اندازه گیری رشد مجدد: شیب های Erk باله های گورخرماهی را پس از آسیب به اندازه اصلی خود هدایت می کند.

ویرایش شده توسط Sadie Harley، بررسی توسط Robert Egan

این مقاله با توجه به روند و سیاست های ویرایشی Science X بررسی شده است. ویراستاران ضمن اطمینان از اعتبار محتوا، ویژگی های زیر را برجسته کرده اند:

در یک مطالعه جدید Nature Physics، محققان دریافتند که رشد مجدد باله در گورخرماهی توسط یک انفجار کوتاه از سیگنال رشد در نوک باله انجام می شود، به اندازه مقدار از دست رفته، که شیب فعالیت Erk را تنظیم می کند که رشد مجدد را هدایت می کند.

برخلاف پستانداران، حیواناتی مانند گورخرماهی و سمندر می توانند پس از قطع عضو، زائده های اصلی مانند اندام ها و باله ها را دوباره رشد دهند. ساختار رشد مجدد از نظر شکل و اندازه با ساختار اصلی مطابقت دارد، بدون رشد یا رشد بیش از حد. این به عنوان حافظه موقعیتی شناخته می شود.

کنترل اندازه یک جنبه بیولوژیکی اساسی است. در طول رشد طبیعی، اندام‌ها و اندام‌ها متناسب با بدن هستند و اشتباهات در کنترل سایز می‌تواند به شدت عملکرد آنها را مختل کند. بازسازی همان چالش را ایجاد می کند. محققان بسیاری از پروتئین‌های مورد نیاز برای رشد مجدد باله‌ها را شناسایی کرده‌اند، اما اینکه چگونه با هم کار می‌کنند تا اندازه مناسب را بازیابی کنند، بخش گمشده‌ای از پازل باقی مانده است.

یک ایده اصلی این است که اطلاعات اندازه قبل از آسیب در باله ذخیره می شود، برای مثال، به عنوان پروتئینی که سطح آن در طول آن کاهش می یابد. در حالی که شواهدی برای این موضوع در اندام های axolotl وجود دارد، چنین سیگنال ذخیره شده ای در گورخرماهی یافت نشده است.

Phys.org با نویسندگان مشترک اشلی ریچ و استفانو دی تالیا، هر دو در مرکز پزشکی دانشگاه دوک، و کن پوس در موسسه تحقیقاتی مورگریج و دانشگاه ویسکانسین-مدیسون صحبت کرد.

محققان توضیح دادند: "درک نحوه تنظیم حافظه موقعیتی در سطح سلولی الهام بخش کار اخیرا منتشر شده است."

باله دم گورخرماهی از 16 تا 18 ساختار استخوانی نازک به نام پرتو تشکیل شده است که توسط بافت نرم از هم جدا شده اند. هر پرتو حاوی انواع مختلفی از سلول ها، از جمله استئوبلاست ها، سلول های استخوان ساز است. هر پرتو در باله دم قطع شده به طور مستقل رشد می کند. پرتوهایی که بافت بیشتری را از دست می دهند سریعتر رشد می کنند به طوری که همه آنها تقریبا در یک زمان به طول اولیه خود باز می گردند.

رشد مجدد با تشکیل لایه ای از پوست زخم بر روی برش شروع می شود. این پوست فاکتورهای رشدی را آزاد می کند که باعث بازسازی می شود، از جمله Fgf (فاکتور رشد فیبروبلاست). سپس یک ناحیه رشد در نوک هر پرتو آسیب دیده تشکیل می شود.

محققان بر روی پروتئینی به نام کیناز تنظیم‌شده با سیگنال خارج سلولی یا Erk تمرکز کردند که در داخل سلول‌ها توسط سیگنال‌های خارجی مانند Fgf فعال می‌شود. ارک تقسیم سلولی، رشد و حرکت را تقویت می کند. هر دو Fgf و Erk قبلا با بازسازی باله مرتبط بوده اند.

محققان توضیح دادند: «ما به دو دلیل روی ارک تمرکز کردیم. "اول، Erk یک تنظیم کننده شناخته شده تکثیر سلولی است، و تحقیقات قبلی نشان داده است که پرتوهای باله دمی بازسازی شده مقادیر زیادی تکثیر سلولی را نشان می دهند. دوم، تحقیقات قبلی از آزمایشگاه های Di Talia و Poss نشان داد که Erk یک تنظیم کننده کلیدی برای بازسازی استخوان در فلس های گورخرماهی است."

برای اینکه ببینند Erk چگونه رشد مجدد را هدایت می‌کند، این تیم فعالیت آن را در هزاران سلول در باله‌های در حال بازسازی دنبال کردند.

برای نظارت بر رشد مجدد در سطح سلولی، محققان از گورخرماهی دستکاری شده ژنتیکی استفاده کردند که سلول‌های آن در زیر میکروسکوپ فلورسانس می‌شوند. نشانگرهای فلورسنت مختلف استئوبلاست‌ها، سلول‌های در حال تقسیم، فعالیت Erk و سلول‌های پوستی تولیدکننده Fgf را روشن می‌کنند.

محققان مقادیر مختلفی از بافت باله را از 0.7 تا حدود 4 میلی متر در هر اشعه قطع کردند. از آنجایی که دم چنگال است، یک برش مستقیم بیشتر از پرتوهای داخلی اشعه های بیرونی را از بین می برد. این پرتوها در ماهیان زنده به مدت نزدیک به دو هفته با استفاده از میکروسکوپ با بزرگنمایی بالا مشاهده شد. از هر پرتو به طور مکرر عکس گرفته شد و تصاویر روی هم قرار گرفتند تا رشد مجدد کامل در هر پرتو را ثبت کنند.

بلافاصله پس از قطع عضو، پوست زخم در محل برش ایجاد می شود. این پوست آغاز فرآیند بازسازی است. فاکتورهای رشد از جمله Fgf را آزاد می کند. سپس یک "منطقه رشد" در نوک هر پرتو تشکیل می شود. استئوبلاست‌ها در ناحیه رشد عمدتا از سلول‌های استخوانی موجود در نزدیکی برش می‌آیند.

این سلول ها به حالت کمتر تخصصی برمی گردند و به ناحیه رشد مهاجرت می کنند. برخی نیز از سلول های ذخیره سازی استخوان در مفاصل پرتو می آیند. تعداد سلول های پوستی تولید کننده Fgf در حدود روز سوم به اوج خود می رسد، در حالی که سلول های استخوانی در سراسر بافت جدید تقسیم می شوند. پرتو بعد از برش شروع به طولانی شدن می کند.

در روز چهارم، بافت جدید به اندازه کافی وجود دارد که محققان می توانند به طور مشخص یک قسمت پایه، یک قسمت میانی و یک نوک را شناسایی کنند. این زمانی است که علامت گذاری شروع می شود.

لیزر میکروسکوپ برای تغییر رنگ گروهی از سلول‌ها در هر بخش استفاده می‌شود تا دنبال کردن آنها آسان باشد. سپس محققان این گروه ها را به مدت 24 ساعت دنبال کردند تا ببینند کدام بخش در حال رشد است. آنها همچنین فعالیت Erk را با تقسیم سلولی در همان سلول ها مقایسه کردند و نحوه تغییر Erk از نوک هر پرتو تا محل برش را در طول زمان ترسیم کردند.

برای بررسی اینکه سیگنال Erk از کجا می‌آید، از داروهایی برای مسدود کردن Erk و گیرنده Fgf استفاده کردند، مکان و زمان روشن شدن ژن‌های Fgf را اندازه‌گیری کردند و سلول‌های پوست تولیدکننده Fgf را در نوک باله شمارش کردند. آنها سپس اندازه گیری های کلیدی را در جهش یافته های باله بلند که باله های آنها بیش از حد رشد می کند، برای مقایسه تکرار کردند.

در نهایت، این تیم مدل‌های ریاضی و فیزیک ساختند تا آزمایش کنند که آیا الگوهای Erk می‌توانند نحوه رشد هر پرتو را پیش‌بینی کنند و چگونگی شکل‌گیری آن الگوها را توضیح دهند.

آزمایش علامت‌گذاری نشان داد که تنها سلول‌های نوک بافت جدید منبسط می‌شوند و سلول‌هایی به دست می‌آورند، در حالی که سلول‌های پایه و وسط در جای خود باقی می‌مانند. تقسیم سلولی حدود 83 درصد از طول استخوان را تشکیل می دهد.

سلول‌هایی که فعالیت ارک بالاتری داشتند، بدون توجه به اینکه چه مقدار از باله برداشته شده بود، بیشتر احتمال داشت تقسیم شوند، و مسدود کردن ارک هم تقسیم و هم رشد را متوقف کرد. در امتداد هر پرتو، فعالیت Erk یک گرادیان، بالاترین در نوک و کمترین در محل برش تشکیل می‌دهد. با رشد پرتو، گرادیان کشیده و محو شد در حالی که همان شکل را حفظ کرد.

محققان گفتند: «ما دریافتیم که گرادیان‌های فعالیت Erk به‌عنوان خط‌کش در طول بازسازی باله‌ها عمل می‌کنند و میزان رشد باززایی را پیگیری می‌کنند و به رشدی که هنوز باید رخ دهد دستور می‌دهند.

این شیب ها به سلول های پوست تولید کننده Fgf در نوک باله بازمی گردد. Fgf در یک انفجار کوتاه ساخته شد، در حدود روز 3 به اوج خود رسید، و تعداد سلول های تولید کننده با مقدار باله حذف شده مطابقت داشت. مسدود کردن گیرنده Fgf فعالیت Erk، تقسیم سلولی و رشد را متوقف می کند.

مدل تیم نشان می دهد که سیگنال از طریق انتشار پخش نمی شود. در عوض، توسط بافت در حال رشد، فرآیندی به نام فرارفت، حمل می شود و به آرامی تجزیه می شود. برای این کار، سیگنال باید حداقل چهار روز طول بکشد.

همانطور که محققان بیان کردند، یک سلول معین "نیازی ندارد" بداند چه مقدار بافت بریده شده است. بلکه یک سلول معین به سادگی باید دستورالعمل هایی را که قبلا در مراحل اولیه بازسازی رمزگذاری شده است، "پیروی کند".

در جهش‌یافته‌های باله بلند، تعداد سلول‌های تولیدکننده Fgf با مقدار حذف شده مطابقت نداشت، اما همچنان پیش‌بینی می‌کرد که واقعا چقدر باله دوباره رشد می‌کند. فعالیت ارک نیز در این ماهی ها کندتر محو شد که ممکن است رشد بیش از حد آنها را توضیح دهد.

یافته‌ها نشان می‌دهد که در گورخرماهی، حافظه اندازه ممکن است با پاسخ اولیه به آسیب تنظیم شود، نه اینکه از قبل در باله ذخیره شود.

محققان بر این باورند که رویکرد آنها برای مطالعه رفتار سلولی در حین بازسازی می‌تواند به ترمیم بافت انسان نیز کمک کند.

آنها گفتند: "تنها فعال کردن بازسازی بافت انسانی کافی نخواهد بود. درمان های احیا کننده موفقیت آمیز باید بدانند که چگونه سیگنال های احیا کننده را در طول زمان تیتر کنند تا اطمینان حاصل شود که اندازه مناسب و در نهایت عملکرد مناسب است."

در حالی که این مطالعه توضیح می دهد که چگونه سلول های استخوانی در حال رشد مجدد اطلاعات اندازه را می خوانند، توضیح نمی دهد که چگونه این اطلاعات در ابتدا تنظیم می شوند. اینکه چگونه تکه سلول های پوستی تولید کننده Fgf با مقدار باله برداشته شده مطابقت پیدا می کند ناشناخته باقی مانده است.

محققان گفتند: "یک جهت کلیدی در آینده درک چگونگی رمزگذاری حافظه موقعیتی (یا اندازه) در مراحل اولیه بازسازی باله است."

یکی دیگر از جهت‌گیری‌های کلیدی آینده، گسترش مطالعات ما به بافت‌های دیگر است. باله از چندین بافت، از جمله اپیدرم و فیبروبلاست‌های مزانشیمی تشکیل شده است. هر یک از این بافت‌ها سازماندهی و هندسه منحصربه‌فردی دارند و ما معتقدیم که درک چگونگی کنترل اندازه در طول بازسازی هر یک از این بافت‌ها گام بعدی جذاب است.

نوشته شده توسط نویسنده ما Tejasri Gururaj، ویرایش شده توسط Sadie Harley، و بررسی واقعیت و بازبینی توسط رابرت ایگان - این مقاله نتیجه کار دقیق انسانی است. ما برای زنده نگه داشتن روزنامه نگاری علمی مستقل به خوانندگانی مانند شما متکی هستیم. اگر این گزارش برای شما مهم است، لطفا یک کمک مالی (به ویژه ماهانه) در نظر بگیرید. به عنوان تشکر، یک حساب کاربری بدون آگهی دریافت خواهید کرد.

اشلی ریچ و همکاران، شیب های ارک در حال پوسیدگی و گسترش حافظه اندازه اسکلتی را در طول بازسازی باله گورخرماهی پردازش می کنند، فیزیک طبیعت (2026). DOI: 10.1038/s41567-026-03426-w. در bioRxiv : www.biorxiv.org/content/10.110 … /2025.01.23.634576v1

اطلاعات مجله: Nature Physics , bioRxiv

نویسنده علوم آزاد با MS در فیزیک. رشته های علمی متنوع را از طریق نوشتن تحقیق محور بررسی می کند. نمایه کامل →

کارشناسی علوم زیستی و اکولوژی. پیشینه آزمایشگاه میکروبیولوژی با تجربه اخبار دارویی در صنایع نفت، گاز و تجدیدپذیر. نمایه کامل →

لیسانس زیست شناسی ریاضی، کارشناسی ارشد در نوشتن خلاق. خوش سفر با دیدگاه های منحصر به فرد در علم و زبان. نمایه کامل →