壁虎斷尾重生、蠑螈肢體自愈、兔子耳朵戳個(gè)洞也能再長(zhǎng)齊……而人類(lèi)、小鼠這類(lèi)哺乳動(dòng)物受傷后，往往只能結(jié)疤愈合，無(wú)法“原裝”再生。什么原因讓高等哺乳動(dòng)物丟失了這些“超能力”？這一直是生物學(xué)界的一大謎題。
最近，這個(gè)謎題的答案正被揭開(kāi)一角——中國(guó)科學(xué)家在小鼠和兔子的耳朵上找到了關(guān)鍵線(xiàn)索。
6月27日，北京生命科學(xué)研究所/清華大學(xué)生物醫(yī)學(xué)交叉研究院王偉實(shí)驗(yàn)室通過(guò)與北京華大生命科學(xué)研究院等單位合作，在《科學(xué)》雜志以長(zhǎng)文形式發(fā)表題為《通過(guò)開(kāi)啟一個(gè)在進(jìn)化中失活的基因開(kāi)關(guān)來(lái)重新激活哺乳動(dòng)物的再生能力》（“Reactivation of mammalian regeneration by turning on an evolutionarily disabled genetic switch”）的研究論文。該研究揭示，視黃酸信號(hào)通路的活性強(qiáng)弱是決定哺乳動(dòng)物耳廓再生與否的“分子開(kāi)關(guān)”。
為什么選中“耳廓”？
為揭開(kāi)受損器官再生的奧秘，研究團(tuán)隊(duì)選取耳廓（即“外耳”）為研究模型。
為什么選中哺乳動(dòng)物的耳廓作為研究對(duì)象？王偉告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，脊椎動(dòng)物中具有極強(qiáng)再生能力的物種主要是低等動(dòng)物（如魚(yú)類(lèi)及蠑螈），因?yàn)榕c哺乳動(dòng)物之間存在巨大的系統(tǒng)發(fā)育距離，直接比較低等動(dòng)物再生和哺乳動(dòng)物損傷修復(fù)之間的區(qū)別難以發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵的遺傳變化。因此，團(tuán)隊(duì)必須找到更貼近的研究對(duì)象。
哺乳動(dòng)物的耳廓，進(jìn)入研究團(tuán)隊(duì)的視野。
王偉介紹道，耳廓是一個(gè)哺乳動(dòng)物特有的、易于觀(guān)察及操作的、具有再生多樣性的器官，約于1.6億年前在哺乳動(dòng)物中進(jìn)化產(chǎn)生。一般來(lái)說(shuō)，外耳的主要作用是高效收集周?chē)h(huán)境的聲音并傳遞到內(nèi)耳以加強(qiáng)聲音來(lái)源方向判斷的準(zhǔn)確性、進(jìn)而提高個(gè)體躲避捕食者的效率。
“‘耳廓損傷模型’是一種既簡(jiǎn)單又復(fù)雜的器官再生研究模型，它操作簡(jiǎn)便且易于觀(guān)察，但同時(shí)擁有較為復(fù)雜的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)：包含了表皮、真皮、肌肉、軟骨和外周神經(jīng)等?！蓖鮽フf(shuō)，此外，兔子和非洲刺毛鼠等可以進(jìn)行耳廓再生，而小鼠和大鼠等無(wú)法再生損傷的耳廓。因此，對(duì)于這項(xiàng)研究而言，耳廓是理想的研究對(duì)象，可以用來(lái)闡明動(dòng)物再生能力調(diào)控的基本原理。
小鼠耳廓為何不能再生？科學(xué)家找到關(guān)鍵基因
為仔細(xì)對(duì)比兔子（可再生）和小鼠（不可再生）的耳廓損傷響應(yīng)，研究團(tuán)隊(duì)動(dòng)用了生命科學(xué)前沿最先進(jìn)的技術(shù)手段。
論文共同通訊作者、北京華大生命科學(xué)研究院研究員鄧子卿介紹說(shuō)，研究團(tuán)隊(duì)基于單細(xì)胞RNA測(cè)序和華大自主研發(fā)的時(shí)空組學(xué)技術(shù)Stereo-seq，描繪了可再生物種（兔子）與不可再生物種（小鼠和大鼠）耳廓損傷后再生/修復(fù)的高分辨率單細(xì)胞時(shí)空動(dòng)態(tài)過(guò)程，并逐時(shí)、逐步觀(guān)察傷口處每個(gè)細(xì)胞類(lèi)型的變化和基因表達(dá)動(dòng)態(tài)，以精確對(duì)比再生過(guò)程和普通愈合過(guò)程有何不同。
具體研究中，王偉介紹，研究團(tuán)隊(duì)首先從損傷組織的形態(tài)結(jié)構(gòu)、細(xì)胞類(lèi)型、基因表達(dá)等多個(gè)維度詳細(xì)地比較了兔子（可再生）和小鼠（不可再生）在耳廓損傷后響應(yīng)程序的異同。作者發(fā)現(xiàn)在損傷愈合的前期，兔子和小鼠損傷部位形成的組織結(jié)構(gòu)和細(xì)胞類(lèi)型高度相似，均存在一群損傷誘導(dǎo)產(chǎn)生的成纖維細(xì)胞（WIFs）。通過(guò)比較兩個(gè)物種的WIFs在基因表達(dá)層面的差異，研究人員鑒定了9個(gè)潛在關(guān)鍵差異基因（在兔子WIFs高表達(dá)，小鼠WIFs不表達(dá)）。
隨后，通過(guò)AAV介導(dǎo)的基因過(guò)表達(dá)策略，研究人員發(fā)現(xiàn)，過(guò)表達(dá)視黃酸的限速合成酶Aldh1a2可以完全逆轉(zhuǎn)小鼠不能再生的表型。與此同時(shí)，直接通過(guò)外源補(bǔ)充視黃酸也可以使小鼠和大鼠重新獲得再生能力。
“視黃酸誘導(dǎo)的再生可以完全恢復(fù)損傷后丟失的耳廓內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，包括軟骨、外周神經(jīng)等。”王偉說(shuō)，這表明，小鼠耳廓再生失敗與視黃酸合成不足有關(guān)。
據(jù)了解，視黃酸是維生素A的一種代謝產(chǎn)物，與細(xì)胞發(fā)育密切相關(guān)。王偉告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，小鼠視黃酸不足的主要原因是視黃酸合成限速酶Aldh1a2的表達(dá)不足，以及視黃酸本身的降解加速。
關(guān)鍵基因“開(kāi)關(guān)”，在進(jìn)化中丟失
那么問(wèn)題來(lái)了，為什么小鼠的Aldh1a2基因表達(dá)會(huì)不足呢？
據(jù)王偉介紹，科研團(tuán)隊(duì)通過(guò)進(jìn)化生物學(xué)比較發(fā)現(xiàn)，在兔子的基因組中，保留了負(fù)責(zé)調(diào)控Aldh1a2基因的一些關(guān)鍵DNA序列。這些調(diào)控序列被稱(chēng)為“增強(qiáng)子”，可以理解為基因表達(dá)的開(kāi)關(guān)或加速器。研究人員在兔子Aldh1a2基因附近發(fā)現(xiàn)了6個(gè)活躍的增強(qiáng)子（AE1～AE6），其中有兩個(gè)增強(qiáng)子（AE1和AE5）在耳廓受傷再生時(shí)會(huì)被強(qiáng)烈激活，相當(dāng)于在兔子受傷后及時(shí)按下“開(kāi)關(guān)”，大大提高了Aldh1a2的表達(dá)，在兔子傷口處源源不斷地產(chǎn)生視黃酸，幫助組織再生。
小鼠就沒(méi)那么好運(yùn)了。研究團(tuán)隊(duì)在小鼠對(duì)應(yīng)的基因區(qū)域僅找到了1個(gè)活性增強(qiáng)子（AE3），其它與再生相關(guān)的調(diào)控元件都已失活。
“換句話(huà)說(shuō)，小鼠體內(nèi)調(diào)控Aldh1a2基因的‘按鈕’大都消失了，受傷后想要大幅度開(kāi)啟Aldh1a2基因表達(dá)非常困難?！蓖鮽ジ嬖V記者，這一進(jìn)化差異解釋了為什么小鼠耳廓受傷后Aldh1a2“叫不醒”、視黃酸產(chǎn)量不升高，從而無(wú)法像兔子那樣再生組織。
由此，研究團(tuán)隊(duì)得出結(jié)論，Aldh1a2基因表達(dá)不足導(dǎo)致的視黃酸合成不足，是高等哺乳動(dòng)物小鼠耳廓再生失敗的核心機(jī)制。據(jù)了解，這一發(fā)現(xiàn)屬學(xué)界首次公開(kāi)報(bào)道。
激活關(guān)鍵基因，小鼠耳廓再生
那么，如果人為按下這些丟失的“開(kāi)關(guān)”，是否能讓失去再生能力的動(dòng)物恢復(fù)再生能力呢？
研究團(tuán)隊(duì)對(duì)此進(jìn)行了探索。他們通過(guò)直接激活A(yù)ldh1a2基因或外源補(bǔ)充視黃酸，發(fā)現(xiàn)都可以使本不具備再生能力的成年小鼠耳廓傷口，出現(xiàn)了多能性細(xì)胞（成纖維細(xì)胞），從而重建了耳廓的軟骨與神經(jīng)組織。
“這意味著，小鼠耳朵的傷口不再只是簡(jiǎn)單結(jié)疤，而是實(shí)現(xiàn)了再生?！蓖鮽フf(shuō)。
為了“固定證據(jù)”，研究團(tuán)隊(duì)還將兔子的增強(qiáng)子AE1導(dǎo)入小鼠的基因組，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，受傷后的小鼠耳廓Aldh1a2基因表達(dá)顯著提高，視黃酸增加，耳廓的再生能力也得到明顯提升。王偉說(shuō)，這表明，重新激活視黃酸信號(hào)可以使不能再生的小鼠重新獲得再生能力。
王偉總結(jié)道，研究團(tuán)隊(duì)基于單細(xì)胞時(shí)空組技術(shù)以及跨物種進(jìn)化比較，系統(tǒng)描繪了器官損傷后可再生物種（兔子）、不可再生物種（小鼠）的細(xì)胞組成變化以及基因表達(dá)的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化，揭示了高等哺乳動(dòng)物器官再生能力丟失的機(jī)制。
“這項(xiàng)研究鑒定了領(lǐng)域內(nèi)第一個(gè)參與哺乳動(dòng)物再生能力演化的‘分子開(kāi)關(guān)’?！蓖鮽タ偨Y(jié)道，這項(xiàng)成果為深入理解進(jìn)化過(guò)程中哺乳動(dòng)物的再生能力丟失提供了新的見(jiàn)解，并為探索人類(lèi)受損器官的重建與再生提供了重要靶標(biāo)和理論依據(jù)。
據(jù)了解，這項(xiàng)工作獲得了北京生命科學(xué)研究所倫理審查委員會(huì)和華大科技倫理委員會(huì)的批準(zhǔn)，得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目的資助，前后歷時(shí)近4年，由國(guó)內(nèi)多個(gè)團(tuán)隊(duì)合作完成。北京生命科學(xué)研究所博士生林煒?shù)h、賈小慧，北京華大生命科學(xué)研究院副研究員石小峰，西北農(nóng)林科技大學(xué)副教授赫秋亞，北京華大生命科學(xué)研究院助理研究員張盼玉為論文共同第一作者。王偉、北京華大生命科學(xué)研究院研究員鄧子卿和西北農(nóng)林科技大學(xué)教授羅軍為論文共同通訊作者。
相關(guān)論文信息：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adp0176
編輯：李華山
