Den bittelille, udødelige hydraen er et ferskvannsdyr som kan gjenopprette et helt nytt dyr fra bare den minste skiver i kroppen. Vanligvis gjør den dette perfekt: En fot, en lang mager kropp og ett tennhode.
Men med en enkelt genetisk finjustering, kan forskere lage monstrøse hydras som spirer fullt funksjonelle hoder over hele kroppen - passende for et dyr oppkalt etter et eldgammelt gresk monster som hadde et sted mellom seks og ni hoder.
Disse mangehodede hydraene er ikke bare et triks av gal vitenskap. For første gang har forskere funnet ut hva som holder hydrahodefornyelse i sjakk. Funnene kunne informere om alt fra menneskelige utviklingsstudier til kreftforskning.
Jakten på en avbryter
Selv om hydras er enkle dyr, er gjenvekst av kroppsdeler ingen mindre prestasjoner. Med hver foryngelse må dyret organisere sin kroppsplan slik at bare ett hode havner på toppen, og bare en fot, eller basalskive, spirer på bunnen. Forskere hadde noen av delene av dette puslespillet. De kjente genet Wnt3 er avgjørende for å be om veksten av hodet. De visste også at det må være en viss molekylær sjekk på Wnt3. Uten den hemningen, ville hydra bare vokse hoder over alt. De visste også at en spesiell reseptor og genetisk aktivator, kalt beta-catenin / TCF, ble aktivert av Wnt3 å starte vekstprosessen.
Men de manglet "av" -bryteren. Noe, de visste, måtte hindre hydraen i å vokse hode etter hode etter hode, sa Brigitte Galliot, professor i genetikk og evolusjon ved universitetet i Genève.
Så Galliot og kollegene hennes gikk på jakt. De startet med en nær slektning av hydras, planarians eller flatworms, som også regenererer. I det planetære genomet fant de 440 gener som blir mindre aktive når beta-catenin / TCF-signaler ble blokkert, noe som ga dem et utgangspunkt for letingen etter andre gener involvert i denne syklusen. Av disse eksisterte 124 også i hydra-genomet.
Av disse fant de bare fem gener som er mest aktive øverst i hydraens rørformede kropp og minst aktive ved foten, noe som betyr at de måtte være spesifikke for hodevekst. Blant disse fem så de etter gener som ble stadig mer aktive under regenerering. Som etterlot tre: Wnt3, Wnt5 og et gen som heter SP5.
En forsiktig balanse
Det visste teamet allerede Wnt3 og Wnt5 fikk hovedvekstprosessen til å rulle. Så de fokuserte på SP5. De fant snart ut at beta-catenin / TCF ber aktiviteten til SP5 - men SP5 tapper også betakatenin / TCF-signalene ved å undertrykke Wnt3.
Dette høres kanskje litt rart ut, men det var akkurat det forskerne lette etter: en forbindelse som kunne sette bremsene på en ellers løpende tilbakemeldingssløyfe. For å sjekke arbeidet deres, ble de hydras konstruert for ikke å uttrykke SP5 gen.
"I 100 av disse dyrene får du ektopiske hoder," sa Galliot til Live Science. "Hvilket er virkelig fantastisk."
Det som skjer, rapporterte Galliot og hennes kolleger i dag (19. januar) i tidsskriftet Nature Communications, er at når en hydra trenger et nytt hode, slipper det Wnt3, som klamrer seg fast til beta-catenin / TCF, som aktiverer en hel haug med gener, inkludert mer Wnt3 og SP5. Uten SP5, den Wnt3 holder syklusen i gang, og mange hoder dukker opp over hele den regenererende hydraen. Disse hodene, sa Galliot, er helt funksjonelle. De har et nervesystem og tentakler og en fungerende munn.
Når SP5 er på bildet, som det er i naturen, binder det seg til Wnt3, hindrer den aktivatoren i å finne og binde seg til beta-catenin / TCF. I fravær av Wnt3, slutter beta-catenin / TCF å sende ut "make a head!" meldinger, og bare ett hode vokser.
Prosessen, sa Galliot, handler om balansen mellom aktivering og undertrykkelse. Og det er der ting blir interessant. Det viser seg at Wnt3 er ikke bare i flatorm og hydras og andre enkle, regenererende dyr. Det er også hos pattedyr, inkludert mennesker. Genet ser ut til å påvirke embryonal utvikling, noe som betyr at å forstå dens funksjon kan hjelpe forskere til å forstå hva som styrer tidlig menneskelig utvikling. Wnt3 er også en avgjørende driver for noen slags kreft, sa Galliot. Det kan være det SP5 manipulering kan stoppe spredningen av slike kreftformer, sa hun.
Den slags medisinsk forskning er fremdeles langt fremover, men hydras tentakelhodede hoder peker veien, sa Galliot.
"Det vi lærer av enkle organismer som denne, forteller oss hva slags test vi kan gjøre hos pattedyr for å forstå bedre," sa hun. "Det gir oss en retning."
