Mięśnie wypławka są jednocześnie mapą jego ciała
Wypławek potrafi odtworzyć brakującą głowę, ogon i narządy, ale same komórki macierzyste nie wystarczą, by wiedzieć, co ma powstać po przecięciu zwierzęcia. U planarii wiele genów przekazujących informację o położeniu w ciele działa w dojrzałych komórkach mięśniowych. Po urazie wzór ich aktywności szybko się przestawia i pomaga określić, która strona rany ma stać się przodem, tyłem albo inną częścią osi ciała. Mięśnie pełnią więc zaskakująco podwójną funkcję: kurczą ciało, a równocześnie przechowują coś w rodzaju biologicznego układu współrzędnych dla regeneracji.
Regeneracja potrzebuje nie tylko budulca
Wypławki, czyli płazińce z grupy planarii, słyną z tego, że niewielki fragment ich ciała może odbudować brakujące części. Łatwo wyobrazić sobie, że sekret polega po prostu na ogromnej liczbie komórek macierzystych. Te komórki — neoblasty — rzeczywiście są konieczne, lecz rozwiązują tylko połowę problemu. Z komórki macierzystej można wytworzyć wiele typów komórek, ale po amputacji organizm musi jeszcze rozstrzygnąć, czego brakuje i gdzie ma to powstać. Komórka przy ranie nie może zgadywać, czy ma uczestniczyć w budowie gardzieli, oka, mózgu czy tylnej części ciała. Regeneracja wymaga więc informacji przestrzennej, podobnie jak budowa domu wymaga nie tylko cegieł, lecz także planu określającego, gdzie ma być ściana, okno i dach.
Biologiczny układ współrzędnych w mięśniach
Badania nad planariami wykazały, że liczne geny określane jako positional control genes mają charakterystyczne obszary aktywności wzdłuż osi ciała. Co zaskakujące, większość tej informacji nie jest przechowywana w neoblastach, lecz przede wszystkim w dojrzałych komórkach mięśniowych ściany ciała. Różne fragmenty mięśni wyrażają odmienne zestawy sygnałów, m.in. należących do szlaków Wnt i BMP. Dzięki temu komórki w różnych miejscach mają inną „tożsamość pozycyjną”. Nie jest to mapa w sensie rysunku ani centralnego planu zapisanego w jednym narządzie. Jest to rozproszony wzór aktywności genów, z którego regenerujące tkanki mogą odczytać położenie w organizmie.
Po przecięciu mapa się aktualizuje
Najbardziej niezwykłe jest to, że układ informacji pozycyjnej nie jest statyczny. Po amputacji komórki mięśniowe w pobliżu rany szybko zmieniają ekspresję genów, dostosowując lokalne instrukcje do nowej geometrii ciała. Ten proces może zachodzić nawet wtedy, gdy neoblasty zostały zniszczone promieniowaniem, co pokazuje, że przestawienie mapy nie jest po prostu skutkiem powstawania nowych tkanek. Najpierw zmienia się informacja o tym, jaka część ciała powinna znajdować się w danym miejscu, a dopiero potem komórki macierzyste dostarczają odpowiednich typów komórek. Organizm potrafi zatem przebudować swój „system współrzędnych” zanim odbuduje brakujący fragment.
Gdy instrukcja jest zła, regeneracja buduje złą część
Znaczenie tej mapy widać szczególnie dobrze w eksperymentach zaburzających szlak Wnt. Przy odpowiednich manipulacjach molekularnych rana, która normalnie odtworzyłaby ogon, może wytworzyć cechy przedniej części ciała. Klasyczne doświadczenia z planariami pokazały nawet powstawanie osobników z dwiema głowami. Nie oznacza to, że pojedynczy gen jest „genem głowy”. Chodzi o zmianę całego układu sygnałów określających biegunowość i pozycję. Materiał regeneracyjny pozostaje zdolny do wzrostu, lecz otrzymuje inną informację o tym, jaki program anatomiczny powinien zrealizować.
Dlaczego to zmienia sposób myślenia o mięśniach
Mięśnie zwykle kojarzymy z ruchem: ich komórki kurczą się i wytwarzają siłę. U planarii te same dojrzałe komórki są także jednym z głównych nośników informacji potrzebnej do utrzymania i odtwarzania planu ciała. To dobry przykład biologicznej wielofunkcyjności: tkanka nie musi mieć tylko jednego zadania. Pokazuje również, dlaczego posiadanie komórek macierzystych nie wystarcza do regeneracji złożonego narządu. Trzeba jeszcze potrafić wskazać im właściwe miejsce i los. Właśnie połączenie plastycznych neoblastów z rozproszoną mapą pozycyjną sprawia, że wypławek potrafi odtwarzać ciało z tak niezwykłą precyzją.
Mięśnie nie tylko przechowują mapę — ich układ też ma znaczenie
Ściana ciała planarii zawiera włókna mięśniowe biegnące w różnych kierunkach. Eksperymentalne zaburzenie wybranych populacji włókien może prowadzić do charakterystycznych problemów z pozycjonowaniem regenerowanych struktur. To wskazuje, że informacja o planie ciała nie jest po prostu jedną listą genów rozlaną równomiernie w mięśniach. Jest zakotwiczona w przestrzennej organizacji tkanki. Regeneracja wykorzystuje więc istniejącą architekturę mięśni jako część systemu odniesienia. Gdy organizm traci fragment, nie buduje wszystkiego od zera, lecz przelicza nowy kształt na podstawie sieci komórek, które pozostały.
Skalowanie ciała jest częścią tej samej zagadki
Po przecięciu planarii pozostały fragment nie tylko dorabia brakującą część. Musi też zmienić proporcje tkanek, aby mały kawałek nie skończył jako zwierzę z głową wielkości dawnej głowy i mikroskopijnym tułowiem. Ten proces przebudowy istniejących tkanek określa się jako morfalaksję. Informacja pozycyjna pomaga zarówno wskazać miejsce tworzenia nowych narządów, jak i przeskalować już istniejące struktury do nowego rozmiaru organizmu. Dzięki temu „mapa” w mięśniach nie jest tylko instrukcją awaryjną po amputacji; uczestniczy także w codziennym utrzymaniu prawidłowego planu ciała.