Старіння – неуникний процес, який призводить до завершення життєвого циклу більшості багатоклітинних організмів. Ми поки що дуже мало знаємо про його механізми. Грубо, наявні гіпотези можна поділити на дві категорії: перші розглядають старіння як запрограмований процес, другі ж – як результат пошкодження геному та клітин. Звісно, обидві групи процесів не взаємовиключні.

Вважається, що одним із чинників запрограмованого старіння є функціональна спеціалізація клітин. Багатоклітинні організми, що утворюються в результаті статевого розмноження, починають свій розвиток з однієї єдиної клітини – зиготи. По мірі поділу її та її нащадків утворюються нові й нові клітини, вони диференціюються, спеціалізуючись на тих чи інших функціях. Зигота є плюрипотентною клітиною. Це означає, що її нащадки можуть перетворитися на клітину будь-якого типу.

Здатність до плюрипотентності втрачається по мірі ембріонального розвитку. Вже на ранніх стадіях (гаструляції) клітини йдуть по одному із передумовлених сценаріїв розвитку. Одні формують соматичні клітини, що належатимуть до одного з трьох зародкових шарів: з ектодерми утворюватимуться покриви та нервова система, ендодерма дає початок органам травної та дихальної системи, а мезодерма – скелету, м’язам та іншим внутрішнім органам. Звісно, описаний розклад стосується людини, але зародкові шари утворюються і в інших тварин. Інша група клітин є генеративною, з них будуть утворюватися статеві клітини. Більшість соматичних клітин стають настільки спеціалізованими, що їхній поділ стає неможливим. Відтворення їхньої популяції відбувається за рахунок поділу клітин попередників, що називаються стовбуровими. Вони є мультипотентними – можуть давати початок клітинам багатьох типів, але з обмеженого набору.

Спеціалізація клітин супроводжується інактивацією тих чи інших генів, і цей процес за фізіологічних умов необоротній. Тобто, здатність організму відновлювати клітини усіх типів є принципово обмеженою. Що і може бути одним з чинників старіння.

Проте, це притаманне не усім тваринам. Деякі найбільш примітивні багатоклітинні не демонструють ознак старіння організму, відтак можуть розглядатися як безсмертні. Причиною їхньої смерті є зовнішні чинники – такі як природні катастрофи, хижаки чи діяльність людини. Звісно, загибель клітин в їхньому тілі відбувається, і вони здатні до відновлення їх за рахунок стовбурових клітин. Але ступінь регенеративних здібностей цих клітин досі була невідома. Відповідь на це питання дає дослідження, опубліковане у свіжому випуску журналу Current Biology, обкладинка якого є головним зображенням цього посту.

На ньому молода колонія кишковопорожнинних Hydractinia symbiolongicarpus. Як і інші тварини цієї групи, вона починає свій розвиток рухливою личинкою. Під час метаморфозу та перетворюється на сидячу особину, яка росте клонально, утворюючи колонії. Члени колонії генетично ідентичні, мають спільний шлунковий (гастроваскулярний) простір і нервову систему. Гідрактинія має високу регенеративну здатність. Саме її і дослідили за допомогою сучасних молекулярно-біологічних методів.

Доросла колонія гідрактиній складається з живильних та розмножувальних поліпів (А). Вони взаємодіють через з’єднувальну тканину (stolon). Розмножувальні або статеві поліпи мають циліндричне тіло та голівку із зачаточними щупальцями (B). Зародкова (germinal) зона містить стовбурові i-клітини. В результаті їхнього поділу утворюються клітини попередники статевих. Ті мігрують до спеціальних утворів (sporosac), де утіворюють гамети. Будова живильного поліпа (C) нагадує знайому зі школи прісноводну гідру. Тіло поліпів обох типів утворене двома шарами, основою яких є епітеліально-мускульні клітини, внутрішній шар містить травні клітини, а зовнішній – жалкі, також там є нервові та стовбурові клітини (D).

Для дослідження властивостей стовбурових клітин автори сконструювали генетично модифіковану гідрактинію. До двох з її генів “причепили” гени флуоресцентних білків. Перший – Piwi1 – активний у i-клітинах та гаметах, не працює в соматичних клітинах; його флуоресцентний додаток світився зеленим. Другий ген кодує β-тубулін, він є активним в усіх диференційованих клітинах, включаючи зрілі статеві, ген не працює лише в i-клітинах; його додаток світився червоним. Таким чином, зелена флуоресценція ідентифікувала стовбурові i-клітини, а червона – усі інші.

Сусідні колонії гідрактиній здатні комунікувати, для чого між їхніми столонами формуються з’єднувальні побіги. Через них можлива міграція клітин. Розмістивши поруч генетично модифіковану та “дику” колонії, дослідники дочекалися такого з’єднання та моменту, коли до дикої колонії перемістилася модифікована i-клітина. Далі вони ізолювали цей сегмент та спостерігали за його розвитком. Це, до речі, виявилося не самим простим завданням – вдалося лише у 5 випадках з 120 встановлених контактів.

Виявилося, що у таких химерних організмах зелені клітини давали початок клітинам усіх типів – як соматичним, так і статевим. Вони світилися червоним, отже були генетично модифікованими, а значить справді походили від початкової i-клітини. Прикметно, що усі химери утворювали ооцити (“яйцеклітини”), що узгоджується із статтю вихідної ГМ-гідрактинії.

Отже, стовбурові i-клітини дорослих колоніальних кишковопорожнинних (ну, принаймні дослідженої гідрактинії) справді є плюрипотентними, на відміну від таких у хребетних та й більшості інших тварин. Функціонування цих клітин уможливлює постійне оновлення колоніального організму, а його ріст більше подібний до рослинного, ніж тваринного. У теорії така колонія здатна існувати доки її не знищать зовнішні чинники.

Дорослі плюрипотентні стовбурові клітини (ДПСК) можуть траплятися і в представників інших груп, зокрема плоских червив. Їхнє існування припускається, але поки не доведене, в губок. Цікаво, що у складніших організмів – колоніальних покривників – також є ДПСК, але окремо соматичні, окремо генеративні. Ймовірно, плюрипотентність ДПСК у кишковопорожнинних є примітивною рисою багатоклітинних тварин, яка зникла по мірі ускладнення будови та відповідно процесів розвитку організму. А в покривників ця здатність виникла повторно та вторинно.

Джерело: Varley Á, Horkan HR, McMahon ET, Krasovec G, Frank U. Pluripotent, germ cell competent adult stem cells underlie cnidarian regenerative ability and clonal growth. Curr Biol. 2023 May 22;33(10):1883-1892.e3. doi: 10.1016/j.cub.2023.03.039