2022年03月21日 10:00
【科學快訊】
從斷尾重生的壁虎，到能重新長出角的雄鹿，再到四肢、尾巴甚至是心髒都能再生的蠑螈，動物界的不少成員都掌握了再生的技能。不過，如果被切除的是頭部，要重新長出來就要困難得多。因此，能做到這一點的水螅（hydra），吸引了不少科學家的目光。
水螅最令人詫異的是長壽能力，這些能無限自我更新的動物甚至被認為 「長生不死」。如果沒有其他動物捕食、擁有充足的食物來源，這些動物可以持續不斷地替換缺失的身體組織，如同一艘「忒修斯之船」讓生命得以延續。2014年，《自然》的一項研究推測，在實驗室環境中，部分水螅甚至可以存活超過1400年。
作為一類主要生活在淡水中的刺胞動物，水螅最長也不過3厘米，身體形同一根管子。在它們的口部周圍，長著6~10條能幫助它們捕食、移動的觸手。也正是因為這些細長的觸手，水螅得名於希臘神話中的九頭蛇海德拉（Hydra）。除了相似的外貌，水螅與九頭蛇的相似之處還體現在斷頭再生的能力。
早在18世紀，瑞士人Abraham Tremblay就發現了水螅具有再生能力。但在近3個世紀後的今天，水螅再生的遺傳學機制依然是個未解之謎。最近，一項發表於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線索。
在介紹最新研究之前，我們先來看看水螅再生的身體結構基礎。作為刺胞動物，水螅並沒有演化出真正的腦部結構。而它的頭部，除了用於進食與排泄的口、觸手，還有一個對於生長發育至關重要的結構：頭部「組織者」（head organizer）。
這是一個由50~100個細胞組成的細胞團，正常情況下，當水螅通過出芽生殖的無性生殖方式繁育後代時，正是這個細胞團決定了新個體的細胞分化。在出芽生殖過程中，母體上首先長出一個「芽」，這個經過分化的芽體與母體脫離後，就成為一個新的水螅個體。
但當水螅的頭部被切除，這個頭部「組織者」自然也隨之離開了身體。這時，失去指揮者的水螅身體又該如何再生？
水螅的解決方案是重新長出一個頭部「組織者」。當頭部被切除，一系列遺傳和表觀遺傳活動可以迅速誘導一個新的頭部「組織者」形成，從而指導其他結構的分化與再生。
那麼，究竟是哪些遺傳因素參與了這個過程，而調控頭部再生與正常出芽生殖這兩個過程的遺傳因素，又有哪些差異？這就是最新研究希望解決的問題。
此前的研究已經揭示了數個與水螅的頭部再生相關的基因。但這些研究往往聚焦於某一個基因或生物過程的活動，因此已經發現的相關遺傳因素數量有限。相比之下，最新研究采用了更加綜合的研究方式，來探索出芽生殖和再生這兩個過程的遺傳差異。
為此，研究團隊通過一系列實驗確定了在頭部再生過程中，有哪些基因參與表達。此外，為了揭示控制頭部再生的調控因素，他們首先確定了基因組中的開放染色質區域，從而判斷轉錄因子可能作用的區域；隨後通過一項組蛋白修飾技術，揭示在再生與出芽生殖過程中，各自有哪些候選啟動子和增強子區域表達上調——結果反映了兩個過程中的表觀遺傳差異。
研究團隊通過篩選發現，共有298個基因在出芽生殖和再生過程有著不同的表達，表明這兩個過程通過不同的方式進行調控。此外，在超過2.7萬個開放染色質區域中，分別有9998個候選啟動子和3018個候選增強子區域在兩個過程中有著不同的表達。這說明當水螅組織受損時，為了驅動再生過程，大量候選轉錄因子得到重塑，從而形成與出芽生殖不同的遺傳模式。
造成這一差異的原因或許在於，再生時，水螅需要快速優先表達能確保生存的基因。例如去年的一項研究指出，水螅會迅速組裝出口部。相反，出芽生殖過程沒有這樣的急迫性，因此無需考慮優先級，可以按照既定步伐來表達。
至此，這項研究首次揭示了在水螅頭部再生過程中改變的候選轉錄因子，幫助我們理解水螅如何根據需要開啟或關閉基因，從而實現個體發育。
「一個令人激動的發現是，對於水螅，頭部再生與出芽生殖過程截然不同，」論文通訊作者，加州大學爾灣分校的Aide Macias-Muñoz博士說，「即使最終的效果一樣，但基因表達在再生過程中更加多樣化。伴隨著動態基因表達，在發育相關轉錄因子結合的區域，染色質重塑也更加動態化。結果表明，與發育相關的增強子在刺胞動物與兩側對稱動物分化之前就已出現。」
對於水螅的再生之謎，這項研究雖然沒有給出確切的答案，但足以為後續研究指明方向。更多的研究或許將告訴我們：從這種神奇動物身上，我們人類究竟能學到什麼？
參考資料：
<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
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