BIOLOGIJA

Naučne nedoumice: Razvoj ekstremiteta

Mada sakupljana više od tri decenije, znanja o tome kako embrioni učestvuju u stvaranju ekstremiteta još uvek se preispituju. Na pragu smo novih otkrića koja potiru ona stara

Gotovo svaki udžbenik iz biologije ima poglavlje o embrionima, i u njemu gotovo sigurno jedan ili više pasusa o modelu „zone progresa“ (ZP). Taj model je jedan od najuticajnijih i najčvršće ukorenjenih u biologiji. On objašnjava na koji način svako stvorenje sa četiri ekstremiteta i kičmom, od aligatora i zebri do ljudi, razvija ruke i noge. Neki biolozi smatraju da on nudi rešenja za objašnjavanje zamršenog procesa po kome od jedne ćelije nastaje beba.

Ovaj model je predložen pre trideset godina da bi se objasnilo kako se grupa sličnih ćelija transformiše, tačno određenim redosledom, u različite delove krila, ruke ili noge. Model je bio jednostavan i podržan odgovarajućim eksperimentalnim dokazima. Ubrzo je postao opšteprihvaćen. Pošto ga dugo vremena niko nije dovodio u pitanje, nije bio izložen dodatnoj ozbiljnoj naučnoj proveri.

Ekstremiteti se kod svih kičmenjaka razvijaju na isti način. Ali, da li je naše objašnjenje o funkcionisanju ovog mehanizma pogrešno?

Ipak, nedavno su dva tima u SAD odvojeno istraživala teoriju ZP i objavila rezultate prema kojima ispada da je ova teorija pogrešna. Rezultati su izazvali šok u svetu razvojne biologije. Pojavili su se branioci teorije ZP kako bi osporili nova otkrića, želeći da dokažu da se ona uklapaju u već postojeći model. Ako je model ZP zaista pogrešan, veliki deo znanja o biologiji mogao bi biti doveden u pitanje.

Unutarćelijski časovnik

Ruka je podeljena na tri osnovne jedinice: nadlakticu, podlakticu i šaku. I noga prati ovaj obrazac, kao i svi ekstremiteti kod kičmenjaka, od krila šišmiša do kitovog repa. Model ZP objašnjava kako dolazi do ovog obrasca. Kod embriona kičmenjaka, ekstremiteti započinju kao pupoljci, kao male gomile nespecijalizovanih ćelija koje progresivno rastu dok ne oblikuju sve elemente trodelnog ekstremiteta. Kod pilića, ovaj proces počinje oko tri dana nakon oplodnje i traje nedelju dana. Kod ljudskog embriona, taj proces počinje u petoj a okončava se u osmoj nedelji.

Prema modelu ZP, ključnu ulogu u ovom procesu igra „zona progresa“ - masa ćelija koje se brzo razmnožavaju ali se ne razlikuju međusobno. Masa se nalazi odmah ispod vrha izdanka ekstremiteta. Zona progresa stvara ekstremitete, stalno proizvodeći nove ćelije iz izlazne ivice, koje dalje stvaraju kosti, mišiće i hrskavicu, sastavne delove potpuno formiranog ekstremiteta.

Međutim, kako ove nove ćelije “znaju” koji će deo ekstremiteta postati? Prema modelu ZP, svaka ćelija u zoni progresa ima unutrašnji časovnik koji počinje sa otkucavanjem čim se formira izdanak ekstremiteta. Nove ćelije nasleđuju sat majki ćelija, ali čim izađu iz ZP, sat se zaustavlja. U tom trenutku, sudbina ćelije je zapečaćena. Ćelije čiji je sat “kucao” kratko pre nego što je napustio ZP, učestvuju u formiranju nadlaktice. Ćelije čiji sat duže “otkucava” učestvuju u stvaranju podlaktice, ili čak šake.

Tačna priroda ovog sata nikad nije određena ali, prema modelu ZP, njega pokreću fibroblasti. Oni se nalaze u izbočini specijalizovanog tkiva na samom vrhu ekstremiteta, apikalnom ektodermalnom hrbatu.

Šta ćelije “znaju”

Veliki deo onoga šta znamo o nastajanju ekstremiteta dolazi od studija o embrionima pilića. Isti je slučaj i sa modelom ZP. Biolozi su otkrili da bi mogli izazvati dramatične promene u strukturi ekstremiteta ukoliko bi uklonili apikalni ektodermalni hrbat iz embriona pilića. Ukoliko bi se on uklonio u ranoj fazi razvoja, nastao bi ekstremitet sa normalnom nadlakticom, ali se ne bi razvilo ništa drugo – kao da je sat ćelije kucao samo jedno kratko vreme. Ukoliko bi se uklonio kasnije, “dozvolio” bi većem delu ekstremiteta da se normalno razvije. Time se pokazalo da se nastajanje ekstremiteta dešava korak po korak: prvo nadlaktica, potom podlaktica i, na kraju, šaka.

Nova istraživanja dovode ovaj model u pitanje. Prema njima, ne postoji zona progresa, sat koji otkucava, niti formiranje korak po korak. Umesto ovoga, ćelije unutar ekstremiteta već znaju šta će kasnije postati. Pupoljak, u stvari, predstavlja mali prethodno oblikovani ekstremitet.

Ova ideja se prvi put javila kada je grupa naučnika, želeći da preciznije ispita veličinu zone progresa, došla do zapanjujućih rezultata. Oni su ubrizgavali trajnu farbu u začetke ekstremiteta embriona pilića starih tri dana, na sve veću i veću dubinu. Tako su postavili jasne znake u obliku tankih slojeva različito obojenih ćelija, u zavisnosti od udaljenosti od središta.

Prema modelu ZP, boja postavljena bilo gde u zoni progresa bi trebalo da se proširi kroz čitav ekstremitet, kako se ćelije množe. Ovim eksperimentom trebalo je utvrditi gde je granica zone progresa. Rezultat je bio iznenađujući. Bez obzira na dubinu, boja se nikad nije širila kroz ekstremitet. Ona je ostajala fiksirana na jednom mestu. Kada su obeležene ćelije na spoljnom delu začetka, boja se pojavila na prstima. Kada su obeležene ćelije bliže centru, boja se javila na podlaktici. Činilo se da su ćelije unutar zone progresa, u trenucima kada još nisu bile izdiferencirane, već znale na kom delu ekstremiteta će završiti.

Taj rezultat je bio problematičan i trebalo ga je proveriti pa su naučnici osmislili još jedan eksperiment. Vrhovi pupoljaka krila kod embriona pilića uklanjani su u različitim fazama i kalemljeni na začetak ekstremiteta koji je bio odsečen. Ukoliko je model ZP ispravan, kalemi iz ranih faza embriona trebalo je da izrastu u kompletne ekstremitete. Ali, bez obzira na to da li su vrhovi poticali od rane ili kasne faze začetaka ekstremiteta, oni su proizvodili samo prste, što je nagoveštaj mogućnosti da je njihova sudbina već ranije bila određena.

O čemu je ovde reč? Prema klasičnim eksperimentima koji su doveli do teorije o zoni progresa, mogućnost rane diferencijacije bi bila isključena. Svi se slažu da bi uklanjanje apikalnog ektodermalnog hrbata u ranoj fazi rezultovalo potpunim gubitkom podlaktice i šake. Ali ako postoje delovi začetka ekstremiteta čija je namena da to postanu, zašto oni nestaju?

Da bi se pomirili očigledno protivrečni rezultati, okrenulo se prethodnom radu sa idejom da se uklanjanjem apikalnog ektodermalnog hrbata izaziva porast smrti ćelija u začetku ekstremiteta. Prema modelu ZP, kada se on ukloni, odseca se snabdevanje faktorima rasta pa se unutrašnji sat prerano zaustavlja, što znači da se dalji delovi ekstremiteta nikad neće formirati. Pitanje je da li se samom smrću ćelija može objasniti osakaćenje.

Uloga fibroblasta

Ranije se uvek razmišljalo o razvoju ekstremiteta iz ugla modela ZP. Međutim, noviji rezultati pokazuju da ne postoji posebna zona niti je ona progresivna. Potom su počela istraživanja detalja alternativne teorije.

Model „rane diferencijacije“ se radikalno razlikuje od modela ZP. Umesto diferencijacije po napuštanju zone progresa, ćelije u izdanku ekstremiteta već “znaju” kako će se razviti. Neke su predodređene za rame a druge za šaku. Jednom kada se ovaj obrazac uspostavi, različiti regioni se razvijaju jedan po jedan i formiraju čitav ekstremitet.

Alternativni model sadrži i neke nedostatke. Na primer, on ne govori o tome kako i kada se događa preterminalno obrazovanje. Smatra se da je potrebno samo nekoliko sati da dođe do specifikacije uloge ćelija u izdanku ekstremiteta. Prvo počinju ćelije koje će postati rame, i to 72 sata nakon oplodnje. Ali, još uvek se ne zna po kom mehanizmu se to dešava.

Ubrzo se došlo do podataka koji podržavaju ovu teoriju. Istraživano je kako fibroblast utiče na formiranje ekstremiteta. Tako su naučnici koristili mutirane miševe kod kojih su odstranjeni najvažniji fibroblasti u toku razvitka. U modelu ZP, oni igraju ključnu ulogu. Oni održavaju unutrašnje otkucavanje ćelijskih časovnika. Ako ih uklonite rano, prestaje razvitak ekstremiteta.

Bez fibroblasta, razvoj ekstremiteta je prestao, što nije bilo iznenađenje. Ali kod zakržljalih šapica miševa primećeno je nešto što se ne slaže sa modelom ZP. Iako se zadnje šape uopšte nisu formirale, prednje jesu. Ovo je stvorilo neke vrlo začuđujuće obrasce.

Kao što je i predviđeno modelom ZP, prednje šape su imale normalne kosti gornjeg dela. Ali, otkrilo se i nešto što je modelom ZP isključeno: zglob, šaka i kosti prstiju, sitniji nego obično. Dalja analiza miševa mutanata pokazala je da fibroblasti nemaju nikakve veze sa unutrašnjim satovima, već da promovišu proliferaciju ćelija. Sve se ovo dobro uklapa sa novim modelom: izdanak ekstremiteta sadrži ćelije prethodnice za sva tri dela ekstremiteta, koje se množe pod uticajem fibroblasta koji podstiču njihov rast.

Između dve teorije

Pristalice teorije ZP smatraju da eksperimenti iz kasnih sedamdesetih godina 20. veka potvrđuju tačnost tog modela. Tada su mladi pupoljci ekstremiteta ozračeni X-zracima, koji su uništili većinu ćelija u zoni progresa. Kada su se ekstremiteti formirali, nedostajali su im gornji delovi a imali su normalne prste. Model ZP objašnjava ovo tezom da preživele ćelije okupiraju depopularizovanu zonu progresa duže nego što je uobičajeno, tako da je nijedna ćelija ne napusti ranije i ne formira se gornji deo ekstremiteta. Smatra se da nove teorije ne pružaju objašnjenje za ove pojave.

Postoje i drugačiji stavovi. Predstavnici nove teorije kažu da ovi rezultati jednostavno pokazuju koliko daleko putuje talas preterminalnog obrazovanja kada se uključe X-zraci. Ako su obrasci strukture gornjeg dela ruke već bili primenjeni na ćelije u ovoj fazi, ne mogu biti rekonstituisani od strane preživelih ćelija nakon zračenja. Prsti su, s druge strane, poslednji obrazovani, tako da ponekad prežive. Ovo pitanje je ključni deo sukoba između pristalica nove i stare teorije.

Neki naučnici smatraju da bi bilo potrebno pronaći dokaze o genetskim razlikama između ćelija unutar izdanka, što bi definitivno ojačalo teoriju o preterminalnom obrazovanju. Drugi embriolozi su takođe oprezni u davanju ocena. Smatra se da je potrebno bolje objasniti mehanizam preterminalnog obrazovanja budući da model ZP nije savršen. Na primer, još uvek ne postoje dokazi o postojanju unutrašnjeg sata. Bilo je pretpostavki da ćelije mogu da izbroje koliko se puta podele, ili da molekul „oscilator“ nekako obeležava vreme, mada niko ne zna zasigurno kako ćelije mere vreme tokom kojeg ostaju unutar zone progresa.

Ako se na kraju ispostavi da model ZP treba odbaciti, biće to veliki šok za sve koji se bave razvojnom biologijom. Ono što je pozitivno u vezi čitave stvari jeste da će nastale nedoumice naterati naučnike da najzad utvrde da li je model ZP ispravan ili ne.

(NewScientist)