De kleine, onsterfelijke hydra is een zoetwaterdier dat met een heel klein stukje van zijn lichaam een heel nieuw dier kan regenereren. Meestal doet het dit perfect: één voet, één lang mager lichaam en één tentakelhoofd.
Maar met een enkele genetische aanpassing kunnen onderzoekers monsterlijke hydra's maken die volledig functionele hoofden over hun hele lichaam laten ontkiemen - geschikt voor een dier genoemd naar een oud Grieks monster met ergens tussen de zes en negen hoofden.
Deze veelkoppige hydra's zijn niet alleen een truc van gekke wetenschap. Voor het eerst hebben onderzoekers ontdekt wat de regeneratie van de hydra-kop onder controle houdt. De bevindingen kunnen alles informeren, van menselijke ontwikkelingsstudies tot kankeronderzoek.
De jacht op een uit-schakelaar
Hoewel hydra's eenvoudige dieren zijn, is het hergroeien van lichaamsdelen geen kleine prestatie. Bij elke regeneratie moet het dier zijn lichaamsplan zo organiseren dat slechts één hoofd bovenaan komt en slechts één voet of basale schijf op de bodem ontspruit. Onderzoekers hadden enkele stukjes van deze puzzel. Ze kenden het gen Wnt3 is cruciaal voor het stimuleren van de groei van het hoofd. Ze wisten ook dat er een moleculaire controle nodig was Wnt3. Zonder die remming zou de hydra gewoon overal hoofden groeien. Ze wisten ook dat een bepaalde receptor en genetische activator, bèta-catenine / TCF genaamd, werd geactiveerd door Wnt3 om het groeiproces van de kop te starten.
Maar ze misten de 'uit'-schakelaar. Iets wat ze wisten, moest voorkomen dat de hydra kop na kop na kop groeide, zei Brigitte Galliot, een professor in de genetica en evolutie aan de Universiteit van Genève.
Dus gingen Galliot en haar collega's op jacht. Ze begonnen met een naaste verwant van hydra's, planariërs of platwormen, die ook regenereren. In het planaire genoom vonden ze 440 genen die minder actief worden wanneer bèta-catenine / TCF-signalen worden geblokkeerd, wat hen een startpunt geeft voor het zoeken naar andere genen die bij deze cyclus betrokken zijn. Daarvan bestonden er 124 ook in het hydra-genoom.
Daarvan vonden ze slechts vijf genen die het meest actief zijn aan de bovenkant van het buisvormige lichaam van de hydra en het minst actief aan de voet, wat betekent dat ze specifiek moesten zijn voor de groei van het hoofd. Onder die vijf zochten ze naar genen die tijdens regeneratie steeds actiever werden. Er bleven er drie over: Wnt3, Wnt5 en een gen genaamd Sp5.
Een zorgvuldig evenwicht
Dat wist het team al Wnt3 en Wnt5 heeft het groeiproces van de kop op gang gebracht. Dus richtten ze zich op Sp5. Ze ontdekten al snel dat bèta-catenine / TCF de activiteit van stimuleert Sp5 - maar Sp5 onderdrukt ook de bèta-catenine / TCF-signalen door te onderdrukken Wnt3.
Dit klinkt misschien een beetje vreemd, maar het was precies waar de onderzoekers naar op zoek waren: een verbinding die de rem zou kunnen zetten op een anders weggelopen feedbacklus. Om hun werk te controleren, groeiden ze hydra's die waren ontworpen om het niet uit te drukken Sp5 gen.
'Bij 100 van deze dieren krijg je buitenbaarmoederlijke koppen', vertelde Galliot aan WordsSideKick.com. 'Wat echt geweldig is.'
Wat er gebeurt, meldden Galliot en haar collega's vandaag (19 januari) in het tijdschrift Nature Communications, dat wanneer een hydra een nieuw hoofd nodig heeft, deze wordt vrijgegeven Wnt3, die zich vastklampt aan beta-catenine / TCF, dat een hele reeks genen activeert, waaronder meer Wnt3 en Sp5. Zonder Sp5, de Wnt3 houdt de cyclus aan de gang en er verschijnen tonnen hoofden over de regenererende hydra. Deze hoofden, zei Galliot, zijn volledig functioneel. Ze hebben een zenuwstelsel en tentakels en een werkende mond.
Wanneer Sp5 is in beeld, zoals het in de natuur is, het bindt eraan Wnt3, zodat die activator geen bèta-catenine / TCF kan vinden en eraan kan binden. In de afwezigheid van Wnt3stopt beta-catenin / TCF met het uitzenden van "maak een hoofd!" berichten, en slechts één hoofd groeit.
Het proces, zei Galliot, draait helemaal om de balans tussen activering en repressie. En dat is waar dingen interessant worden. Het blijkt dat Wnt3 zit niet alleen in platwormen en hydra's en andere eenvoudige, regenererende dieren. Het komt ook voor bij zoogdieren, inclusief mensen. Het gen lijkt de embryonale ontwikkeling te beïnvloeden, wat betekent dat het begrijpen van zijn functie wetenschappers kan helpen begrijpen wat de vroege menselijke ontwikkeling regelt. Wnt3 is ook een cruciale aanjager van sommige soorten kanker, zei Galliot. Misschien is dat wel zo Sp5 manipulatie zou de verspreiding van dergelijke kankers kunnen stoppen, zei ze.
Dat soort medisch onderzoek is nog ver in de toekomst, maar de met tentakels bezaaide hoofden van de hydra wijzen de weg, zei Galliot.
'Wat we van eenvoudige organismen als deze leren, vertelt ons wat voor soort test we bij zoogdieren kunnen doen om het beter te begrijpen', zei ze. 'Het geeft ons een richting.'
