Флуоресцентная гибридизация in situ и маркировка 5-этинил-2'-дезоксиуридина для стволовых клеток в гидрозоанской медузе Cladonema pacificum

Cnidaria считается базально ветвящимся метазойным типом, содержащим животных с нервами и мышцами, что ставит их в уникальное положение для понимания эволюции развития животных и физиологии ^1,2. Книдарии подразделяются на две основные группы: Anthozoa (например, морские анемоны и кораллы) обладают только личинками планулы и сидячими полипами, в то время как Medusozoa (члены Hydrozoa, Staurozoa, Scyphozoa и Cubozoa) обычно принимают форму свободно плавающих медуз, или медуз, а также личинок планулы и полипов. Книдарийцы обычно демонстрируют высокую регенеративную способность, и их основные клеточные механизмы, особенно их обладание взрослыми стволовыми клетками и пролиферативными клетками, привлекли большое внимание ^3,4. Первоначально идентифицированные у гидры, гидрозоановые стволовые клетки расположены в интерстициальных пространствах между эпителиальными клетками эктодермии и обычно называются интерстициальными клетками или i-клетками³.

Гидрозоановые i-клетки имеют общие характеристики, которые включают мультипотентность, экспрессию широко сохраненных маркеров стволовых клеток (например, Nanos, Piwi, Vasa) и миграционный потенциал 3,5,6,7,8. Как функциональные стволовые клетки, i-клетки активно участвуют в развитии, физиологии и реакциях окружающей среды гидрозоанских животных, что свидетельствует об их высокой регенеративной способности и пластичности³. В то время как стволовые клетки, похожие на i-клетки, не были идентифицированы вне гидрозоанов, даже у установленного модельного вида Nematostella, пролиферативные клетки все еще участвуют в поддержании и регенерации соматической ткани, а также зародышевой линии⁹. Поскольку исследования в области развития и регенерации книдариев были преимущественно проведены на животных полипового типа, таких как гидра, гидрактиния и нематостелла, клеточная динамика и функции стволовых клеток у видов медуз остаются в значительной степени без внимания.

Гидрозойская медуза Clytia hemisphaerica, космополитический вид медуз с различными местами обитания по всему миру, включая Средиземное море и Северную Америку, была использована в качестве экспериментального модельного животного в нескольких исследованиях развития и эволюции¹⁰. Благодаря своим небольшим размерам, простоте обращения и большим яйцам, Clytia подходит для лабораторного обслуживания, а также для внедрения генетических инструментов, таких как недавно установленные методы трансгенеза и нокаута¹¹, открывая возможность для подробного анализа клеточных и молекулярных механизмов, лежащих в основе биологии медуз. В щупальце Clytia medusa i-клетки локализуются в проксимальной области, называемой луковицей, а предшественники, такие как нематобласты, мигрируют к дистальной кончику, дифференцируясь в различные типы клеток, включая нематоциты¹².

Во время регенерации Clytia manubrium, орального органа медуз, Nanos1⁺ i-клетки, которые присутствуют в гонадах, мигрируют в область, где манубрий теряется в ответ на повреждение и участвуют в регенерации манубриума⁷. Эти результаты подтверждают идею о том, что i-клетки в Clytia также ведут себя как функциональные стволовые клетки, которые участвуют в морфогенезе и регенерации. Однако, учитывая, что свойства i-клеток различаются у репрезентативных животных полипового типа, таких как гидра и гидрактиния³, возможно, что характеристики и функции стволовых клеток разнообразны среди видов медуз. Кроме того, за исключением Клитии, экспериментальные методы были ограничены для других медуз, а подробная динамика пролиферативных клеток и стволовых клеток неизвестна¹³.

Гидрозоанская медуза Cladonema pacificum является новым модельным организмом, который может содержаться в лабораторных условиях без водяного насоса или системы фильтрации. Cladonema medusa имеет разветвленные щупальца, общую характеристику в семействе Cladonematidae, и орган фоторецепторов, называемый ocellus на эктодермальном слое около луковицы¹⁴. Процесс ветвления щупальца происходит на новом месте ветвления, которое появляется вдоль адаксиальной стороны щупальца. Со временем щупальца продолжают удлиняться и ветвиться, а старые ветви выталкиваются к кончику¹⁵. Кроме того, щупальца Cladonema могут регенерировать в течение нескольких дней после ампутации. Недавние исследования показали роль пролиферирующих клеток и стволовых клеток в разветвлении и регенерации щупальца в Cladonema ^16,17. Однако, в то время как обычная гибридизация in situ (ISH) использовалась для визуализации экспрессии генов в Cladonema, из-за ее низкого разрешения в настоящее время трудно наблюдать динамику стволовых клеток на клеточном уровне в деталях.

В данной статье описывается метод визуализации стволовых клеток в Cladonema методом FISH и совместного окрашивания с EdU, маркером пролиферации клеток¹⁸. Мы визуализируем паттерн экспрессии Nanos1, маркера стволовых клеток ^5,17, с помощью FISH, который позволяет идентифицировать распределение стволовых клеток на уровне одной клетки. Кроме того, совместное окрашивание экспрессии Nanos1 маркировкой EdU позволяет различать активно пролиферирующие стволовые клетки. Этот метод мониторинга как стволовых, так и пролиферативных клеток может быть применен к широкому спектру исследуемых областей, включая ветвление щупалец, гомеостаз тканей и регенерацию органов при кладонеме, и аналогичный подход может быть применен к другим видам медуз.