Gradienții Erk acționează ca o „riglă” în regenerarea înotătoarelor de zebrafish
Zebrafish pot regenera o înotătoare caudală amputată exact la dimensiunea și forma inițială, o proprietate cunoscută drept memorie pozițională. Un studiu publicat în Nature Physics arată că refacerea este coordonată de un impuls scurt de semnal de creștere la vârful înotătoarei, dimensionat în funcție de cantitatea de țesut pierdut, care stabilește gradienți de activitate Erk ce ghidează procesul.
Spre deosebire de mamifere, animale precum zebrafish și salamandre pot regenera membre și înotătoare majore după amputare, fără ca structura nouă să fie mai mică sau mai mare decât originalul. Controlul dimensiunii este fundamental: în dezvoltarea normală, membrele și organele sunt proporționale cu corpul, iar erorile de dimensionare le pot afecta sever funcția.
Cercetătorii au identificat numeroase proteine necesare pentru regenerarea înotătoarei, dar modul în care acestea conlucrează pentru a restabili dimensiunea corectă a rămas necunoscut. O ipoteză principală a fost că informația despre dimensiune este stocată în înotătoare înainte de accidentare, de exemplu sub forma unei proteine ale cărei niveluri scad de-a lungul ei. Deși există dovezi în acest sens la membrele de axolotl, un astfel de semnal stocat nu a fost găsit la zebrafish.
Înotătoarea caudală a unui zebrafish este formată din 16 până la 18 structuri osoase subțiri, numite raze, separate prin țesut moale. Fiecare rază conține diferite tipuri de celule, inclusiv osteoblaste, celulele care formează osul. Fiecare rază a unei înotătoare amputate crește independent. Razele care pierd mai mult țesut cresc mai repede, astfel încât toate revin la lungimea inițială cam în același timp.
Regenerarea începe cu formarea unui strat de piele cicatricială peste tăietură. Această piele eliberează factori de creștere care favorizează regenerarea, inclusiv Fgf (factorul de creștere al fibroblastelor). Apoi se formează o zonă de creștere la vârful fiecărei raze afectate. Cercetătorii s-au concentrat asupra proteinei Erk (kinaza reglată de semnale extracelulare), activată în interiorul celulelor de semnale externe precum Fgf. Erk favorizează diviziunea, creșterea și mișcarea celulelor.
Echipa a urmărit activitatea Erk în mii de celule din înotătoarele în regenerare, folosind zebrafish modificați genetic ale căror celule fluoresc sub microscop. Cercetătorii au amputat diferite cantități de țesut, între 0,7 și aproximativ 4 milimetri pe rază, și au observat razele la pești vii timp de aproape două săptămâni, cu microscopie de mare mărire.
Experimentele de marcare au arătat că doar celulele de la vârful țesutului nou s-au înmulțit, în timp ce cele de la bază și din mijloc au rămas pe loc. Diviziunea celulară a contribuit la aproximativ 83% din alungirea osului. Celulele cu activitate Erk mai ridicată aveau șanse mai mari să se dividă, indiferent cât de mult fusese îndepărtat din înotătoare, iar blocarea Erk a oprit atât diviziunea, cât și creșterea.
De-a lungul fiecărei raze, activitatea Erk a format un gradient, maxim la vârf și minim la locul tăieturii. Pe măsură ce raza creștea, gradientul se întindea și se estompa, păstrându-și însă forma. Aceste gradienți proveneau de la celulele pielii producătoare de Fgf de la vârful înotătoarei. Fgf era produs într-un impuls scurt, cu un vârf în jurul zilei a treia, iar numărul de celule producătoare corespundea cantității de înotătoare îndepărtate. Blocarea receptorului pentru Fgf a oprit activitatea Erk, diviziunea celulară și creșterea.
Modelul echipei sugerează că semnalul nu se răspândește prin difuzie, ci este transportat de țesutul în creștere, printr-un proces numit advecție, și se descompune lent. Pentru ca acest mecanism să funcționeze, semnalul trebuie să dureze cel puțin patru zile. Astfel, o celulă nu trebuie să „știe” cât țesut a fost îndepărtat, ci doar să urmeze instrucțiunile codificate în etapa timpurie a regenerării.
La mutanții longfin, ale căror înotătoare cresc excesiv, numărul de celule producătoare de Fgf nu corespundea cantității îndepărtate, dar prevedea totuși cât a crescut înotătoarea. Activitatea Erk s-a estompat mai lent la acești pești, ceea ce ar putea explica supracrșterea.
Concluziile sugerează că, la zebrafish, memoria dimensiunii ar putea fi stabilită printr-un răspuns timpuriu la leziune, nu stocată în înotătoare înainte de accidentare. Cercetătorii cred că abordarea lor privind studiul comportamentului celular în regenerare ar putea informa și repararea țesuturilor umane.
