头被切除后也能再生,这种“永生”的动物是如何做到的?

  从断尾重生的壁虎,到能重新长出角的雄鹿,再到四肢、尾巴甚至是心脏都能再生的蝾螈,动物界的不少成员都掌握了再生的技能。不过,如果被切除的是头部,要重新长出来就要困难得多。因此,能做到这一点的水螅(hydra),吸引了不少科学家的目光。

  水螅最令人诧异的是长寿能力,这些能无限自我更新的动物甚至被认为 “长生不死”。如果没有其他动物捕食、拥有充足的食物来源,这些动物可以持续不断地替换缺失的身体组织,如同一艘“忒修斯之船”让生命得以延续。2014年,《自然》的一项研究推测,在实验室环境中,部分水螅甚至可以存活超过1400年。

  作为一类主要生活在淡水中的刺胞动物,水螅最长也不过3厘米,身体形同一根管子。在它们的口部周围,长着6~10条能帮助它们捕食、移动的触手。也正是因为这些细长的触手,水螅得名于希腊神话中的九头蛇海德拉(Hydra)。除了相似的外貌,水螅与九头蛇的相似之处还体现在断头再生的能力。

  早在18世纪,瑞士人Abraham Tremblay就发现了水螅具有再生能力。但在近3个世纪后的今天,水螅再生的遗传学机制依然是个未解之谜。最近,一项发表于Genome Biology and Evolution的研究借助全新的研究方法,找到了水螅再生的重要线索。

  在介绍最新研究之前,我们先来看看水螅再生的身体结构基础。作为刺胞动物,水螅并没有演化出真正的脑部结构。而它的头部,除了用于进食与排泄的口、触手,还有一个对于生长发育至关重要的结构:头部“组织者”(head organizer)。

  这是一个由50~100个细胞组成的细胞团,正常情况下,当水螅通过出芽生殖的无性生殖方式繁育后代时,正是这个细胞团决定了新个体的细胞分化。在出芽生殖过程中,母体上首先长出一个“芽”,这个经过分化的芽体与母体脱离后,就成为一个新的水螅个体。

  但当水螅的头部被切除,这个头部“组织者”自然也随之离开了身体。这时,失去指挥者的水螅身体又该如何再生?

  水螅的解决方案是重新长出一个头部“组织者”。当头部被切除,一系列遗传和表观遗传活动可以迅速诱导一个新的头部“组织者”形成,从而指导其他结构的分化与再生。

  那么,究竟是哪些遗传因素参与了这个过程,而调控头部再生与正常出芽生殖这两个过程的遗传因素,又有哪些差异?这就是最新研究希望解决的问题。

  此前的研究已经揭示了数个与水螅的头部再生相关的基因。但这些研究往往聚焦于某一个基因或生物过程的活动,因此已经发现的相关遗传因素数量有限。相比之下,最新研究采用了更加综合的研究方式,来探索出芽生殖和再生这两个过程的遗传差异。

  为此,研究团队通过一系列实验确定了在头部再生过程中,有哪些基因参与表达。此外,为了揭示控制头部再生的调控因素,他们首先确定了基因组中的开放染色质区域,从而判断转录因子可能作用的区域;随后通过一项组蛋白修饰技术,揭示在再生与出芽生殖过程中,各自有哪些候选启动子和增强子区域表达上调——结果反映了两个过程中的表观遗传差异。

  研究团队通过筛选发现,共有298个基因在出芽生殖和再生过程有着不同的表达,表明这两个过程通过不同的方式进行调控。此外,在超过2.7万个开放染色质区域中,分别有9998个候选启动子和3018个候选增强子区域在两个过程中有着不同的表达。这说明当水螅组织受损时,为了驱动再生过程,大量候选转录因子得到重塑,从而形成与出芽生殖不同的遗传模式。

  造成这一差异的原因或许在于,再生时,水螅需要快速优先表达能确保生存的基因。例如去年的一项研究指出,水螅会迅速组装出口部。相反,出芽生殖过程没有这样的急迫性,因此无需考虑优先级,可以按照既定步伐来表达。

  至此,这项研究首次揭示了在水螅头部再生过程中改变的候选转录因子,帮助我们理解水螅如何根据需要开启或关闭基因,从而实现个体发育。

  “一个令人激动的发现是,对于水螅,头部再生与出芽生殖过程截然不同,”论文通讯作者,加州大学尔湾分校的Aide Macias-Muñoz博士说,“即使最终的效果一样,但基因表达在再生过程中更加多样化。伴随着动态基因表达,在发育相关转录因子结合的区域,染色质重塑也更加动态化。结果表明,与发育相关的增强子在刺胞动物与两侧对称动物分化之前就已出现。”

  对于水螅的再生之谜,这项研究虽然没有给出确切的答案,但足以为后续研究指明方向。更多的研究或许将告诉我们:从这种神奇动物身上,我们人类究竟能学到什么?

  参考资料:

  [1] Rabi Murad et al。, Coordinated Gene Expression and Chromatin Regulation during Hydra Head Regeneration, Genome Biology and Evolution (2021),  https://doi.org/10.1093/gbe/evab221 

  [2] How Hydra animals regenerate their own heads。 Retrieved Dec。 8, 2021 from https://www.eurekalert.org/news-releases/936568

  [3] How Hydras Regenerate Decapitated Heads。 Retrieved Dec。 14, 2021 from https://www.the-scientist.com/news-opinion/how-hydras-regenerate-decapitated-heads-69523

  本文来自药明康德内容微信团队

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