蓮藕做骨，蓮花為肉，太乙真人用藕粉和“七色寶蓮”為哪吒重塑肉身；盡管遭受重創(chuàng)，金剛狼仍能以驚人的速度修復(fù)身體……這些電影里的再生情節(jié)，為故事奠定了濃厚的奇幻色彩。
仔細(xì)觀(guān)察，自然界中就蘊(yùn)藏著類(lèi)似的再生密碼：當(dāng)蠑螈失去肢體、壁虎斷掉尾巴、渦蟲(chóng)頭身分離，它們都能神奇地復(fù)原。遺憾的是，在漫長(zhǎng)的進(jìn)化長(zhǎng)河中，人類(lèi)內(nèi)在的再生潛能被逐漸封存，低等脊椎動(dòng)物擁有的再生能力，卻成了部分哺乳動(dòng)物求而不得的超能力。
器官再生一直是中外科學(xué)家想要攻克的難題。今年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)交叉研究院研究員王偉的實(shí)驗(yàn)室傳來(lái)好消息：科研人員在國(guó)際上首次發(fā)現(xiàn)哺乳動(dòng)物再生能力調(diào)控的關(guān)鍵“分子開(kāi)關(guān)”，并在小鼠耳廓上首次成功實(shí)現(xiàn)了哺乳動(dòng)物器官的完全再生。這是我國(guó)在再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域取得的重大原始創(chuàng)新突破，為深入理解高等哺乳動(dòng)物再生能力丟失機(jī)制提供了新思路，也為再生醫(yī)學(xué)和人類(lèi)受損器官的重建與再生提供了重要靶標(biāo)。
再生，這種在科幻和神話(huà)中頻頻出現(xiàn)的“超能力”，正在逐漸被人類(lèi)掌握。
4年磨一劍
2022年10月，北京生命科學(xué)研究所王偉實(shí)驗(yàn)室，師生們的目光聚焦在幾只被麻醉的實(shí)驗(yàn)小鼠身上。
王偉小心翼翼地用鑷子夾住小鼠的耳廓。僅憑肉眼就能看出，原本無(wú)法再生的小鼠耳廓孔洞，在視黃酸的誘導(dǎo)下，已經(jīng)被再生的組織填滿(mǎn)。王偉立刻示意博士研究生林煒?shù)h和賈小慧取樣，進(jìn)行再生相關(guān)指標(biāo)檢查。幾天后，顯微鏡連接的電腦屏幕上，覆蓋耳孔的再生組織內(nèi)部軟骨、外周神經(jīng)等清晰可見(jiàn)。
“咱們的論文有了！”王偉的話(huà)給學(xué)生們吃了一顆定心丸。
隨后，師生們又經(jīng)歷了打孔、注射、觀(guān)察、討論，無(wú)數(shù)次失敗、推翻，再重啟……終于從上千個(gè)基因里鎖定了一個(gè)關(guān)鍵性差異基因，逆轉(zhuǎn)了小鼠耳廓不能再生的表型。這是國(guó)際再生領(lǐng)域的一個(gè)首創(chuàng)！又經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的實(shí)驗(yàn)和論文打磨，這項(xiàng)成果最終登上了國(guó)際頂級(jí)期刊《科學(xué)》。這也是王偉實(shí)驗(yàn)室發(fā)表的第一篇論文。
4年磨一劍，出道即巔峰。背后是一個(gè)朝陽(yáng)般的團(tuán)隊(duì)。
時(shí)間回到2021年1月。彼時(shí)，王偉剛剛從博士后出站，進(jìn)入北京生命科學(xué)研究所，成為當(dāng)年入職的第一位研究員。同樣是哺乳動(dòng)物，為什么有些動(dòng)物可以再生，另外一些卻不行？帶著再生領(lǐng)域的經(jīng)典科學(xué)問(wèn)題，他一邊招研究生、創(chuàng)建王偉實(shí)驗(yàn)室，一邊開(kāi)啟了關(guān)于器官再生能力調(diào)控的研究。
“器官再生，是個(gè)體因疾病或受傷后完全自發(fā)地修復(fù)受損組織結(jié)構(gòu)，并恢復(fù)其原有功能的過(guò)程?！蓖鮽淖罨A(chǔ)的科學(xué)原理講起。
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。大家熟知的水螅和渦蟲(chóng)，幾乎擁有無(wú)限的再生能力，從身體上切下一塊小組織都能完全再生成完整個(gè)體。然而，一些動(dòng)物的器官在損傷后無(wú)法再生，只能通過(guò)傷口愈合進(jìn)行組織修復(fù)。比如，人類(lèi)的中樞神經(jīng)系統(tǒng)、心臟、腎臟等，都無(wú)法通過(guò)再生恢復(fù)功能。
“整體看來(lái)，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?！蓖鮽フf(shuō)，對(duì)此，科學(xué)界有多種假說(shuō)。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，面對(duì)有限的食物、激烈的競(jìng)爭(zhēng)、復(fù)雜的環(huán)境，選擇更為快速且低能耗的傷口愈合，可能更有利于生存；另外一種觀(guān)點(diǎn)則主張，動(dòng)物為了更好地適應(yīng)特定環(huán)境，需要進(jìn)化成符合環(huán)境的新性狀或者特征，而新性狀的產(chǎn)生可能和再生無(wú)法兼容。
想要探索再生能力調(diào)控的基本原理，找到一個(gè)具有普遍性且再生能力多樣的哺乳動(dòng)物器官，是至關(guān)重要的一步。于是，團(tuán)隊(duì)將視線(xiàn)聚焦在哺乳動(dòng)物的特有器官——耳廓上。哺乳動(dòng)物的耳廓，大約在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，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。
為了弄清耳廓再生能力的分布情況，王偉專(zhuān)門(mén)繪制了“演化樹(shù)”，幾乎涵蓋所有哺乳動(dòng)物的門(mén)類(lèi)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，兔子、非洲刺毛鼠和貓，以及一部分蝙蝠，是耳廓可再生的代表性動(dòng)物，它們的耳朵大多是多功能的——兔子和貓的耳朵有散熱的功能，可以調(diào)節(jié)體溫，而蝙蝠的耳朵有回聲定位功能；小鼠、大鼠、沙鼠等動(dòng)物損傷的耳廓?jiǎng)t不能再生。
由此可見(jiàn)，不同哺乳動(dòng)物的耳廓再生能力存在明顯差異，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。確定好研究對(duì)象，王偉帶領(lǐng)四五名研究生，開(kāi)啟了這項(xiàng)科研工作。
尋找再生“開(kāi)關(guān)”
實(shí)驗(yàn)操作并不難。師生們根據(jù)領(lǐng)域內(nèi)已有的經(jīng)驗(yàn)建立了耳廓損傷模型，在小鼠、兔子的耳廓上分別打了約2毫米及4毫米的貫穿圓孔，并觀(guān)察孔洞組織能否再生。幾輪實(shí)驗(yàn)后，團(tuán)隊(duì)成員發(fā)現(xiàn)，兔子耳廓上的孔洞一個(gè)月后就會(huì)被再生組織填滿(mǎn)，并進(jìn)一步再生出軟骨等結(jié)構(gòu)；小鼠則完全相反，耳廓上的孔洞一直存在。
仔細(xì)觀(guān)察小鼠耳廓孔洞，師生們有了新發(fā)現(xiàn)?！靶∈蠖獡p傷后，可以正常產(chǎn)生芽基組織?！蓖鮽碾娔X中找出一張照片，顯微鏡下，小鼠耳廓傷口處出現(xiàn)一群高度異質(zhì)性的細(xì)胞，并特異性表達(dá)芽基相關(guān)基因，“這就是芽基組織，它的出現(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?！?/p>
與兔子能夠填滿(mǎn)孔洞的芽基組織不同，小鼠的芽基組織無(wú)法繼續(xù)生長(zhǎng)至孔洞閉合。這也表明，可再生物種與不可再生的物種的芽基組織細(xì)胞基因表達(dá)譜和細(xì)胞分化進(jìn)程存在差異。只要找到造成這種差異的核心基因，或許就能找到激活再生的分子開(kāi)關(guān)。
這個(gè)關(guān)鍵的發(fā)現(xiàn)，把研究范圍從幾千個(gè)基因縮小至100多個(gè)基因，這項(xiàng)工作從大海撈針變成了耐心測(cè)試，每一步都需要走穩(wěn)，稍有不慎就有可能錯(cuò)過(guò)最關(guān)鍵的分子。
“100多個(gè)基因，每個(gè)都要包裝用于基因過(guò)表達(dá)的病毒，隨后需要進(jìn)行耳廓病毒注射，從注射到獲得穩(wěn)定的基因表達(dá)至少需要兩個(gè)星期；給兔子和小鼠耳廓打孔，需要觀(guān)察一個(gè)月。每個(gè)基因都如此，時(shí)間和精力成本很高?！蓖鮽F(tuán)隊(duì)一邊做實(shí)驗(yàn)，一邊利用空間轉(zhuǎn)錄組測(cè)序、細(xì)胞譜系追蹤等技術(shù)，進(jìn)一步縮小基因范圍。
接著，又是多輪漫長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)。過(guò)程中，有學(xué)生打起了退堂鼓，王偉便用自己的科研故事“現(xiàn)身說(shuō)法”。
王偉在博士后研究期間，曾利用新動(dòng)物模型非洲鳉魚(yú)開(kāi)展類(lèi)似的再生研究。整整4年，他才從200多個(gè)基因中篩選出一個(gè)具有功能的再生特異性增強(qiáng)子?！翱蒲械牡缆飞?，成功者是少數(shù)，每個(gè)人都是艱難前行的孤勇者。有些人半途而廢，但堅(jiān)持下來(lái)的就有可能成功！”王偉向團(tuán)隊(duì)成員發(fā)出邀請(qǐng)，“已經(jīng)到了研究的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，我們必須要有堅(jiān)定的信心，只要方向是對(duì)的，堅(jiān)持走下去就會(huì)有突破！”
經(jīng)過(guò)團(tuán)隊(duì)成員的共同努力，篩選范圍再次縮小。“我們鑒定出了9個(gè)潛在的關(guān)鍵性差異基因，并發(fā)現(xiàn)其中兩個(gè)基因的重新激活可促進(jìn)再生?！蓖鮽フf(shuō)，一種可以合成視黃酸的基因Aldh1a2引起了大家的注意，“視黃酸是一種常見(jiàn)的維生素A活性代謝物，與細(xì)胞發(fā)育密切相關(guān)。小鼠耳廓再生失敗也許與視黃酸合成不足有關(guān)。究其根本，是因?yàn)榛駻ldh1a2的表達(dá)不足?！?/p>
進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，兔子的基因組中保留了負(fù)責(zé)調(diào)控基因Aldh1a2的關(guān)鍵DNA序列，就像基因表達(dá)的“開(kāi)關(guān)”，在耳廓受傷時(shí)會(huì)被強(qiáng)烈激活，從而源源不斷產(chǎn)生視黃酸，幫助組織再生。但在小鼠基因組中，可調(diào)控該基因的“開(kāi)關(guān)”大都消失了，導(dǎo)致視黃酸產(chǎn)量不高，無(wú)法完成再生。
當(dāng)師生們嘗試為小鼠補(bǔ)充視黃酸后，他們驚喜地發(fā)現(xiàn)，小鼠耳廓的傷口不再只是簡(jiǎn)單愈合，而是實(shí)現(xiàn)了再生。將特定增強(qiáng)子導(dǎo)入小鼠的基因組，也能顯著提升該基因的表達(dá)并促進(jìn)再生。
“這相當(dāng)于我們?nèi)藶榘聪铝嗽偕摹_(kāi)關(guān)’。”王偉說(shuō)，這是再生領(lǐng)域的重要突破，也為實(shí)現(xiàn)其他重要器官的再生帶來(lái)了新的希望。
從發(fā)育到再生
回望過(guò)去10余年，王偉直言，科研之路雖有坎坷、有停滯，但努力之后總有收獲。
博士學(xué)習(xí)期間，王偉的研究方向是果蠅發(fā)育性別差異的分子機(jī)制。2013年，王偉即將博士畢業(yè)，一次，在參加學(xué)術(shù)會(huì)議時(shí)，他偶然聽(tīng)了一場(chǎng)小型再生研討會(huì)，發(fā)現(xiàn)器官再生研究是一個(gè)飛速發(fā)展、充滿(mǎn)機(jī)遇的新興領(lǐng)域。
發(fā)育、衰老、再生，三個(gè)生物學(xué)主題彼此之間有著千絲萬(wàn)縷的聯(lián)系，分子機(jī)理遙相呼應(yīng)，這讓他下定決心——進(jìn)入器官再生領(lǐng)域。兩個(gè)月后，王偉參加了一期“胚胎生物學(xué)”暑期培訓(xùn)班，遇到了多年深耕于渦蟲(chóng)器官再生領(lǐng)域的導(dǎo)師。隨后，他加入導(dǎo)師的實(shí)驗(yàn)室，開(kāi)展博士后研究工作。
這次，王偉的研究對(duì)象是非洲鳉魚(yú)，這是一種生存于非洲干旱地區(qū)的、擁有獨(dú)特生物學(xué)特性的野生小魚(yú)，生長(zhǎng)速度極快，可自發(fā)休眠，平均壽命只有4到6個(gè)月。
“當(dāng)時(shí)在再生領(lǐng)域，研究者最常用的、可進(jìn)行復(fù)雜遺傳操作的模式脊椎動(dòng)物是斑馬魚(yú)和小鼠，斑馬魚(yú)再生能力強(qiáng)，而小鼠多數(shù)器官不具備再生能力。但考慮到它們之間的差異太大，直接比較難以判斷差異背后的生物學(xué)意義。如果我們能直接比較親緣關(guān)系相對(duì)較近的斑馬魚(yú)和非洲鳉魚(yú)，就可能會(huì)有新發(fā)現(xiàn)！”王偉興奮地說(shuō)，找到再生和不可再生的器官并進(jìn)行比較研究，能更快地揭示再生能力丟失或獲得的機(jī)制。
但是，對(duì)于科研人員來(lái)講，接觸一個(gè)新的研究對(duì)象，就意味著面臨新的挑戰(zhàn)?！爱?dāng)時(shí)我們都不知道這個(gè)新的研究能開(kāi)展到什么程度，潛力和風(fēng)險(xiǎn)并存，但我們都覺(jué)得應(yīng)該試試?！蓖鮽フf(shuō)。
為此，導(dǎo)師特意騰出了一間辦公室，專(zhuān)供王偉在里面養(yǎng)魚(yú)，又從合作方獲取了80顆魚(yú)卵。這就是王偉擁有的一切?？梢婚_(kāi)始，魚(yú)卵孵化就出了問(wèn)題：80顆魚(yú)卵只孵出了10條小魚(yú)。王偉一邊盼著它們能盡快交配繁殖，一邊想方設(shè)法優(yōu)化飼養(yǎng)條件，讓小魚(yú)能茁壯生長(zhǎng)。
在實(shí)驗(yàn)室中模擬野生生物生長(zhǎng)的環(huán)境，個(gè)中艱辛，王偉深有體會(huì)。接下來(lái)整整兩年的時(shí)間里，王偉每天都忙著給二三十缸的非洲鳉魚(yú)換水，摸索它們孵化、發(fā)育、繁殖的實(shí)驗(yàn)條件，還要時(shí)常面對(duì)同事的“不看好”。
2015年底，他終于在實(shí)驗(yàn)室建成了非洲鳉魚(yú)的養(yǎng)殖系統(tǒng)，穩(wěn)定地培育出健康的小魚(yú)。
第一批斷鰭再生實(shí)驗(yàn)馬不停蹄地啟動(dòng)了。因?yàn)榉侵搠汈~(yú)的壽命非常短，王偉和導(dǎo)師最初的預(yù)期是它的再生能力應(yīng)該比較弱。此前合作實(shí)驗(yàn)室所做的初步實(shí)驗(yàn)也表明，對(duì)于非洲鳉魚(yú)來(lái)說(shuō)，斷“鰭”確實(shí)難再續(xù)。但出乎意料的是，王偉從第一批非洲鳉魚(yú)身上割下一截魚(yú)鰭的一周后，新的魚(yú)鰭竟然很快地長(zhǎng)了出來(lái)！
重復(fù)實(shí)驗(yàn)之后，王偉不僅確認(rèn)了這一事實(shí)，還找到了出現(xiàn)不同結(jié)果的原因：前者的再生實(shí)驗(yàn)是切割年老鳉魚(yú)的尾鰭，尾鰭再生能力顯著減弱；王偉切割的是年輕鳉魚(yú)的尾鰭，再生能力相對(duì)較強(qiáng)。這說(shuō)明非洲鳉魚(yú)尾鰭的再生能力會(huì)隨年齡增長(zhǎng)而衰退。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果與預(yù)期背道而馳，王偉立刻調(diào)整了思路，將研究方向轉(zhuǎn)變?yōu)椋涸谖馋捲偕倪^(guò)程中，非洲鳉魚(yú)與斑馬魚(yú)中存在哪些共同的再生調(diào)控機(jī)制？
緊接著就是團(tuán)隊(duì)成員“耳熟能詳”的經(jīng)歷——4年苦尋一個(gè)具有功能的再生特異性增強(qiáng)子。當(dāng)篩選一度陷入停滯時(shí)，王偉看到了杜克大學(xué)團(tuán)隊(duì)發(fā)表的一篇關(guān)于再生響應(yīng)增強(qiáng)子的論文，給他帶來(lái)了靈感，成為破局的關(guān)鍵。
增強(qiáng)子是分布在基因組中的一些DNA片段，能通過(guò)激活其他基因的轉(zhuǎn)錄效率，實(shí)現(xiàn)對(duì)基因表達(dá)的調(diào)控功能?！耙苍S基因的選擇性表達(dá)才是器官再生啟動(dòng)的關(guān)鍵？”王偉覺(jué)得自己此前專(zhuān)注于尋找再生特異性基因的想法可能走錯(cuò)了方向。
于是，王偉又調(diào)轉(zhuǎn)方向，搜索斑馬魚(yú)和非洲鳉魚(yú)在損傷刺激下響應(yīng)損傷的增強(qiáng)子片段。最終，找到了具有功能的再生響應(yīng)增強(qiáng)子。
有趣的是，比較兩種生活環(huán)境差異很大的魚(yú)類(lèi)之后，王偉發(fā)現(xiàn)，再生響應(yīng)增強(qiáng)子是可進(jìn)化的，同時(shí)提出了“增強(qiáng)子功能性變化是導(dǎo)致脊椎動(dòng)物再生能力不均勻”的理論模型。
2020年9月4日，該發(fā)現(xiàn)在國(guó)際頂級(jí)期刊《科學(xué)》上發(fā)表。
如今，在北京海關(guān)的支持下，王偉又把“老搭檔”非洲鳉魚(yú)引入國(guó)內(nèi)，在北京生命科學(xué)研究所進(jìn)一步探索再生的秘密。
“這是我國(guó)在科研領(lǐng)域首次引入新型模式生物，為科研用模式生物進(jìn)口提供了可復(fù)制、可推廣的經(jīng)驗(yàn)，也填補(bǔ)了我國(guó)脊椎動(dòng)物新模型空白。”王偉說(shuō)，這些小魚(yú)將為器官再生和抗衰老研究提供更為有效的遺傳篩選模型。其極短的生命周期及獨(dú)特的生物學(xué)特性，將助力團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)性解析脊髓再生及衰老引起的再生能力衰退的分子機(jī)制。
王偉正帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)行走在探索生命自愈密碼的征途上，向世界發(fā)出中國(guó)強(qiáng)音。“未來(lái)，或許可以通過(guò)尋找導(dǎo)致器官再生能力丟失的關(guān)鍵分子，解決大腦、心臟等復(fù)雜器官疾病的治療難題。當(dāng)然，隨著器官結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度提高，定位‘開(kāi)關(guān)’的難度也將成倍增長(zhǎng)，我們要走的路還很長(zhǎng)?！彼χf(shuō)，自己有信心。
編輯：李華山
