Το Salamander's Genome Guards Secrets of Limb Regrowth

Σε ένα εργαστήριο στο Brigham and Women’s Hospital στη Βοστώνη, περίπου 2.800 από τις σαλαμάνδρες που ονομάζονται axolotls παρασύρονται σε δεξαμενές και κύπελλα, γεμίζοντας ράφια από το δάπεδο μέχρι την οροφή. Από κοντά, τα axolotls είναι απλώς στην χαριτωμένη πλευρά του εξωγήινου. Έχουν σαρκώδη ροζ σώματα και αδίστακτα πρόσωπα με μάτια τοίχου. Σε αντίθεση με τις περισσότερες σαλαμάνδρες, οι οποίες μεταμορφώνονται σε κατοίκους της γης καθώς μεγαλώνουν, οι αξολότλες συνήθως διατηρούν τη νεανική υδάτινη μορφή τους για όλη τους τη ζωή. Φορούν τα βράγχια τους στο εξωτερικό, ένα σύνολο από τρία πουπουλένια κέρατα σε κάθε πλευρά του κεφαλιού. Τα χέρια τους με τα τέσσερα δάχτυλα με μαύρα νύχια είναι ευαίσθητα και αόριστα ανθρώπινα — αλλά ίσως είναι καλύτερο να μην σταθούμε σε αυτό, δεδομένης της δουλειάς που γίνεται εδώ.

Σε ένα από τα ζώα που βλέπει λείπει ένα μέλος που είχε ακρωτηριαστεί 11 ημέρες νωρίτερα. Το κούτσουρο έχει ένα κοκκινωπό ταύρο-μάτι ορατό στο κέντρο του. Είναι το μπουμπούκι ενός νέου βραχίονα.

Οι σαλαμάνδρες είναι πρωταθλητές στην αναγέννηση χαμένων μερών του σώματος. Ένας επίπεδος σκώληκας που ονομάζεται planarian μπορεί να αναπτυχθεί ξανά ολόκληρο το σώμα του από ένα κομμάτι ιστού, αλλά είναι ένα πολύ μικρό, απλό πλάσμα. Τα ψάρια ζέβρα μπορούν να μεγαλώσουν ξανά την ουρά τους καθ 'όλη τη διάρκεια της ζωής τους. Οι άνθρωποι, μαζί με άλλα θηλαστικά, μπορούν να αναγεννήσουν τα χαμένα μπουμπούκια των άκρων ως έμβρυα. Ως μικρά παιδιά, μπορούμε να μεγαλώσουμε ξανά τα δάχτυλά μας. τα ποντίκια μπορούν ακόμα να το κάνουν αυτό ως ενήλικες. Ωστόσο, οι σαλαμάνδρες ξεχωρίζουν ως τα μόνα σπονδυλωτά που μπορούν να αντικαταστήσουν πολύπλοκα μέρη του σώματος που χάνονται σε οποιαδήποτε ηλικία, γι' αυτό οι ερευνητές που αναζητούν απαντήσεις σχετικά με την αναγέννηση στρέφονται τόσο συχνά σε αυτές.

Ενώ οι ερευνητές που μελετούσαν ζώα όπως τα ποντίκια και οι μύγες προχώρησαν στη γονιδιωματική ηλικία, ωστόσο, όσοι εργάζονταν σε αξολότλες έμειναν πίσω. Ένα εμπόδιο ήταν ότι τα axolotls ζουν περισσότερο και ωριμάζουν πιο αργά από τα περισσότερα ζώα εργαστηρίου, γεγονός που τα καθιστά δυσκίνητα υποκείμενα για γενετικά πειράματα. Ακόμη χειρότερα, το τεράστιο και επαναλαμβανόμενο γονιδίωμα του axolotl αντιστάθηκε πεισματικά στην αλληλούχιση.

Στη συνέχεια, μια ευρωπαϊκή ερευνητική ομάδα ξεπέρασε τα εμπόδια και τελικά δημοσίευσε μια πλήρη γενετική αλληλουχία για το εργαστήριο axolotl νωρίτερα φέτος. Αυτό το επίτευγμα θα μπορούσε να αλλάξει τα πάντα.

«Το γονιδίωμα ήταν ένα τεράστιο πρόβλημα που βρισκόταν πάνω από τα κεφάλια όλων των εργαζομένων στο axolotl», είπε η Jessica Whited, η επίκουρη καθηγήτρια και ερευνήτρια που επιβλέπει αυτό το εργαστήριο στην Ιατρική Σχολή του Χάρβαρντ και στο Νοσοκομείο Brigham and Women's Hospital. Τώρα που αυτή και άλλοι ερευνητές έχουν ολόκληρο το γονιδίωμα του axolotl, ελπίζουν να ξεκλειδώσουν τα μυστικά της αναγέννησης και ίσως ακόμη και να μάθουν πώς οι άνθρωποι θα μπορούσαν να εκμεταλλευτούν αυτή τη δύναμη για τον εαυτό μας. Ωστόσο, εξακολουθούν να έχουν περισσότερες ερωτήσεις παρά απαντήσεις, και μερικές από αυτές τις ερωτήσεις εξακολουθούν να υπάρχουν από την πρώτη τεκμηριωμένη παρατήρηση του παράξενου ταλέντου αυτών των ζώων πριν από περισσότερα από 250 χρόνια.

Ο Ιταλός ιερέας και οι μεξικανικές σαλαμάνδρες

Η απλότητα των διαγραμμάτων του Ιταλού ιερέα διέψευσε το θαυματουργό αυτού που είχε δει. Το πρώτο σκίτσο του Lazzaro Spallanzani έμοιαζε με τρεις πλευρές ενός τετραγώνου, σαν ένα μικρό τραπέζι σε προφίλ. ήταν το κούτσουρο της κομμένης ουράς μιας σαλαμάνδρας. Το επόμενο έδειξε ένα τρίγωνο που κάθεται πάνω από αυτό το τραπέζι. η ουρά με κάποιο τρόπο αναπτύχθηκε.

Ο Spallanzani είχε πειραματιστεί με σαλαμάνδρες, γυρίνους, σαλιγκάρια και γαιοσκώληκες και διαπίστωσε ότι μπορούσαν να αναγεννήσουν τα χαμένα μέρη του σώματος. Μοιράστηκε αυτή την ανακάλυψη και τα σχέδιά του σε μια επιστολή προς τον φυσιοδίφη Charles Bonnet το 1766. Δύο χρόνια αργότερα, ο Spallanzani δημοσίευσε τις παρατηρήσεις του ευρύτερα σε μια σύντομη συλλογή δοκιμίων για την αναπαραγωγή και την αναγέννηση. Ο τίτλος αυτής της συλλογής του 1768, το Prodromo (που σημαίνει «μια πρώιμη ένδειξη»), άφησε να εννοηθεί ότι θα ακολουθούσε μεγαλύτερη εργασία για το θέμα από αυτόν — αλλά δεν έγινε ποτέ.

Ωστόσο, άλλοι επιστήμονες ανέλαβαν αυτές τις έρευνες και η σαλαμάνδρα της επιλογής των ερευνητών έγινε το axolotl. Η επιστημονική του ονομασία είναι Ambystoma mexicanum; Το κοινό του όνομα ομοιοκαταληκτεί με το «packs a bottle». Τα Axolotls προσφέρθηκαν καλά για να μελετήσουν εν μέρει επειδή αναπαράγονται και επιβιώνουν τόσο καλά στην αιχμαλωσία. Ο Warren Vieira, μεταδιδακτορικός στο εργαστήριο αναγέννησης της Catherine McCusker στο Πανεπιστήμιο της Μασαχουσέτης της Βοστώνης, μου είπε ότι τα axolotls κουνάνε μερικές φορές τις επίπεδες, χελιές ουρές τους όταν ένα άτομο μπαίνει στο δωμάτιο. Οι ερευνητές που φροντίζουν τα ζώα γενικά συμφωνούν ότι τα αξολότλ είναι περίεργα και σε εγρήγορση για την παρουσία ανθρώπων, που μπορεί να φέρνουν τροφή, αν και γενικά τα αξολότλ δεν είναι πολύ φωτεινά.

Εξάλλου είναι άκρως ενδογαμικά. Τα περισσότερα από τα εργαστηριακά αξολότλ του κόσμου προέρχονται από 34 ζώα που ήρθαν στο Παρίσι από το Μεξικό τη δεκαετία του 1860. (Τα περισσότερα άγρια ​​αξολότλ έχουν χρώμα λάσπης και όχι ανοιχτό ροζ, αλλά τα πειραματόζωα δεν είναι αλμπίνοι - τα αληθινά αλμπίνο αξολότλ είναι κιτρινωπά, με χρυσά μάτια και όχι μαύρα.) Από τότε που αυτά τα ζώα αφαιρέθηκαν, οι εγγενείς υδάτινες οδοί τους γύρω από την Πόλη του Μεξικού έχουν γίνει μολυσμένο, εισβολή από εισαγόμενα είδη που άλλαξαν το οικοσύστημα και εξαντλήθηκαν δραματικά από την αστικοποίηση. Τα Axolotls είναι επίσης ένα παραδοσιακό φαγητό για τους ντόπιους. Κατά ειρωνικό τρόπο, για τα ζώα που μπορούν να επιβιώσουν από τόσους φρικτούς τραυματισμούς, τα axolotl δεν κατάφεραν να αντέξουν αυτές τις συνδυασμένες επιθέσεις και είναι πλέον σχεδόν εξαφανισμένα στη φύση. Αλλά ο πληθυσμός του εργαστηρίου έχει αναπτυχθεί.

Το 1935, μερικά από αυτά τα ευρωπαϊκά axolotls επέστρεψαν στη Βόρεια Αμερική και τελικά έγιναν συλλογή στο Πανεπιστήμιο της Ιντιάνα υπό τη διεύθυνση του βιολόγου George Malacinski. Όταν συνταξιοδοτήθηκε το 2005, το Πανεπιστήμιο του Κεντάκι κληρονόμησε την αποικία του με 500 περίπου ζώα. Ο Μαλατσίνσκι «απλώς τους φόρτωσε όλους και τους οδήγησε κάτω μια νύχτα», είπε ο Ράνταλ Βος, ο οποίος τώρα διευθύνει το Κέντρο Γενετικών Αποθεμάτων Ambystoma του πανεπιστημίου. Αν και η διαδρομή διήρκεσε μόνο τρεις ώρες, το άγχος έκανε μερικές από τις σαλαμάνδρες να μεταμορφωθούν. "Ίσως το 10 τοις εκατό περίπου αποφάσισαν ότι δεν ήθελαν να είναι πλέον υδρόβιοι λόγω της διαδρομής από την Ινδιανάπολη", είπε ο Voss.

Σήμερα το κέντρο μετοχών στοχεύει να κρατήσει 800 έως 1.000 ενήλικες κάθε φορά. Τα αρχεία γενεαλογίας που χρονολογούνται από το 1932 βοηθούν το κέντρο να διατηρήσει την υπόλοιπη γενετική ποικιλότητα στην αμιγή ομάδα. Στέλνει έμβρυα, προνύμφες και ενήλικες axolotl σε εργαστήρια και αίθουσες διδασκαλίας σε όλο τον κόσμο. (Εξήντα σεντ για εκκολάψεις, 36 $ για ένα θηλυκό αναπαραγωγής — αλλά δεν μπορείτε να αγοράσετε ένα ως κατοικίδιο, οπότε μην το ρωτήσετε.)

Αλλά παρόλο που αυτά τα εργαστήρια έχουν μάθει πολλά από το axolotl, κανένα από αυτά δεν θα μπορούσε να αλληλουχήσει πλήρως το γονιδίωμά του. Το κύριο πρόβλημα με το γονιδίωμα axolotl είναι ότι είναι τεράστιο. Έχει 32 δισεκατομμύρια ζεύγη βάσεων, καθιστώντας το περίπου 10 φορές μεγαλύτερο από το ανθρώπινο γονιδίωμα. Παρόλα αυτά, τα αξολότλ και οι άνθρωποι φαίνεται να έχουν παρόμοιο αριθμό γονιδίων, είπε η Έλι Τανάκα, βιολόγος στο Ερευνητικό Ινστιτούτο Μοριακής Παθολογίας στη Βιέννη. Αυτά τα γονίδια είναι σαν νησιά σε ωκεανούς με εξαιρετικά επαναλαμβανόμενη αλληλουχία.

Αυτή η υπερβολική αφθονία επαναλαμβανόμενου DNA ήταν το πρόβλημα. Για να διαβάσουν την αλληλουχία του γονιδιώματος ενός οργανισμού, οι επιστήμονες πρέπει να σπάσουν το DNA σε κομμάτια και μετά να συναρμολογήσουν ξανά αυτά τα κομμάτια σαν παζλ. Μέχρι πριν από λίγα χρόνια, ο Tanaka έλεγε:«Αυτά τα κομμάτια ήταν πολύ μικρά για να γεφυρώσουν το μέγεθος αυτών των επαναλαμβανόμενων ακολουθιών». Η τεχνολογία δεν μπορούσε να φτάσει από το ένα νησί πληροφοριών στο άλλο.

Χαρτογράφηση του τρόπου με τον οποίο μεγαλώνουν τα άκρα

Ωστόσο, ακόμη και πριν χαρτογραφηθεί το γονιδίωμα του axolotl, οι επιστήμονες χρησιμοποιούσαν άλλα εργαλεία για να αρχίσουν να κατανοούν την αναγέννηση.

Στο εργαστήριο του James Monaghan στο Northeastern University στη Βοστώνη, η Johanna Farkas, μεταδιδάκτορας, μου έδωσε ένα ζευγάρι γυαλιά ηλίου που έμοιαζαν με. Αντιμετωπίζαμε ράφια με δεκάδες δεξαμενές axolotl. το εργαστήριο διατηρεί περίπου 400 ή 500 ζώα. («Μπορεί να υπάρχουν περισσότερα σε αυτό το δωμάτιο απ' ό,τι υπάρχουν τώρα στην άγρια ​​φύση», είπε ο Φάρκας.) Οι μύτες των σαλαμάνδρων, που τραβούσαν το μπροστινό μέρος των δεξαμενών τους όταν οι άνθρωποι μπαίνουν στο δωμάτιο, μας ακολουθούσαν πέρα ​​δώθε. Ο Φάρκας μου είπε να κοιτάξω ένα μεγάλο ενήλικο axolotl του οποίου το δέρμα έχει κιτρινωπό γύψο. Αφού φόρεσα τα γυαλιά ηλίου, έδειξε έναν μπλε φακό στο ζώο, το οποίο έλαμπε έντονο πράσινο.

Αυτό το ζώο προέρχεται από μια σειρά αξολότλ που οι επιστήμονες κατασκεύασαν γενετικά για να φτιάξουν μια πράσινη φθορίζουσα πρωτεΐνη που βρίσκεται συνήθως στις μέδουσες. Τα γυαλιά, που φιλτράρουν όλα τα μήκη κύματος εκτός από το πράσινο φως, με αφήνουν να δω τον φθορισμό του. Άλλα axolotls έχουν κατασκευαστεί για να παράγουν μια κόκκινη φθορίζουσα πρωτεΐνη. Οι ερευνητές μπορούν να ανταλλάξουν μοσχεύματα ιστού μεταξύ των κόκκινων και πράσινων φθοριζόντων ποικιλιών ή μεταξύ λαμπερών και μη λαμπερών ζώων, για να παρακολουθήσουν την κίνηση των κυττάρων κατά την αναγέννηση.

Τέτοια πειράματα τους επιτρέπουν να δουν, για παράδειγμα, από πού προέρχονται τα κύτταρα που συνθέτουν ένα νέο προσάρτημα. Μετά από έναν ακρωτηριασμό, μια σαλαμάνδρα αιμορραγεί πολύ λίγο και σφραγίζει την πληγή μέσα σε λίγες ώρες. Στη συνέχεια, τα κύτταρα μεταναστεύουν στο σημείο του τραύματος και σχηματίζουν μια σταγόνα που ονομάζεται βλάστημα. Οι περισσότεροι από αυτούς τους νεοσυλλέκτους φαίνεται να είναι κύτταρα από κοντά που έχουν γυρίσει τα δικά τους εσωτερικά ρολόγια σε μια μη εξειδικευμένη ή «αδιαφοροποιημένη» κατάσταση που μοιάζει περισσότερο με αυτή στα έμβρυα. Αλλά δεν είναι σαφές εάν και σε ποιο βαθμό το ζώο χρησιμοποιεί επίσης αποθέματα βλαστοκυττάρων, την κατηγορία των αδιαφοροποίητων κυττάρων που διατηρούν οι οργανισμοί για να βοηθήσουν στην επούλωση. Όποια και αν είναι η προέλευσή τους, τα κύτταρα βλαστήματος επαναδιαφοροποιούνται σε νέα οστά, μυς και άλλους ιστούς. Ένα τέλειο νέο άκρο σχηματίζεται σε μινιατούρα και στη συνέχεια μεγεθύνεται στο σωστό μέγεθος για τον ιδιοκτήτη του.

Ένα βλάστημα που κόβεται και μεταμοσχεύεται αλλού στο σώμα μπορεί ακόμα να γίνει το άκρο που έπρεπε να είναι. Αλλά κανένα νέο άκρο δεν θα αναπτυχθεί εκτός εάν τα νεύρα φτάσουν στο βλάστημα κατά τη διάρκεια μιας πρώιμης κρίσιμης περιόδου:Εάν το νεύρο ενός άκρου κοπεί, ένας ακρωτηριασμός απλώς θα επουλωθεί.

Οι ερευνητές ανακάλυψαν ότι τα κύτταρα του ανοσοποιητικού που ονομάζονται μακροφάγα είναι επίσης σημαντικά για την αναγέννηση στις σαλαμάνδρες. βοηθούν στον έλεγχο της φλεγμονής που θα μπορούσε να βλάψει τη διαδικασία. Εν τω μεταξύ, τα κύτταρα του συνδετικού ιστού που ονομάζονται ινοβλάστες μεταφέρουν πληροφορίες θέσης που είναι ζωτικής σημασίας για την εκ νέου ανάπτυξη ενός άκρου. Αυτή η μνήμη θέσης είναι ο τρόπος με τον οποίο ένα κύτταρο γνωρίζει πού βρίσκεται στο σώμα:Είναι μέρος του αριστερού καρπού; Δεξιός ώμος; Το πάνω ή το κάτω μέρος του βραχίονα;

Οι πληροφορίες θέσης, είπε ο Monaghan, είναι «ένα είδος μοριακού ταχυδρομικού κώδικα» που ορίζεται στο επιγονιδίωμα ενός ζώου - το σύνολο των χημικών ετικετών που συνδέονται με το DNA ενός κυττάρου που μπορούν να κατευθύνουν τη δραστηριότητα των γονιδίων του. Οι ποικίλες επιγενετικές ετικέτες σε διαφορετικά κύτταρα δίνουν στα κύτταρα πληροφορίες σχετικά με το πού βρίσκονται.

Το ρετινοϊκό οξύ, ένα μόριο που σχετίζεται με τη βιταμίνη Α, εμπλέκεται επίσης στη σηματοδότηση θέσης:Μια αρκετά μεγάλη δόση ρετινοϊκού οξέος μπορεί να ξαναγράψει τον ταχυδρομικό κώδικα ενός κυττάρου. Ένα axolotl που με κοιτούσε στο εργαστήριο του Monaghan είχε ένα κανονικό χέρι και ένα πολύ μακρύ, μια κατάσταση που αποκαλεί «βραχίονα σπαγγέτι». Οι ερευνητές το δημιούργησαν ακρωτηριάζοντας το χέρι του ζώου και στη συνέχεια προσθέτοντας αρκετό ρετινοϊκό οξύ ώστε το κολόβωμα του καρπού να πιστεύει ότι ήταν κολόβωμα ώμου. Ένα εντελώς νέο χέρι αναγεννήθηκε από τον καρπό ως αποτέλεσμα.

Τα χέρια, τα πόδια και οι ουρές δεν είναι τα μόνα μέρη του σώματος που τα εργαστηριακά axolotls μπορούν να αναγεννηθούν. Επίσης αναρρώνουν από συντριπτικά τραύματα στον νωτιαίο μυελό τους. «Μπορούν να αναγεννήσουν ένα χιλιοστό επί 2 χιλιοστά τετράγωνο του πρόσθιου εγκεφάλου τους», είπε ο Μόναγκαν, «πράγμα που είναι τρελό». Οι επιστήμονες δεν έχουν εξετάσει ακόμη πολύ προσεκτικά τις αναγεννητικές δυνάμεις των οργάνων axolotl. Ωστόσο, η ομάδα του Monaghan έχει μέχρι στιγμής μελετήσει τις καρδιές, τους πνεύμονες και τις ωοθήκες του axolotl και έχει διαπιστώσει ότι και οι τρεις μπορούν να αναπτυχθούν ξανά μετά από τραυματισμό.

Οι επιστήμονες δεν γνωρίζουν εάν τα axolotls χρησιμοποιούν τους ίδιους μηχανισμούς για την αναγέννηση των εσωτερικών τους οργάνων με τα άκρα τους. Δεν ξέρουν επίσης γιατί ένα axolotl μπορεί να μεγαλώσει ξανά ένα χέρι πολλές φορές στη σειρά, αλλά όχι επ 'αόριστον - αφού ακρωτηριαστεί πέντε φορές, τα περισσότερα άκρα axolotl σταματούν να επιστρέφουν. Ένα άλλο μυστήριο είναι πώς ένα άκρο ξέρει να σταματά να αναπτύσσεται όταν φτάσει στο σωστό μέγεθος.

Αλλά αυτά μπορεί να μην είναι μυστήρια για πολύ περισσότερο.

Πώς θα βοηθήσει το γονιδίωμα

«Δεν ήμουν εγώ, στην πραγματικότητα!» είπε η Έλλη Τανάκα γελώντας. «Ήταν οι άλλοι συνεργάτες μου, τα άλλα παιδιά που μπόρεσαν να συνθέσουν έναν αλγόριθμο για να συναρμολογήσουν ένα τόσο μεγάλο γονιδίωμα». Μια ομάδα που περιελάμβανε τον Tanaka, επιστήμονες υπολογιστών και άλλους ανέφερε τον περασμένο Φεβρουάριο στο Nature ότι είχαν καθορίσει την αλληλουχία του πλήρους γονιδιώματος του εργαστηριακού axolotl. Η βελτιωμένη τεχνολογία μπορεί τώρα να διαβάσει ένα γονιδίωμα σε αρκετά μεγάλα κομμάτια ώστε μερικά από αυτά να γεφυρώσουν τις μεγάλες, αποπροσανατολιστικές εκτάσεις μεταξύ των γονιδίων ενός axolotl. Χρησιμοποιώντας ωμή υπολογιστική ισχύ και νέους αλγόριθμους για να ολοκληρώσουν το παζλ, οι ερευνητές μπόρεσαν επιτέλους να διαβάσουν ολόκληρο το γονιδίωμα.

Κατ' αρχήν, η διαθεσιμότητα της πλήρους αλληλουχίας γονιδιώματος axolotl βάζει τους ερευνητές σε πολύ καλύτερη θέση να απαντήσουν σε σημαντικά ερωτήματα σχετικά με το πώς λειτουργεί η αναγέννηση στα ζώα. Για παράδειγμα, ένα axolotl αναγεννά τα άκρα του χρησιμοποιώντας μοναδικά γονίδια; Ή χρησιμοποιεί γονίδια που μοιράζονται άλλα ζώα (συμπεριλαμβανομένων των ανθρώπων), αλλά τα ελέγχει διαφορετικά; Αυτές οι απαντήσεις έρχονται ακόμη. Ο Tanaka είπε τον στόχο της Φύσης Η δημοσίευση ήταν απλώς για να βάλει τη σειρά εκεί έξω για τους επιστήμονες. "Η πραγματική εξόρυξη του γονιδιώματος για την κατανόηση της αναγέννησης, είναι σε εξέλιξη τώρα και θα πάρει μερικά χρόνια", είπε ο Tanaka.

Αλλά αυτή και οι συνεργάτες της έκαναν μερικές ενδιαφέρουσες προκαταρκτικές παρατηρήσεις. «Στον αναγεννούμενο ιστό των άκρων, φαίνεται να βλέπουμε έναν σχετικά υψηλό αριθμό γονιδίων που δεν έχουν ξεκάθαρο ανθρώπινο αντίστοιχο», είπε. Η διερεύνηση αυτών των γονιδίων – τα οποία δεν υπάρχουν σε άλλα θηλαστικά, ψάρια ή πτηνά, θα είναι πιθανότατα «μια γόνιμη οδός» για την κατανόηση της αναγέννησης, έγραψαν η Tanaka και οι συνεργάτες της.

Είναι σημαντικό να σημειωθεί, ωστόσο, ότι παρόλο που το γονιδίωμα του axolotl έχει ολοκληρωθεί η αλληλουχία, αυτές οι πληροφορίες αλληλουχίας είναι ακόμα σε πολλά, πολλά κομμάτια, όπως οι σελίδες ενός βιβλίου που έχει χάσει τη ραχοκοκαλιά του. Η ομάδα του Voss στο Πανεπιστήμιο του Κεντάκι συγκέντρωσε τη δική της αλληλουχία γονιδιώματος axolotl το 2017, αλλά αυτή η αλληλουχία ήταν σε περίπου 100 φορές περισσότερα κομμάτια από αυτή του Tanaka. Σύμφωνα με τον Voss, η ομάδα του εργάζεται τώρα για να πάρει τις σελίδες του γονιδιώματος axolotl στη σωστή σειρά. Η χαρτογράφηση των γονιδίων στα χρωμοσώματα θα καταστήσει το συναρμολογημένο γονιδίωμα πιο εύκολο για άλλους επιστήμονες να δουλέψουν, είπε.

Σε ένα έγγραφο που δεν έχει ακόμη δημοσιευθεί αλλά δημοσιεύτηκε στο bioRxiv.org, η ομάδα του Voss έχει επίσης εντοπίσει το τμήμα του γονιδιώματος του axolotl που καθορίζει αν είναι αρσενικό ή θηλυκό. Οι ερευνητές γνώριζαν ότι το φύλο των μεμονωμένων αξολότλ καθοριζόταν από τα γονίδιά τους, αλλά δεν είχαν βρει αυτό που ο Voss και οι συνεργάτες του αποκαλούσαν τη «μικροσκοπική» διαφορά μεταξύ των αρσενικών και θηλυκών χρωμοσωμάτων φύλου. Εκτός από το να βοηθήσει τους επιστήμονες να κατανοήσουν τη γενετική του axolotl, το εύρημα θα είναι χρήσιμο για τη διαχείριση πληθυσμών εργαστηρίου, όπως όταν το κέντρο αποθεμάτων στέλνει παρτίδες νεογνών. Μέχρι τώρα, ο μόνος τρόπος για να μάθετε το φύλο των μωρών axolotls ήταν να περιμένετε επτά έως εννέα μήνες και να δείτε ποια μέρη μεγάλωσαν. (Τα Axolotls δεν μπορούν να αναπαραχθούν μέχρι να γίνουν περίπου ενός έτους. Συνήθως ζουν πέντε έως 10 χρόνια στο εργαστήριο, αλλά είναι γνωστό ότι επιβιώνουν 15 χρόνια.)

Πριν από τη δημοσίευση του πλήρους γονιδιώματος του axolotl, οι ερευνητές που ήθελαν γνώσεις για τη μοριακή βιολογία του ζώου είχαν κολλήσει ως επί το πλείστον κοιτάζοντας τα προϊόντα πρωτεΐνης και RNA των γονιδίων axolotl. Δεν μπορούσαν να διαβάσουν το αρχικό υλικό. Αλλά τα προϊόντα ενός γονιδίου δεν σας λένε πώς ενεργοποιείται ή απενεργοποιείται ή ποια επιγενετικά σημάδια έχει κάνει το κύτταρο στο DNA για να επηρεάσει την έκφρασή του. Ο Monaghan θέλει να μάθει, για παράδειγμα, ποιες αλλαγές στη συσκευασία και τη ρύθμιση των γονιδίων μετατρέπουν ένα κύτταρο χεριού σε κύτταρο ώμου - δηλαδή, μετατρέψτε ένα κανονικό axolotl σε ένα με βραχίονες σπαγγέτι. "Δεν μπορούσαμε καν να αντιμετωπίσουμε αυτό το ερώτημα πριν", είπε.

Χωρίς την αλληλουχία, ήταν επίσης δύσκολο να μελετηθούν οι αξολότλες χρησιμοποιώντας γενετική μηχανική. Εάν ξεφορτωθήκατε ένα συγκεκριμένο γονίδιο, για παράδειγμα, και δεν είδατε καμία αλλαγή στον τρόπο αναγέννησης της σαλαμάνδρας, μπορεί να συμπεράνετε ότι το γονίδιο δεν ήταν σημαντικό - αλλά στην πραγματικότητα μπορεί να είναι τόσο σημαντικό ότι η σαλαμάνδρα έχει εφεδρικά γονίδια που δεν έχετε βρήκαν όμως ότι κάνουν την ίδια εργασία. Ο Monaghan είπε ότι η ομάδα του χρησιμοποιεί ήδη τη νέα αλληλουχία γονιδιώματος ως αναφορά για να φτιάξει γενετικά τροποποιημένες σαλαμάνδρες με το CRISPR, την επαναστατική τεχνολογία επεξεργασίας γονιδιώματος που έγινε διαθέσιμη μόλις πριν από λίγα χρόνια. Χωρίς τη σειρά, «Ήταν πάρα πολύ δουλειά για να καταλάβω», είπε.

Αυτές οι γενετικές πληροφορίες θα γίνονται όλο και καλύτερες με την πάροδο του χρόνου, είπε ο McCusker στο UMass Boston. Υπάρχουν πάντα περισσότερα που πρέπει να μάθουμε για την αλληλουχία, είπε, και περισσότερες τρύπες για να γεμίσουμε. Το γονιδίωμα θα πάει από μια μεγάλη, κοκκώδη εικόνα σε μια με υψηλότερη και υψηλότερη ανάλυση. «Κανένα γονιδίωμα δεν είναι ποτέ πλήρες. Ακόμη και το ανθρώπινο γονιδίωμα», είπε.

Όσο για το αν χρησιμοποιεί ήδη τις πληροφορίες της νέας αλληλουχίας γονιδιώματος στην έρευνά της, η McCusker είπε, "Ω, Θεέ μου, ναι."

Καρκίνος και Αναγέννηση

Καθώς περνούν σε μια νέα εποχή έρευνας, οι επικεφαλής των εργαστηρίων σαλαμάνδρας σε όλο τον κόσμο θα συγκεντρωθούν στη Βιέννη αυτό το καλοκαίρι σε μια πρώτη συνάντηση στο είδος του. Θα συζητήσουν πώς να χρησιμοποιήσουν τις αλληλουχίες του γονιδιώματος και άλλους πόρους και θα σχεδιάσουν στρατηγική για την εισαγωγή νέων ανθρώπων στο πεδίο της έρευνας axolotl.

«Με δύο διαφορετικά συγκροτήματα που είναι διαθέσιμα και όλα τα μοριακά εργαλεία που αναπτύσσονται από όλα τα άλλα εργαστήρια, νομίζω ότι ήρθε η ώρα», είπε ο Monaghan. "Αυτό το γονιδίωμα ήταν πραγματικά η πύλη εκκίνησης."

Ήδη, αυτός και άλλοι ερευνητές βρίσκουν πιθανές εφαρμογές για την έρευνά τους στην ανθρώπινη ιατρική. Ο Monaghan μελετά αμφιβληστροειδείς αξολότλη για να προσπαθήσει να βελτιώσει τα αποτελέσματα των μελλοντικών θεραπειών με βλαστοκύτταρα σε γηρασμένα ανθρώπινα μάτια. Σκέφτεται επίσης ότι η ανακάλυψη του τρόπου με τον οποίο οι αξολότλες ανανεώνουν γρήγορα τους πνεύμονές τους θα μπορούσε να μας βοηθήσει να μάθουμε να θεραπεύουμε τους ανθρώπινους πνεύμονες, οι οποίοι έχουν φυσικά κάποια αναγεννητική δύναμη. Ο Whited μελετά εάν οι ίδιες πρωτεΐνες που είναι σημαντικές στην αναγέννηση των άκρων της σαλαμάνδρας θα μπορούσαν επίσης να είναι δείκτες μιας καλής θεραπευτικής απόκρισης μετά από ακρωτηριασμό σε ποντίκια. Τελικά, αυτό μπορεί να βοηθήσει τους γιατρούς να προβλέψουν ποιοι ασθενείς θα αναρρώσουν από τραυματικούς τραυματισμούς στα άκρα.

Ο McCusker έχει μελετήσει πώς το περιβάλλον ιστού του αναγεννόμενου άκρου μιας σαλαμάνδρας ελέγχει τη συμπεριφορά των κυττάρων. Κάποτε, ίσως μπορέσουμε να ρυθμίσουμε το περιβάλλον γύρω από ένα καρκινικό κύτταρο και να το αναγκάσουμε να συμπεριφέρεται κανονικά. "Ο αναγεννητικός ιστός μοιράζεται πραγματικά πολλές ομοιότητες με τα καρκινικά κύτταρα", είπε.

Η σύνδεση μεταξύ καρκίνου και αναγέννησης είναι δελεαστική. Τα περισσότερα ζώα πρέπει να ελέγχουν προσεκτικά την ανάπτυξη των κυττάρων τους, επειδή η ανάπτυξη εκτός ελέγχου ισοδυναμεί με καρκίνο. Μπορεί να περιμένετε ένα ζώο που αναπτύσσει συχνά ολόκληρα άκρα από την αρχή να έχει υψηλότερο κίνδυνο καρκίνου. «Το ενδιαφέρον με τις σαλαμάνδρες είναι ότι παρόλο που αναγεννώνται, σχεδόν ποτέ δεν παθαίνουν καρκίνο», είπε ο Whited. "Ενώ οι άνθρωποι, προφανώς, παθαίνουν καρκίνο όλη την ώρα."

Το 1952, ένας επιστήμονας ονόματι Charles Breedis έκανε ένεση λιθανθρακόπισσας και άλλων γνωστών καρκινογόνων ουσιών στους βραχίονες περισσότερων από 500 τρίτωνων - αμφίβια που σχετίζονται με σαλαμάνδρες που μπορούν επίσης να αναγεννηθούν. Μόνο δύο ζώα εμφάνισαν όγκους. Πολύ πιο συχνά, οι τρίτωνες ανταποκρίθηκαν βλαστάνοντας έναν επιπλέον βραχίονα. Εάν οι επιστήμονες μπορούν να καταλάβουν πώς μια καρκινογόνος ουσία ενεργοποιεί αυτό το είδος αναγεννητικής ανάπτυξης, θα ήταν «κάποιο είδος ιερού δισκοπότηρου» για αυτόν τον τομέα έρευνας, είπε ο Whited.

Το μέλλον της αναγέννησης

Στο UMass Boston, ο Vieira μου έδειξε δίσκους γεμάτους με πλαστικά ποτηράκια, ένα μικροσκοπικό axolotl που κολυμπούσε σε κάθε ένα. «Στην πραγματικότητα μόλις κάναμε μια εκδήλωση αναπαραγωγής», είπε. (Για να ενθαρρύνουμε τα axolotl να αναπαράγονται, ένας οδηγός για τη φροντίδα του axolotl που γράφτηκε από τους Monaghan και Farkas προτείνει τα εξής:«Τοποθετήστε ένα αρσενικό και ένα θηλυκό μαζί σε ένα πλαστικό δοχείο 28 λίτρων καλυμμένο με αλουμινόχαρτο. Συμπεριλάβετε δύο επαναχρησιμοποιήσιμες παγοκύστες και ένα υπόστρωμα σπασμένα δοχεία από τερακότα ή μεγάλους επίπεδους βράχους.»)

Τα ροδαλά μωρά, τα πρόσωπά τους πλαισιωμένα από χνουδωτά βράγχια, είναι αξιολάτρευτα. Είναι επίσης κανιβαλιστές. Ο Βιέιρα επισημαίνει ορισμένα που λείπουν τα χέρια ή τα πόδια από το τσιμπολόγημα του άλλου.

Είναι πιθανό ότι για τις σαλαμάνδρες που ξεκινούν τη ζωή τους σε δεξαμενές πεινασμένων αδερφών, η αναγέννηση δεν είναι απλώς ένα ωραίο κόλπο, αλλά απαραίτητη. Αυτός θα μπορούσε να είναι ο λόγος που εξέλιξαν την ικανότητα — ή γιατί διατήρησαν την ικανότητα ενώ άλλα ζώα την έχασαν.

Ο Whited είπε ότι η κριτική επιτροπή είναι ακόμα έξω για το πώς ακριβώς έχει εξελιχθεί η αναγέννηση. Με βάση στοιχεία από απολιθώματα και γονίδια, οι περισσότεροι άνθρωποι στο πεδίο πιστεύουν ότι είναι ένα παλιό χαρακτηριστικό που τα σημερινά ζώα έχουν σε μεγάλο βαθμό χάσει. Αλλά ο Whited είναι ανοιχτός σε άλλες πιθανές προελεύσεις για αναγεννητικές ικανότητες. Μια θεωρία που την ενδιαφέρει είναι ότι η «αξονική» αναγέννηση, που περιλαμβάνει την αναγέννηση της ουράς κατά μήκος του κύριου άξονα του σώματος, μπορεί να είναι μια αρχαία προγονική ικανότητα, ενώ η «σκαρτική» αναγέννηση των άκρων μπορεί να έχει εξελιχθεί ξεχωριστά και πιο πρόσφατα.

Εάν η αναγέννηση είναι ένα αρχαίο χαρακτηριστικό, τα θηλαστικά όπως οι άνθρωποι θα μπορούσαν να έχουν μερικά από τα εργαλεία που εξακολουθούν να κυκλοφορούν στα γενετικά τους συρτάρια. Μπορεί άλλες διαδικασίες επούλωσης που έχουμε εξελίξει, όπως οι ουλές, να παρεμποδίζουν και να εμποδίζουν την αναγέννηση. Ο Whited σημείωσε ότι οι άνθρωποι με ακρωτηριασμό αναπτύσσουν μερικές φορές μια επώδυνη κατάσταση που ονομάζεται νεύρωμα - μια ανεξέλεγκτη ανάπτυξη νευρικών ινών στο κολόβωμα ενός χαμένου άκρου ή δακτύλου. Ίσως αυτή η εκ νέου ανάπτυξη είναι ένα απομεινάρι της αναγέννησης που αποτυγχάνει να ολοκληρωθεί.

Με βάση την έρευνά της, η Whited πιστεύει ότι οι άνθρωποι έχουν περισσότερα αναγεννητικά εργαλεία από αυτά που έχουμε εμείς. Αν μπορούσαμε να δημιουργήσουμε το σωστό περιβάλλον στο σώμα μας, ίσως να μπορέσουμε να αξιοποιήσουμε αυτά τα εργαλεία. Κάποια μέρα, ίσως, θα μπορούσαμε να μεγαλώσουμε ξανά άκρα.

Άλλοι ερευνητές συμφωνούν ότι μπορεί να είναι δυνατό. Ο Τανάκα δεν το αποκλείει. «Είναι λίγο δύσκολο να γνωρίζουμε πόσο περίπλοκο θα είναι πραγματικά», είπε. Αλλά με όσα έχουμε ήδη μάθει για το πώς μεγαλώνουν τα άκρα και όσα μπορούν ακόμα να μας διδάξουν τα axolotl, μπορεί να φανταστεί ένα μέλλον στο οποίο θα δημιουργήσουμε την ίδια ικανότητα για εμάς.

«Πιστεύω ότι αξίζει να προσπαθήσεις για αυτό», είπε.

Αυτό το άρθρο ανατυπώθηκε στο ScientificAmerican.com.