Ученые выяснили, почему млекопитающие не могут отращивать конечности

Исследование, опубликованное 9 апреля в журнале Science и проведенное командой под руководством Кана Ацтекина и лаборатории Фридриха Мишера Общества Макса Планка предлагает новое объяснение старой биологической загадки. Оказалось, что ключ к регенерации может скрываться не в отсутствии нужных генов, а в том, как клетки реагируют на кислород после травмы.

Почему амфибии восстанавливаются, а млекопитающие — нет

Саламандры, аксолотли и головастики способны заново отращивать утраченные конечности. У млекопитающих такой способности почти нет. После травмы их ткани быстро переходят к образованию рубца, а не к восстановлению утраченной структуры.

Долгое время ученые искали причину в различиях между видами. Но за последние годы стало ясно: многие гены, связанные с регенерацией, есть и у млекопитающих. Вопрос был в другом — почему эта программа не запускается.

«Хотя многие исследования показали, что регенеративные виды и млекопитающие имеют схожие гены, оставалось неясным, могут ли ткани млекопитающих действительно активировать программы регенерации конечностей и что именно этому мешает», — объясняет Ацтекин.

Главный фактор — кислород

Авторы сравнили, как заживают ампутированные зачатки конечностей у головастиков лягушек и эмбрионов мышей. Ткани выращивали вне организма и меняли условия среды: часть образцов держали при пониженном уровне кислорода, похожем на водную среду, часть — при уровне, близком к атмосферному воздуху.

Особое внимание ученые уделили белку HIF1A. Это клеточный датчик кислорода: когда кислорода мало, он стабилизируется и запускает программы, которые помогают клеткам пережить стресс, быстрее закрыть рану и перейти в режим восстановления.

Именно это и произошло у мышей. При низком уровне кислорода ткани быстрее затягивали повреждение, а клетки начинали вести себя так, как ведут себя ткани у животных, способных к регенерации.

Что изменилось в клетках мышей

В условиях пониженного кислорода клетки кожи у эмбрионов мышей стали более подвижными и легче перестраивали свою форму. Это важно, так как чтобы закрыть рану, клетки должны буквально «переползти» на поврежденный участок.

Одновременно изменился обмен веществ. Клетки переключились на гликолиз — способ получения энергии, который лучше работает при нехватке кислорода. Такой режим характерен для быстро растущих и восстанавливающихся тканей.

Изменения затронули и уровень управления генами. Ученые увидели сдвиг в эпигенетических метках — химических сигналах, которые регулируют, какие участки ДНК активны. Это означало, что у мышей начали включаться ранние регенеративные программы.

Примечательно, что похожий эффект удалось получить и без снижения кислорода — достаточно было искусственно стабилизировать HIF1A. Это показывает, что важен не сам воздух, а то, как клетка воспринимает его уровень.

Почему амфибии справляются лучше

У головастиков картина оказалась иной. Их конечности эффективно восстанавливались в очень широком диапазоне кислорода — даже при значениях выше обычного атмосферного уровня.

Причина в том, что их клетки дольше сохраняют активность HIF1A. Иначе говоря, амфибии как будто дольше остаются в «режиме восстановления», даже когда внешние условия меняются.

Сравнение данных по лягушкам, аксолотлям, мышам и людям показало общую закономерность. У видов, способных к регенерации, система восприятия кислорода работает мягче. У млекопитающих она, наоборот, слишком быстро выключает восстановительные сигналы.

Что это значит для человека

Важно, что речь пока не идет о полном отращивании конечности у мышей или тем более у человека. Исследование показало лишь запуск ранних этапов регенерации — более быстрое заживление и включение нужных генетических программ.

Но сам вывод очень важен: у млекопитающих, вероятно, сохраняется скрытый потенциал к восстановлению, который обычно блокируется слишком рано.

«Прямое сравнение видов, способных и неспособных к регенерации, позволяет по-новому взглянуть на вопрос, которому уже несколько столетий. Наши результаты начинают намечать четкий, проверяемый путь к стимулированию регенерации конечностей у взрослых млекопитающих», — говорит Ацтекин.

Если эти механизмы удастся безопасно контролировать, в будущем это может помочь не только с заживлением тяжелых ран, но и с восстановлением после серьезных повреждений.