2022年03月21日 10:00 新浪科技綜合 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: 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 ; How Hydra animals regenerate their own heads。 Retrieved Dec。 8, 2021 from https://www.eurekalert.org/news-releases/936568 How Hydras Regenerate Decapitated Heads。 Retrieved Dec。 14, 2021 from https://www.the-scientist.com/news-opinion/how-hydras-regenerate-decapitated-heads-69523 本文來自藥明康德內容微信團隊 《頭被切除後也能再生,這種「永生」的動物是如何做到的?》完,請繼續朗讀精采文章。 喜歡 科學報 cn-n.net,請記得按讚、收藏及分享。
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頭被切除後也能再生,這種「永生」的動物是如何做到的?
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