再生能力一直是科學(xué)家想要攻克的難題。壁虎斷尾重生、蠑螈肢體自愈，這些低等脊椎動(dòng)物擁有的“本事”，卻是人類(lèi)、小鼠這類(lèi)哺乳動(dòng)物求而不得的“超能力”。近日，北京生命科學(xué)研究所、清華大學(xué)生物醫(yī)學(xué)交叉研究院研究員王偉實(shí)驗(yàn)室與北京華大生命科學(xué)研究院研究員鄧子卿、西北農(nóng)林科技大學(xué)教授羅軍等團(tuán)隊(duì)合作，在國(guó)際頂級(jí)期刊《科學(xué)》發(fā)表研究論文，揭示了視黃酸信號(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)”。
那么，哺乳動(dòng)物為什么在進(jìn)化中丟失了再生能力？中國(guó)科學(xué)家從耳廓中發(fā)現(xiàn)的“分子開(kāi)關(guān)”有何神奇？這一突破將給器官再生研究領(lǐng)域帶來(lái)哪些啟示和貢獻(xiàn)？今天我們來(lái)聊聊這個(gè)話(huà)題。
物種越高等再生能力越弱
器官再生是指?jìng)€(gè)體因疾病或受傷后完全自發(fā)修復(fù)受損的組織結(jié)構(gòu)，并恢復(fù)其原有功能的過(guò)程。大家較為熟知的例子是壁虎，它在感知到外界危險(xiǎn)信號(hào)后會(huì)斷尾求生，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，尾巴的傷口處會(huì)重新長(zhǎng)出與原先類(lèi)似的新尾巴。
其實(shí)在自然界中，擁有器官再生能力的動(dòng)物分布非常廣泛，在不同的動(dòng)物門(mén)（指具有相似基本身體結(jié)構(gòu)和發(fā)育特征的動(dòng)物群體）中都能找到再生能力極強(qiáng)的動(dòng)物。表現(xiàn)最為突出的是水螅和渦蟲(chóng)，它們幾乎具有無(wú)限的再生能力，從身體上切下一個(gè)小組織都能完全再生成一個(gè)完整個(gè)體。這種強(qiáng)大的再生能力（全身性再生）使得其壽命很長(zhǎng)，接近永生。然而，另一部分動(dòng)物的器官在損傷后無(wú)法再生，僅能通過(guò)傷口愈合進(jìn)行組織修復(fù)，如人類(lèi)的中樞神經(jīng)系統(tǒng)、心臟、腎臟等是無(wú)法通過(guò)再生進(jìn)行功能恢復(fù)的。
整體來(lái)看，低等動(dòng)物表現(xiàn)出較強(qiáng)的再生能力，相對(duì)復(fù)雜的高等動(dòng)物再生能力反而較弱。在包括人類(lèi)在內(nèi)的后口動(dòng)物門(mén)（指動(dòng)物界中的一個(gè)重要類(lèi)群，其核心特征為胚胎發(fā)育過(guò)程中原口形成肛門(mén)，而口則在另一端新生）中，處在進(jìn)化分支中早期的無(wú)脊椎動(dòng)物，如棘皮動(dòng)物往往可以進(jìn)行全身性再生。以海星為例，剪去海星的一個(gè)觸手（共5個(gè)），原有個(gè)體會(huì)再生出丟失的觸手，而剪掉的單獨(dú)觸手也會(huì)再生出剩下的4個(gè)觸手，最終形成兩個(gè)海星個(gè)體。
脊椎動(dòng)物產(chǎn)生后，全身性再生的能力徹底消失了，甚至頭部的再生能力也完全消失，只能進(jìn)行器官及外在結(jié)構(gòu)的再生。魚(yú)類(lèi)及蠑螈就是典型代表，它們可以進(jìn)行大腦、脊髓、心臟、腎臟、肢體等器官的再生。但鳥(niǎo)類(lèi)和哺乳動(dòng)物的再生能力大大削弱，只有極少部分的器官或組織，如肝臟具有再生能力。
由此可知，隨著物種從低等到高等不斷演化，再生能力呈現(xiàn)出一種逐漸減弱的趨勢(shì)。對(duì)于導(dǎo)致這一現(xiàn)象的根本原因，科學(xué)界有多種假說(shuō)，尚無(wú)統(tǒng)一確切的定論。有觀(guān)點(diǎn)認(rèn)為，復(fù)雜結(jié)構(gòu)或器官的再生是一個(gè)耗能耗時(shí)的過(guò)程，在面對(duì)有限的食物、激烈的競(jìng)爭(zhēng)、復(fù)雜的環(huán)境條件時(shí)，選擇更為快速且低能耗的傷口愈合而非器官再生可能更有利于生存。另外一種觀(guān)點(diǎn)指出，動(dòng)物為了更好地適應(yīng)特定環(huán)境需要進(jìn)化符合這種環(huán)境的新性狀或者特征，而這一性狀的產(chǎn)生可能與再生的實(shí)現(xiàn)不能兼容。值得一提的是，動(dòng)物在幼年期比成年后往往具有更強(qiáng)的再生能力，如剛出生的小鼠具有短暫的心臟修復(fù)能力，但隨著個(gè)體發(fā)育，這種再生能力會(huì)喪失。無(wú)獨(dú)有偶，蝌蚪具有較強(qiáng)的肢體再生能力，青蛙卻沒(méi)有，這一現(xiàn)象也表明，特定的發(fā)育過(guò)程會(huì)影響成體的再生能力。
目前，國(guó)際上的再生研究主要集中于幾種重要模式動(dòng)物，如水螅、渦蟲(chóng)、斑馬魚(yú)、蠑螈、小鼠等。自上世紀(jì)50年代分子生物學(xué)誕生以來(lái)，人類(lèi)已經(jīng)積累了大量關(guān)于器官再生的發(fā)生邏輯。比如，不同器官再生的關(guān)鍵細(xì)胞來(lái)源、組織極性的決定（長(zhǎng)頭或長(zhǎng)尾，長(zhǎng)近端還是遠(yuǎn)端結(jié)構(gòu)等）、細(xì)胞的記憶、參與器官再生必需的重要基因或者信號(hào)通路等。然而，到現(xiàn)在為止，離實(shí)現(xiàn)人類(lèi)關(guān)鍵器官的完全再生仍然有很長(zhǎng)的路要走，有大量的難題沒(méi)有得到解決。
耳廓成為再生研究的突破口
器官再生是一個(gè)非常復(fù)雜的生物學(xué)過(guò)程。不同的研究團(tuán)隊(duì)根據(jù)自身興趣、具體科學(xué)問(wèn)題來(lái)選擇特定的研究方向。例如，常用的模式生物體系中，硬骨魚(yú)類(lèi)（如斑馬魚(yú)）的再生研究側(cè)重于尾鰭（相當(dāng)于肢體結(jié)構(gòu)）、心臟、中樞神經(jīng)系統(tǒng)；兩棲類(lèi)（如蠑螈）的再生研究則因肢體再生這一經(jīng)典模型備受矚目。而在哺乳動(dòng)物層面，因?yàn)槎鄶?shù)器官都沒(méi)有再生能力，肝臟、皮膚及細(xì)胞水平的再生成為主要的研究重點(diǎn)。此外，基于干細(xì)胞的再生和類(lèi)器官研究也是器官再生領(lǐng)域的重要方向。
長(zhǎng)期以來(lái)，為了重新激活不可再生器官的再生能力，科學(xué)界已嘗試多種不同策略，包括干細(xì)胞療法、組織工程技術(shù)、強(qiáng)制表達(dá)促再生基因、電刺激以及神經(jīng)組織移植等。這些研究表明，在再生能力有限的哺乳動(dòng)物中重新激活再生機(jī)制具有可能性。然而，由于哺乳動(dòng)物器官結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、基因異位表達(dá)或抑制帶來(lái)的副作用，以及缺乏對(duì)再生失敗與基因組遺傳變化之間關(guān)聯(lián)的認(rèn)知，目前尚未實(shí)現(xiàn)不可再生器官的完全再生。如果能深入理解脊椎動(dòng)物演化過(guò)程中再生能力喪失或獲得的關(guān)鍵分子機(jī)制，將為再生醫(yī)學(xué)提供新的靶點(diǎn)。
2020年，我們通過(guò)比較短壽非洲鳉魚(yú)和斑馬魚(yú)的早期再生響應(yīng)過(guò)程，在領(lǐng)域內(nèi)率先提出基于再生響應(yīng)增強(qiáng)子（基因組中具有基因調(diào)控功能的非編碼DNA）的脊椎動(dòng)物再生能力演化假說(shuō)。增強(qiáng)子這類(lèi)DNA不編碼基因，但具有很重要的基因調(diào)控功能，主要是激活基因轉(zhuǎn)錄。再生響應(yīng)增強(qiáng)子就是能響應(yīng)損傷或者只有損傷后才會(huì)被激活的增強(qiáng)子。因此，這一假說(shuō)的核心內(nèi)容是：物種不能再生，主要是因?yàn)樵偕憫?yīng)增強(qiáng)子發(fā)生了變化，從而不能激活再生必需的基因。
然而，由于再生能力強(qiáng)的物種（主要是低等脊椎動(dòng)物）與哺乳動(dòng)物之間存在巨大的系統(tǒng)發(fā)育距離，使得證實(shí)這一假說(shuō)并解析哺乳動(dòng)物特定器官再生失敗的因果遺傳變化具有極大的挑戰(zhàn)性。
因此，找到一個(gè)具有普遍性、易于獲取且再生能力多樣的哺乳動(dòng)物器官，將有利于探索再生能力調(diào)控的基本原理。耳廓（外耳）正是符合這個(gè)要求的一種哺乳動(dòng)物特有器官。
耳廓約在1.6億年前進(jìn)化形成，由皮膚、軟骨、肌肉、外周神經(jīng)和血管等復(fù)雜組織構(gòu)成。它的產(chǎn)生，極大地提高了哺乳動(dòng)物收集周?chē)h(huán)境聲音的效率及方向判斷的準(zhǔn)確性，對(duì)于高效躲避捕食者具有重要意義。在現(xiàn)存哺乳動(dòng)物中，包括鴨嘴獸在內(nèi)的單孔目動(dòng)物缺乏耳廓，而有袋類(lèi)動(dòng)物則無(wú)法再生損傷的耳廓。胎盤(pán)類(lèi)動(dòng)物涵蓋了絕大多數(shù)哺乳動(dòng)物物種，其中既有可再生物種，也有不可再生物種。兔子、非洲刺毛鼠和刷尾鼠是可以進(jìn)行耳廓再生的代表性動(dòng)物，相比之下，小鼠、大鼠、沙鼠等動(dòng)物無(wú)法再生已損傷的耳廓。
可見(jiàn)，耳廓在不同哺乳動(dòng)物中表現(xiàn)出顯著的再生能力差異，而通過(guò)研究這種差異，或許能夠發(fā)現(xiàn)重啟再生能力的秘密。
在國(guó)際上率先鎖定器官再生關(guān)鍵基因
我們根據(jù)領(lǐng)域內(nèi)已有的經(jīng)驗(yàn)制作了耳廓損傷模型。即用鋒利的打孔器在小鼠、兔子的耳廓上分別打一個(gè)貫穿的圓孔，對(duì)耳廓造成損傷，并觀(guān)察丟失的孔洞組織是否能再生。
這一模型既簡(jiǎn)單又復(fù)雜。簡(jiǎn)單之處在于操作簡(jiǎn)單且易于觀(guān)察。因?yàn)榕c耳廓損傷相比，許多器官（如心臟、脊髓等）的損傷建模更復(fù)雜，需要對(duì)小鼠進(jìn)行深度麻醉和精密的損傷手術(shù)，而多數(shù)內(nèi)臟器官是無(wú)法通過(guò)肉眼直接觀(guān)察再生或修復(fù)情況的，需要輔以復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)。復(fù)雜之處在于耳廓的內(nèi)部結(jié)構(gòu)并不簡(jiǎn)單，除了最外層的表皮、真皮之外，內(nèi)部還有軟骨、肌肉和外周神經(jīng)等。
此次研究聚焦于小鼠和兔子在耳廓損傷后的響應(yīng)程序。兔子耳廓打孔產(chǎn)生的孔洞一個(gè)月后被再生的組織填滿(mǎn)，并進(jìn)一步再生出內(nèi)部的軟骨等結(jié)構(gòu)。小鼠則完全相反，耳廓打孔產(chǎn)生的孔洞一直存在，陪伴其走到生命盡頭。我們運(yùn)用了多種前沿技術(shù)仔細(xì)比較了二者在損傷響應(yīng)過(guò)程中的異同，令人驚訝的是，小鼠耳廓損傷后其實(shí)可以正常產(chǎn)生和兔子類(lèi)似的芽基組織。芽基組織是許多可再生器官于再生早期產(chǎn)生的一群高度異質(zhì)性的細(xì)胞，這類(lèi)細(xì)胞為未來(lái)組織再生提供細(xì)胞來(lái)源。一般認(rèn)為，芽基組織的出現(xiàn)是器官再生早期階段的一個(gè)標(biāo)志，也是多種器官再生的必要條件。但是，耳廓損傷后產(chǎn)生的芽基組織（主要由損傷特異性成纖維細(xì)胞組成）在小鼠和兔子中表現(xiàn)出顯著差異，也就是說(shuō)，這群細(xì)胞的基因表達(dá)譜和細(xì)胞分化進(jìn)程在可再生和不可再生的物種中大為不同。
基于這一發(fā)現(xiàn)，我們鑒定出9個(gè)潛在的關(guān)鍵性差異基因，并通過(guò)在小鼠中過(guò)表達(dá)這些基因的方式，發(fā)現(xiàn)激活其中兩個(gè)基因便可促進(jìn)再生，但只有視黃酸的限速合成酶Aldh1a2能使小鼠耳廓打孔產(chǎn)生的孔洞像兔子一樣完全再生，逆轉(zhuǎn)了小鼠耳廓不能再生的表型。此外，外源直接補(bǔ)充視黃酸也能獲得相似效果。值得一提的是，小鼠耳廓內(nèi)部丟失的組織結(jié)構(gòu)，如軟骨、外周神經(jīng)等也能在外源補(bǔ)充的視黃酸誘導(dǎo)下再生。
視黃酸是一種維生素A的活性代謝物，是維生素A在體內(nèi)發(fā)揮關(guān)鍵生物活性的重要形式之一。它參與了多種重要生物學(xué)過(guò)程，如胚胎發(fā)育、器官再生、免疫調(diào)節(jié)等。于是，我們?cè)趪?guó)際上率先報(bào)道了視黃酸信號(hào)通路的關(guān)鍵合成酶Aldh1a2的表達(dá)強(qiáng)弱，是決定哺乳動(dòng)物耳廓再生能力的關(guān)鍵，這也是目前器官再生領(lǐng)域中發(fā)現(xiàn)的首個(gè)演化過(guò)程中決定再生能力的關(guān)鍵“分子開(kāi)關(guān)”。
這一結(jié)果暗示著在其他器官中很有可能也存在類(lèi)似的“分子開(kāi)關(guān)”，為人體重要器官損傷后的自我修復(fù)研究提供了一個(gè)全新的思路。
為實(shí)現(xiàn)器官修復(fù)再生提供全新思路
在發(fā)現(xiàn)視黃酸信號(hào)通路活性是哺乳動(dòng)物耳廓再生能力“分子開(kāi)關(guān)”的基礎(chǔ)上，還要解析這一“開(kāi)關(guān)”在演化過(guò)程中是如何被關(guān)閉的。
兔子和鼠的遺傳調(diào)控元件——增強(qiáng)子存在明顯差異。顧名思義，增強(qiáng)子廣泛分布于基因組上，共同起到增強(qiáng)基因功能表達(dá)的作用。兔子的Aldh1a2基因周?chē)嬖诙鄠€(gè)響應(yīng)損傷的增強(qiáng)子，而小鼠和大鼠完全相反，絕大部分的增強(qiáng)子都已失活（在損傷后不再響應(yīng)）。這樣顯著的差異導(dǎo)致小鼠和大鼠遭受損傷后的Aldh1a2表達(dá)量低，進(jìn)一步導(dǎo)致視黃酸的合成不足，最終使得耳廓無(wú)法再生。
研究進(jìn)展到此，再次印證了我們?cè)?020年提出的假說(shuō)：動(dòng)物再生能力的丟失很可能是再生響應(yīng)增強(qiáng)子的變化導(dǎo)致的。而在小鼠和大鼠基因組中的增強(qiáng)子到底是如何丟失的，是未來(lái)需要進(jìn)一步探索的課題。
我們的研究成果證明了激活哺乳動(dòng)物再生能力的“分子開(kāi)關(guān)”是真實(shí)存在的，甚至可以人為操縱“開(kāi)關(guān)”重啟哺乳動(dòng)物的再生能力。與此同時(shí)，這也給再生醫(yī)學(xué)提供了新的研究范式：比較再生能力存在顯著差異的物種，并從中找到啟動(dòng)再生的關(guān)鍵物質(zhì)。這種范式為未來(lái)解析其他重要器官再生功能丟失的機(jī)制，提供了全新的思路與見(jiàn)解。
通常一個(gè)器官的結(jié)構(gòu)越復(fù)雜、越重要，想要重新啟動(dòng)再生能力的難度就越大。原因有二：一是理想的損傷模型很難構(gòu)建，需要保證實(shí)驗(yàn)動(dòng)物在損傷后仍能生存，而重要器官的損傷往往伴隨著致命的后果，這個(gè)損傷程度的分寸很難把控；二是結(jié)構(gòu)越復(fù)雜、精密的器官，其損傷修復(fù)越復(fù)雜，參與修復(fù)過(guò)程的細(xì)胞類(lèi)型也越多，可能需要多個(gè)“分子開(kāi)關(guān)”的共同作用，才能啟動(dòng)再生。以上種種，皆是器官再生領(lǐng)域面臨的難題。
不過(guò)，隨著越來(lái)越多重要“分子開(kāi)關(guān)”被發(fā)現(xiàn)，我們相信離實(shí)現(xiàn)“一切損傷皆可自愈”的目標(biāo)已不遠(yuǎn)了。
（作者為北京生命科學(xué)研究所、清華大學(xué)生物醫(yī)學(xué)交叉研究院研究員）
編輯：李華山
