Даже без этой генетической суперспособности человеческие глаза и гены очень похожи.
Если вы наступите на улитку, вы это почувствуете. Хруст её раковины или ощущение мягкого, скользкого тела под ногами. Несмотря на низкую скорость и простое строение тела, яблочные улитки (Pomacea canaliculata) имеют глаза, анатомически схожие с человеческими. У обоих видов есть сложные, похожие на камеры глаза с хрусталиком, роговицей и сетчаткой, которые позволяют им видеть окружающий мир.
В отличие от людей, яблочные улитки могут отращивать свои глаза, если они повреждены или ампутированы. Для этого улитки развили в себе необычные инструменты для изменения своего генома, которые могут помочь людям в будущем сделать то же самое. Эти результаты подробно описаны в исследовании, опубликованном 6 августа в журнале Nature Communications.
«Регенерация — это не фокус, а процесс, закодированный в генах. Это значит, что однажды способность восстанавливаться после травм может быть значительно улучшена для всех», — Алехандро Санчес Альварадо, соавтор исследования и биолог из Института медицинских исследований Стоуэрса, рассказывает Popular Science.
Познакомьтесь с яблочной улиткой и её удивительными глазами
В некоторых регионах США яблочные улитки считаются инвазивным видом. Эти улитки длиной от двух до трёх дюймов родом из Южной Америки, в частности из Бразилии и Аргентины. В последние годы они попали в Северную Америку, Европу и Азию благодаря торговле аквариумными животными и случайному попаданию в дикую природу, где они могут представлять угрозу для местной экосистемы. По данным Техасского института инвазивных видов, ущерб, наносимый улитками на неконтролируемых полях, может достигать 100 % для всходов риса на стадии прорастания.
«Интересно, что те же свойства, которые делают их инвазивными вредителями, делают их и отличными лабораторными животными, — рассказывает Элис Аккорси, соавтор исследования и биолог-эволюционист из Калифорнийского университета в Дэвисе, журналу Popular Science. — Они выносливы, быстро растут и обильно размножаются. У них прямое развитие без личиночной фазы или метаморфоза, что упрощает их жизненный цикл для экспериментальной работы».
Исследователи также изучили ген, который, как известно, играет ключевую роль в развитии глаз у позвоночных и плодовых мушек (называется pax6) и который также присутствует у яблочных улиток.
«С появлением технологии CRISPR мы получили возможность манипулировать генами этого вида. В частности, мы целенаправленно нарушили работу гена pax6, который является важным регулятором развития и регенерации глаз», — объясняет Санчес Альварадо.
Яблочным улиткам требуется около 28 дней, чтобы восстановить глаза — от первоначальной ампутации до полного восстановления. Этот процесс включает четыре отдельных этапа: заживление раны, формирование особой клеточной массы, появление хрусталика и сетчатки, а также созревание всех компонентов глаза.
Все позвоночные (включая нас, людей) способны пройти только первую стадию заживления ран. Теперь исследователи пытаются выяснить, где именно происходит расхождение в регенерации и развитии, и определить, какой генетический переключатель у улиток запускает развитие новых глаз.
Редактирование генов глаза
В ходе нового исследования команда учёных провела эксперимент в лаборатории и с помощью редактирования генов CRISPR нарушила функцию гена pax6. Новая линия улиток с отредактированными генами была здоровой, но у них отсутствовали глаза.
На каждом этапе регенерации глаза команда собирала и анализировала активность присутствующих генов. Эти важные данные о сроках экспрессии генов теперь могут помочь определить, какие гены наиболее перспективны для регенерации глаза. Имея этот список генов-кандидатов для регенерации глаза, команда может использовать CRISPR для деактивации генов и проверки того, необходимы ли они для регенерации глаза.
«Что меня больше всего удивило в ходе этого исследования, так это то, насколько быстро, точно и воспроизводимо происходит регенерация глаз у этих улиток, — говорит Аккорси. — После удаления всего глаза первые признаки его восстановления появляются менее чем через две недели, а новый глаз со всеми его компонентами формируется менее чем за месяц».
Их молекулярные исследования также показали, что многие из одних и тех же генов участвуют в формировании глаз как у улиток, так и у людей. Несмотря на то, что они эволюционировали независимо друг от друга, по словам Аккорси, это демонстрирует, что в природе может существовать множество способов формирования глаза.
«Основные генетические строительные блоки одинаковы у самых разных видов (людей и улиток)», — добавляет она.
«Эксперименты природы в ходе эволюции»
По мнению команды исследователей, понимание того, как этот процесс происходит на молекулярном уровне, может найти применение в нескольких областях. Один из наиболее очевидных результатов — более глубокое понимание того, почему людям и позвоночным сложно восстанавливать такие сложные структуры, как глазные яблоки. Помимо глаз, яблочные улитки могут служить модельным организмом для изучения регенерации тканей.
У него также есть потенциал для терапевтического применения. Такие гены, как pax6, могут играть схожую роль у многих животных, поэтому результаты этого исследования могут помочь в разработке методов лечения, которые будут защищать здоровье глаз и в один прекрасный день будут способствовать восстановлению или регенерации глаз у людей.
«Понимание того, как некоторые животные могут восстанавливать сложные структуры глаза (и какие гены в этом участвуют), однажды поможет разработать терапевтические подходы для лечения травм глаза или дегенеративных заболеваний у людей, таких как дистрофия роговицы или дегенерация жёлтого пятна», — говорит Санчес Альварадо.
Подобные исследования также показывают, почему важно продолжать изучать широкий спектр организмов, чтобы делать новые открытия.
«Природа уже провела несколько „экспериментов“ в ходе эволюции, и, изучая, как разные виды решают схожие биологические задачи, мы часто обнаруживаем, что существует несколько способов достичь одного и того же результата, — говорит Аккорси. — Изучение этих разнообразных стратегий может открыть совершенно новые перспективы в понимании — и, в конечном счёте, в лечении — нашего собственного организма».