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科学家研究火蜥蜴为何能肢体重生,人或许也能

2018-7-12 7:00:41来源:网易科技作者:过客责编:守一评论:

在波士顿布里格姆妇女医院的巨大实验室中,大约2800只被称为蝾螈的火蜥蜴装在箱子和杯子等容器中,布满了实验室的落地架。近距离看这些蝾螈看起来就像可爱版的外星人。

它们拥有丰满的粉红色身体和看上去非常厚道的面孔。大多数火蜥蜴随着生长会变形成为陆地居民,与之不同的是蝾螈通常一生都会保持它们年轻时候的身体形态。它们拥有外部鳃,而且面部两侧每一侧都有三根羽毛状触角。它们的四趾状爪子非常柔弱,这也令人们感到困惑,但或许我们不需要仔细思考这些东西,因为它们的肢体具有非常特殊的再生功能。

其中一只蝾螈的肢体是在11天前切除的,断肢的中心能够看到一种类似于牛眼一样的微红色可见物,那就是新肢体的萌芽。蝾螈是动物王国身体部位的再生冠军。一种名为真涡虫的扁形虫能够借助一点点组织长出整个身体,但它是一种非常小而且非常简单的生物。斑马鱼能够再生它们的尾巴,人类以及其它哺乳动物能够在胚胎时期再生失去的肢芽器官。

我们人类在婴幼儿时期能够再生我们的指尖,老鼠成年后仍然具备这种再生能力。但是蝾螈却是能够在任何年龄段再生复杂身体部位的唯一脊椎动物,这也是为何研究人员经常对它们进行研究探索它们再生秘密的原因。

当研究人员对老鼠和苍蝇等动物的探索发展到基因阶段时,对于蝾螈的那些研究却搁浅了。其中一个阻碍在于蝾螈寿命更长,而且比实验室大多数动物的成长都更缓慢,这就使它们成为遗传学实验非常难以处理的课题。更糟糕的是,蝾螈庞大而重复的基因组顽固地阻碍着研究人员的测序工作。

后来一个欧洲研究团队克服了这个障碍并且最终在今年年初公布了实验室蝾螈的完整基因序列。助理教授兼研究人员,该实验室的负责人Jessica Whited称:“蝾螈基因组是盘踞在每一个研究人员头上的巨大问题。”现在她和其它研究人员已经获得了完整的人类基因,他们希望揭开蝾螈再生的秘密,甚至希望探索人类如何能够获得这种强大的再生能力。但是对于他们来说仍然有着更多的问题需要解答,而且其中一些问题自从250多年前人们首次观察到这些动物的古怪能力时就已经存在。

18世纪意大利牧师Lazzaro Spallanzani的一系列绘画是已知最早描述火蜥蜴再生能力的。三张图片分别描述了火蜥蜴断掉的尾巴、胚芽的生长以及脊髓的发育。Spallanzani一直在对火蜥蜴、蝌蚪、蛇和蚯蚓进行试验,他发现它们都能够再生失去的身体部位。在1766年,他将自己的发现和绘图以信的形式邮寄给了自然主义者Charles Bonnet。两年后,Spallanzani发表了自己对复制和再生研究的小论文。这篇论文暗示着需要对这一课题进行进一步的研究和探索,但最终并未实现。

其他科学家确实对这些情况进行了调查,但是他们选择研究的对象成为了蝾螈。之所以选择蝾螈进行研究,部分源于它们在圈养时能够很好的生存和繁殖。马萨诸塞大学Catherine McCusker再生实验室的博士后Warren Vieira称,当有人进入房间时,蝾螈有时候会摆动它们酷似鳗鱼的尾巴。照顾这些动物的研究人员都认为,蝾螈对于人类的存在是好奇而警惕的。

蝾螈是近亲交配的,全世界实验室中的大多数蝾螈都是19世纪60年代从墨西哥运往巴西的34只蝾螈的后代。那些动物在墨西哥城周围的栖息地或者受到了污染,或者因为外来物种的入侵改变了生态环境,还有的在城市化过程中被占用。蝾螈也成为当地人的一种传统食物。虽然蝾螈能够从可怕的伤害中恢复过来,但它们却无法承受如此多的威胁,而且在野外已经濒临灭绝。但是实验室的蝾螈存活了下来。

在1935年,其中一些欧洲蝾螈返回到北美地区,并且最终在生物学家George Malacinski的帮助下成为了印第安纳大学的收藏品。当他在2005年退休时,肯塔基大学从他手中接手了大约500只蝾螈。现在这个养护中心存活了800到1000只成年蝾螈个体。它们的血统能够追溯到1932年,这也帮助研究人员在这个近亲繁殖的种群中维持了遗传多样性。他们将蝾螈胚胎、幼体和成年个体送往全世界的实验室和教室。

尽管这些实验室对于蝾螈的了解很多,但是没有一个实验室能够对其进行完整测序。主要问题在于蝾螈的基因数量异常庞大。它拥有320亿个碱基对,这就使它的基因长度超过人类10倍左右。分子病理学研究院的生物学家Elly Tanaka称,尽管如此,蝾螈和人类似乎拥有类似数量的基因。

重复DNA的庞大数量一直都是困扰科学家的问题。为了读取有机体的基因,科学家们必须将DNA分解成为片段,然后像七巧板一样对其进行重新组装。Tanaka称,几年前那些基因碎片还无法还原成那些重复序列。当时的技术还无法从一个信息岛屿传递到另外一个。即使在蝾螈基因测序完成之前,科学家们使用了其它工具开始了解它们的再生功能。

在东北大学的James Monaghan实验室中养殖着大约400到500只蝾螈,架子上布满了数十个蝾螈养殖箱。当有人走近实验室时,它们会靠近养殖箱的前侧并且跟随着到访者来回移动。研究人员通过转基因技术将水母体内常见的一种绿色荧光蛋白融入到一只蝾螈体内。在一幅酷似太阳镜的眼镜下,它呈现出翡翠绿色。这幅眼镜能够过滤掉除了绿色光波之外的所有波长。其它蝾螈则体内则被融入了红色荧光蛋白。研究人员能够对两种转基因个体进行组织移植,或者在转基因与非转基因个体间进行移植追踪再生过程中的细胞移动。

这样的实验能够让研究人员了解构成新附器的细胞来自哪里等问题。在实现截肢术后,蝾螈流血量很少,而且能够在数小时内封闭伤口。随后细胞将移动到伤口位置并且形成一种胚芽。大多数这种修复依靠的是来自伤口附近的细胞,它们似乎将生物钟回调到胚胎才有的那种状态。但是研究人员尚不清楚干细胞在是否在其中起到的作用或者起到多大的作用。

无论这些细胞来自于哪里,胚芽细胞都会再生出新的骨骼、肌肉和其它组织。伤口处会首先长出一个完美的细小新肢体,然后长大到正常的大小。如果将胚芽切除并且移植到身体的其它位置,它仍然能够长出计划长成的肢体。但是如果在早期的关键阶段神经无法进入胚芽就不会长出新的肢体,那就是说如果肢体神经被切断,只会出现伤口愈合而不会再生肢体。

研究人员发现一种名为巨噬细胞的免疫细胞对于蝾螈的再生是非常重要的。它们帮助控制能够影响修复过程的炎症问题。与此同时,名为纤维母细胞的结缔组织细胞携带着再生肢体的关键位置信息。这种位置记忆意味着细胞能够了解它在身体中的位置,比如说是在左手腕还是右侧肩膀?

Monaghan称,位置信息是动物表观基因组中的一种分子邮政编码,不同细胞中的各种各样遗传标签让细胞了解它们所处的位置。与维他命A相关的一种分子视黄酸也参与了这种位置信息的记录。足够多的视黄酸能够改写细胞的邮政编码。Monaghan实验室中有一只蝾螈拥有一条超过正常尺寸的手臂,研究人员在其手腕的截肢位置注入了足够多的视黄酸,让那里的细胞认为自己处于肩膀位置。因此从手腕处再次长出了一条手臂。

手臂、腿和尾巴并非实验室蝾螈仅有的能够长出的身体部位。它们也能够从脊髓的挤压伤中恢复过来。Monaghan称:“它们能够再生2平方毫米的前脑,这是非常疯狂的。”科学家们尚未如此深入的探索蝾螈器官的再生能力。但是Monaghan的团队目前已经研究了蝾螈的心脏、肺和卵巢,并且发现这三种器官受伤后都能够恢复。

科学家们并不清楚蝾螈是否借助同样的机制再生它们的内部器官。它们也不清楚为何蝾螈能够多次长出一条手臂,但是可以肯定的是,在被截肢5次以后,大多数蝾螈的肢体会停止再生。另外一个未解之谜是肢体如何知道达到正常尺寸后就停止生长。但是这些谜题或许不会维持太久。

Elly Tanaka称:“事实上不是我而是我的其他合作伙伴能够借助一种算法来组合如此庞大数量的基因组。”包含Tanaka、计算机科学家和其他研究人员在内的这个团队今年2月份在《自然》杂志上报道称,他们已经对实验室的蝾螈进行了完整的基因测序。借助计算机的强大能力和全新的算法,研究人员们至少能够读取蝾螈的完整基因。

原则上说,完整蝾螈基因的测序让研究人员更容易回答关于这些动物再生能力的重要问题。比如说,蝾螈是否借助独特基因再生它们的肢体?蝾螈再生过程借助的基因是否是其它动物所共享的(包含人类在内),它们是否有着不同的作用?那些问题仍然等待研究人员去解答。Tanaka称发表在《自然》杂志上的原因在于让科学家们能够获取蝾螈的基因序列。通过基因真正了解再生能力的研究仍然在继续,而且仍然需要数年时间。

但是Tanaka和她的同伴确实做了一些有趣的初步观察。她声称:“在再生的肢体组织中,我们似乎观察到一种数量相对较多的基因,但是在人类体内并没有明显的副本存在。”这些基因也不存在于其它的哺乳动物、鱼类或者鸟类体内,对这些基因的调查研究很可能让她们更深入的了解再生能力。

然而,值得注意的是尽管蝾螈基因已经被完整测序,但是那些序列信息仍然像失去书脊的书页一样处于散乱状态。Voss的团队在2017年将自己的蝾螈基因序列进行了组合,但是那些序列比Tanaka团队的序列散乱大约百倍。据Voss称,他的团队现在正在探索蝾螈基因序列的正确顺序。

在一篇尚未发表的论文中,Voss的团队已经鉴定出于蝾螈性别相关的基因部分。研究人员已经了解个体蝾螈的性别是由它们的基因决定的,但是他们并未发现Voss团队所发现的雄性和雌性性染色体之间的微小差异。除了帮助科学家们理解蝾螈遗传学之外,这一发现对于管理实验室蝾螈也是有用的。目前,确定蝾螈幼崽性别的唯一方式就是等待7到9个月时间,来观察它们发育情况。

没有蝾螈的基因序列,研究人员也难以借助基因工程技术对蝾螈进行研究。比如说,如果你去除一种基因,但是对于蝾螈的再生没有影响,你或许会推断这种基因并不重要。但是事实上它或许非常重要,而且是蝾螈完成同样工作的后备基因。Monaghan称,他的团队已经将新的基因序列作为进行CRISPR基因编辑实验的参考。没有完整的基因序列,研究人员就需要进行太多的工作。

麻省理工学院波士顿校区的McCusker称,遗传信息会随着时间越来越完善,但是也总是有更多的序列信息需要了解,有更多的秘密等待解答。这就像是一张巨大的模糊照片变得越来越清晰。在她进行的研究中已经借助了全新的基因序列信息。

随着科学家们踏入一个研究的新时代,世界各地蝾螈实验室的负责人将在今年夏天齐聚维也纳,举行该研究领域的首次会议。他们将探讨如何借助这些基因序列和其它资源,而且将制定策略让更多的新人参与到蝾螈研究的领域中来。

蝾螈的幼崽是非常可爱的,但是它们也是同类相残的。Vieira称,有一些失去手臂或者腿的伤残源于其它个体的吞食。有可能对于出生就与饥肠辘辘的兄弟姐妹生活在一起蝾螈来说,再生能力并不仅仅是一种花招,而是必须的。那也可能是它们进化出这种能力的原因,或者说这也是为何其它动物失去这种能力时它们却保留这种能力的原因。

研究人员称,目前还没有定论再生能力到底是如何进化出来的。根据目前发现的化石和基因证据,这一研究领域的大多数人认为这是一种今天的动物大多已经失去的古老能力。但是科学家们认为也可能存在其它再生能力的起源。一种理论认为,从尾巴沿着身体主要躯干的轴向再生能力或许源于古老的祖先,而附肢的再生能力或许是单独进化的新能力。

如果再生是一种古老的技能,人类等哺乳动物就有可能在遗传信息中仍然拥有部分工具。或许我们进化出了其它的愈合过程,比如说结疤,阻碍了再生过程的发生。研究人员提出,人类截肢患者有时会形成一种疼痛的神经瘤,或许这种神经纤维的出现就是再生能力无法完成的表现。

研究人员认为,人类拥有着远超我们了解的再生工具。如果我们能够在人体中创造正确的环境,我们或许就能够利用这些工具。未来有一天我们或许就能够再生我们的肢体。其他研究人员也认为这是有可能的。Tanaka称,借助我们已经了解的肢体再生以及蝾螈能够教授给我们的知识,未来我们有可能通过基因工程让人类获得相同的能力。而且那也是我们值得为之努力的方向。

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关键词:蝾螈DNA再生能力

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