Золотые яблочные улитки могут регенерировать глаза: как это поможет людям

Золотая яблочная улитка обладает глазами камерного типа, которые принципиально схожи с человеческим глазом. В отличие от людей, улитка может регенерировать утраченный или повреждённый глаз. Биолог из UC Davis Элис Аккорси изучает, как улиткам удаётся этот трюк. Эти знания могут помочь понять повреждения глаз у людей и даже привести к новым методам лечения. Фото: Элис Аккорси, UC Davis

Глаза человека сложны и практически не поддаются восстановлению, однако по структуре они похожи на глаза пресноводных яблочных улиток, которые способны полностью регенерировать свои глаза. Элис Аккорси, доцент молекулярной и клеточной биологии в Калифорнийском университете в Дэвисе, исследует, как эти улитки восстанавливают свои глаза — с конечной целью помочь в восстановлении зрения у людей с травмами глаз.

В новом исследовании, опубликованном 6 августа в журнале Nature Communications, Аккорси показывает, что глаза яблочных улиток и человека имеют множество анатомических и генетических сходств.

«Яблочные улитки — удивительные организмы, — говорит Аккорси. — Они предоставляют уникальную возможность изучать регенерацию сложных сенсорных органов. До этого у нас не было системы для изучения полной регенерации глаза».

Её команда также разработала методы редактирования генома яблочной улитки, что позволит изучить генетические и молекулярные механизмы, стоящие за регенерацией глаз.

Не такие уж медленные

Золотая яблочная улитка (Pomacea canaliculata) — пресноводный вид из Южной Америки. Сейчас она инвазивна во многих регионах мира, но Аккорси отмечает, что те же черты, которые делают улиток инвазивными, делают их удобными для лабораторных исследований.

«Яблочные улитки выносливы, у них короткое время генерации и много потомства», — поясняет она.

Помимо простоты выращивания в лаборатории, у этих улиток есть глаза «камерного типа» — такие же, как у людей.

Способность улиток к регенерации известна веками — ещё в 1766 году исследователь заметил, что обезглавленные садовые улитки могут отрастить новую голову. Однако Аккорси стала первой, кто применил эту особенность в исследованиях регенерации.

«Когда я начала читать об этом, я спрашивала себя: почему никто ещё не использует улиток для изучения регенерации? — говорит Аккорси. — Думаю, просто мы не нашли идеальную улитку для изучения — до этого момента. Многие другие улитки сложны или очень медленно размножаются в лаборатории, а у многих видов есть метаморфоз, что добавляет сложностей».

Глаза как камера

В животном мире существует множество типов глаз, но глаза камерного типа известны своей способностью создавать высокодетализированные изображения. Они состоят из защитной роговицы, хрусталика для фокусировки света и сетчатки, содержащей миллионы светочувствительных клеток. Такие глаза есть у всех позвоночных, некоторых пауков, кальмаров, осьминогов и улиток.

Используя комбинацию диссекций, микроскопии и геномного анализа, команда Аккорси показала, что глаза яблочных улиток анатомически и генетически схожи с человеческими.

«Мы проделали большую работу, чтобы показать, что многие гены, участвующие в развитии человеческого глаза, присутствуют и у улиток, — говорит Аккорси. — После регенерации морфология и экспрессия генов нового глаза практически идентичны исходному».

Как отрастить глаз

Так как же улитки регенерируют глаза после ампутации? Исследователи выяснили, что процесс занимает около месяца и состоит из нескольких фаз. Сначала рана заживает, чтобы предотвратить инфекцию и потерю жидкости (это занимает около 24 часов). Затем неспециализированные клетки мигрируют и размножаются в этой области. Примерно за полторы недели эти клетки специализируются и начинают формировать структуры глаза, включая хрусталик и сетчатку. К 15-му дню после ампутации все структуры глаза, включая зрительный нерв, уже присутствуют, но продолжают созревать и расти ещё несколько недель.

«У нас пока нет окончательных доказательств, что они могут видеть изображения, но анатомически у них есть все компоненты, необходимые для формирования изображения, — говорит Аккорси. — Было бы очень интересно разработать поведенческий тест, чтобы показать, что улитки могут обрабатывать стимулы новыми глазами так же, как и исходными. Над этим мы работаем».

Команда также исследовала, какие гены активны во время регенерации. Они обнаружили, что сразу после ампутации у улиток около 9000 генов экспрессировались иначе, чем в нормальных глазах. Через 28 дней 1175 генов всё ещё работали иначе в регенерированном глазу, что говорит о том, что хотя глаза выглядят полностью развитыми через месяц, полное созревание может занимать больше времени.

Гены регенерации

Чтобы лучше понять, как гены регулируют регенерацию, Аккорси разработала методы редактирования генома улиток с помощью CRISPR-Cas9.

«Идея в том, что мы мутируем определённые гены и смотрим, как это повлияет на животное, что поможет нам понять функцию разных частей генома», — объясняет Аккорси.

В первом тесте команда использовала CRISPR/Cas9 для мутации гена pax6 у эмбрионов улиток. Pax6 известен тем, что контролирует развитие мозга и глаз у людей, мышей и плодовых мух. Как и у людей, у улиток две копии каждого гена — по одной от каждого родителя. Исследователи показали, что если у улиток обе копии pax6 нефункциональны, они развиваются без глаз, что подтверждает ключевую роль этого гена в формировании глаз.

Сейчас Аккорси работает над следующим шагом: проверяет, играет ли pax6 роль в регенерации глаз. Для этого учёным нужно будет мутировать или отключить pax6 у взрослых улиток и проверить их способность к регенерации.

Она также исследует другие гены, связанные с глазами, включая гены, кодирующие конкретные части глаза (например, хрусталик или сетчатку), и гены, контролирующие pax6.

«Если мы найдём набор генов, важных для регенерации глаз, и эти гены есть у позвоночных, теоретически мы могли бы активировать их, чтобы включить регенерацию глаз у людей», — говорит Аккорси.

Среди соавторов исследования — Асмита Гаттамараджу из UC Davis, а также Бренда Пардо, Эрик Росс, Тимоти Дж. Корбин, Мелайния Макклейн, Кайл Уивер, Ким Делвенталь, Джейсон А. Моррисон, Мэри Кэтлин Маккинни, Шон А. Маккинни и Алехандро Санчес Альварадо из Института медицинских исследований Стоуэрс. Большая часть исследования проводилась Аккорси в этом институте, где она работала постдоком до перехода в UC Davis в 2024 году.

Исследование финансировалось Медицинским институтом Говарда Хьюза, Обществом биологии развития, Американской ассоциацией анатомии и Институтом медицинских исследований Стоуэрс.

Источники:

Материалы предоставлены Калифорнийским университетом в Дэвисе.