Den lilla, odödliga hydraen är ett sötvattendjur som kan förnya ett helt nytt djur från bara den minsta skiva i kroppen. Vanligtvis gör det detta perfekt: En fot, en lång mager kropp och ett skafthuvud.
Men med en enda genetisk finjustering kan forskare skapa monströsa hydraer som spirar fullt funktionella huvuden över hela kroppen - lämpligt för ett djur som heter för ett forntida grekiskt monster som hade någonstans mellan sex och nio huvud.
Dessa mångledande hydraer är inte bara ett trick av galna vetenskap. För första gången har forskare räknat ut vad som håller regenereringen av hydrahuvudet i kontroll. Resultaten kan informera allt från mänskliga utvecklingsstudier till cancerforskning.
Jakten på en avbrytare
Även om hydras är enkla djur, är återväxt av kroppsdelar ingen mindre prestation. Med varje förnyelse måste djuret organisera sin kroppsplan så att bara ett huvud hamnar på toppen, och bara en fot, eller basskiva, groddar på botten. Forskare hade några av bitarna i detta pussel. De kände genen Wnt3 är avgörande för att få huvudet att växa. De visste också att det måste finnas någon molekylkontroll på Wnt3. Utan den hämningen skulle hydra bara växa huvuden överallt. De visste också att en viss receptor och genetisk aktivator, kallad beta-catenin / TCF, aktiverades av Wnt3 att starta huvudtillväxtprocessen.
Men de saknade "av" -omkopplaren. Något, de visste, var tvungen att förhindra hydra från att växa huvud efter huvud efter huvud, säger Brigitte Galliot, professor i genetik och evolution vid universitetet i Genève.
Så Galliot och hennes kollegor gick på jakt. De började med en nära släkting av hydras, planarier eller plattmaskar, som också återuppbyggs. I det planära genomet hittade de 440 gener som blir mindre aktiva när beta-catenin / TCF-signaler blockerades, vilket gav dem en utgångspunkt för sökandet efter andra gener involverade i denna cykel. Av dessa fanns 124 också i hydragenomet.
Av dem fann de bara fem gener som är mest aktiva på toppen av hydraens rörformiga kropp och minst aktiva vid dess fot, vilket innebar att de måste vara specifika för huvudväxt. Bland dessa fem letade de efter gener som blev alltmer aktiva under regenerering. Som lämnade tre: Wnt3, Wnt5 och en gen som heter SP5.
En försiktig balans
Laget visste redan det Wnt3 och Wnt5 fick den huvudväxande processen att rulla. Så de fokuserade på SP5. De fann snart att beta-catenin / TCF uppmanar aktiviteten till SP5 - men SP5 tappar också ner beta-catenin / TCF-signalerna genom att undertrycka Wnt3.
Det här låter kanske lite konstigt, men det var precis vad forskarna letade efter: en sammansättning som kunde sätta bromsarna på en annorlunda återkopplingsback. För att kontrollera deras arbete, växte de hydras konstruerade för att inte uttrycka SP5 gen.
"I 100 av dessa djur får du ektopiska huvuden," sa Galliot till Live Science. "Vilket är verkligen fantastiskt."
Vad som händer, rapporterade Galliot och hennes kollegor idag (19 jan) i tidskriften Nature Communications, är att när en hydra behöver ett nytt huvud, släpper det Wnt3, som håller fast vid beta-catenin / TCF, som aktiverar en hel massa gener, inklusive mer Wnt3 och SP5. Utan SP5, Wnt3 håller cykeln igång, och massor av huvuden dyker upp över hela den regenererande hydraen. Dessa huvuden, sade Galliot, är helt funktionella. De har ett nervsystem och tentaklar och en fungerande mun.
När SP5 är i bilden, som den är i naturen, den binder till Wnt3, hindrar den aktivatorn från att hitta och binda till beta-catenin / TCF. I frånvaro av Wnt3, beta-catenin / TCF slutar skicka "gör ett huvud!" meddelanden, och bara ett huvud växer.
Processen, sa Galliot, handlar om balansen mellan aktivering och förtryck. Och det är där saker blir intressanta. Det visar sig att Wnt3 är inte bara i flatmaskar och hydras och andra enkla, regenererande djur. Det är också hos däggdjur, inklusive människor. Genen verkar påverka den embryonala utvecklingen, vilket innebär att förståelse av dess funktion kan hjälpa forskare att förstå vad som styr den tidiga mänskliga utvecklingen. Wnt3 är också en viktig drivkraft för vissa typer av cancer, sade Galliot. Det kan vara det SP5 manipulation kan stoppa spridningen av sådana cancerformer, sade hon.
Den typen av medicinsk forskning är fortfarande långt framöver, men hydraens tentakelspetsade huvuden pekar vägen, sa Galliot.
"Vad vi lär oss av enkla organismer som denna berätta för oss vilket slags test vi kan göra hos däggdjur för att förstå bättre," sade hon. "Det ger oss en riktning."
