regeneracija ekstremiteta kod aksolotla; sliku je podigla Catherine D Mccusker.

Sposobnost regeneracije ima i riba zebrica, često korišteni modelni organizam u molekularnoj biologiji. Ono što je bilo posebno zanimljivo jest da je i kod aksolotla i kod zebrice otkrivena ista vrsta genetičke regulacije procesa regeneracije iako su ove životinje imale zajedničkog evolucijskog pretka pred više od 400 milijuna godina. To daje nade da se radi o procesu koji je u evoluciji životinjskog svijeta unatoč razdvajanju vrsta ostao genetički sačuvan te da možda postoji potencijal za njegovu aktivaciju i u drugih životinjskih vrsta ukoliko u njihovom genomu postoji informacija o ovim procesima. Prema nekim znanstvenicima, moguće je da se uopće ne radi o tome da životinje sa sposobnošću regeneracije imaju neke posebne gene za regeneraciju. Najvjerojatnije se radi o sasvim uobičajenim genima koji su međutim regulirani na neuobičajen način kod ovih životinja. To zapravo znači da odgovor o tome kako se odvija proces regeneracije  najvjerojatnije ne leži u samom genetičkom zapisu u molekuli DNA nego u višim razimama regulacije njene funkcije.

Riba zebrica

Na tragu takvih razmišljanja a i činjenice da su nam u evolucijskom smislu od vodozemaca i riba ipak bliži gušteri s početka priče, sposobnost guštera da odbace pa zatim obnove vlastiti rep također je predmet intenzivnog istraživanja. Tako je nedavno analizirana ekspresija gena  guštera Anolis carolinensis i to upravo u tkivu  gdje dolazi do regeneracije. Otkriveno je da u procesu regeneracije repa kod ovog guštera sudjeluje oko tri stotine gena koji su potaknuli aktivnost niza razvojnih molekuarno-signalnih puteva, kao i puteva za popravak tkiva poput onih koji se aktiviraju tijekom zaraštanja rana.³ Također su uočene i strukturalne razlike u samom procesu regeneracije kod guštera u odnosu na vodozemce. Dok se kod vodozemaca rast novog repa odvija pri vrhu i radi se o prije spomentom procesu dediferencijacije stanica, kod guštera je uočeno da se radi o kompleksnijem procesu u koji je uključeno nekoliko tipova stanica na raznim položajima duž novonastalog repa. Ipak uočena je i sličnost u tome da i jedni i drugi aktiviraju signalni put Wnt koji je već dobro poznat kao jedan od ključnih razvojnih signalnih puteva a također je njegova aberantna aktivacija pristuna i u tumorima. Tu se možda krije i dio razloga zašto kod evolucijski viših organizmama nema mogućnosti regeneracije.  Naime, postoje mišljenja kako je to bio svojevrstan ustupak kompleksnosti organizma pa tako on gubi sposobnost regeneracije ali je onda time i manje podložan nastanku tumora.

Ako ćemo ikada biti u mogućnosti barem djelomično rekonstruirati procese regeneracije te njima ovladati barem na razini regeneracije oštećenih tkiva i organa poput hrskavice, mišića srca ili leđne moždine, to bi bio veliki korak naprijed za poboljšanje kvalitete života ljudi. Zahvaljujući sve većim iskoracima u istraživanju regeneracije, nema razloga ne gledati optimistično u budućnost.

Literatura

1) Nowoshilow S, Schloissnig S, Fei J-F, Dahl A, Pang AWC, Pippel M, Winkler S, Hastie AR, Young G, Roscito JG, Falcon F, Knapp D, Powell S, Cruz A, Cao H, Habermann B, Hiller M, Tanaka EM, Myers EW (2018) The axolotl genome and the evolution of key tissue formation regulators. Nature 554;50-55.

2) King BL, Yin VP. (2016) A Conserved MicroRNA Regulatory Circuit Is Differentially Controlled during Limb/Appendage Regeneration. PLOS One. DOI:10.1371/journal.pone.0157106

3) Hutchins ED, Markov GJ, Eckalbar WL, George RM, King JM, Tokuyama MA, i sur. (2014)Transcriptomic Analysis of Tail Regeneration in the Lizard Anolis carolinensis Reveals Activation of Conserved Vertebrate Developmental and Repair Mechanisms. PLOS One. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0105004