Science:控制全身再生过程的“基因开关”,你想打开吗?
2019/03/17
自愈能力堪称漫威第一强的死侍的超能力,现实中真的存在吗?


熟悉漫威电影的可能都知道死侍这个人物,剧中他因为得了癌症而参与了“X武器”计划,治好了疾病并且获得了超强的自愈能力。由于被灭霸诅咒,成为了永远的不死之身,自愈能力堪称漫威第一强!

科幻电影毕竟是虚构的,让我们回到现实生活中,说到再生,虽然说所有的动物都能治愈伤口,但是有些动物也有惊人的本领:比如说把蝾螈的腿切下来,它会重新长出来;当受到威胁时,一些壁虎会自断尾巴分散注意力,然后重新长出尾巴;其他的动物甚至更厉害,涡虫、水母和海葵实际上可以在被切成两半后再生整个身体。

这些动物是如何完成这一再生 “壮举”的?这吸引了麻省理工学院的进化生物学助理教授Mansi Srivastava的注意力。于是她带领一组研究人员进行了研究,并发现了似乎有控制着全身再生基因能力的DNA开关。研究结果以“Acoel genome reveals the regulatory landscape of whole-body regeneration”为题于3月15日发表在《Science》杂志上。


DOI: 10.1126/science.aau6173

控制再生的“基因开关”

Srivastava和在她实验室工作的博士后Andrew Gehrke采用了三条带的黑豹蠕虫(three-banded panther worms )来测试这一过程,发现有一部分非编码DNA可以调控一种名为早期生长反应(early growth response,简称EGR)的“主控基因”的激活。一旦激活,EGR通过开启或关闭其他基因来调控许多生理过程。

“我们发现,这个主控基因开始起作用,并且激活了在再生过程中开启的基因。”Gehrke说, “基本上是,非编码区域告诉编码区域打开或关闭,所以可以把它们视为‘开关’。要使这一过程发挥作用,蠕虫细胞中通常被紧密折叠和压缩的DNA必须发生变化,使新的区域可以被激活。”

“基因组中很多紧密结合的部分实际上变得更加开放,因为其中有调控开关,必须打开或关闭基因。因此,这篇论文的一个重大发现是,基因组是非常动态的。在再生过程中,随着不同部分的开启和关闭,基因组确实会发生变化。”Gehrke如是说道。

但在Gehrke和Srivastava能够理解蠕虫基因组的动态特性之前,他们必须先将其序列组装起来——这本身并非易事。

Srivastava表示,“这是本文的重要组成部分,我们正在公布这个物种的基因组,这很重要,因为这是第一个来自这个物种的基因组。”此外,值得注意的是,这三条带状的黑豹蠕虫代表了研究再生的一种新的模式系统。

之前对其他物种的研究帮助我们了解了许多关于再生的知识。但之所以研究这些新蠕虫,其中一个原因是它们处于非常重要的系统发育位置,所以它们与其他动物的关系能够帮助我们对进化做出陈述。Srivastava详细解释道,另一个原因是它们是非常棒的实验‘小白鼠’,几年前我在百慕大做博士后的时候,就在实地收集了它们。自从我们把它们带进实验室以来,它们比其他一些系统更能适应各种工具。

最终,Gehrke确定了多达18000个发生变化的区域。研究结果表明,EGR就像一个用于再生的电源开关,一旦开启,其他过程就会发生,但没有它,什么也不会发生。

同时,他们也找到了能够降低这种基因活性的方法——如果没有表皮生长因子受体,动物就是不能再生,所有这些下游基因都不会被激活,所以其他的开关也不会工作。而且,主基因EGR以及下游被开启和关闭的其他基因,存在于其他物种中,包括人类。

为什么人类不能再生?

Srivastava说,“我们把蠕虫的这种基因称为EGR的原因是,当观察它的序列时,你会发现它与已经在人类和其他动物身上研究过的一种基因很相似。如果你把人类细胞放在一个培养皿中,给它们施加压力,无论是机械的还是毒素,它们都会立刻表达EGR。

“但问题是,如果人类能够开启EGR,而且当我们的细胞受损时也能开启它,那么为什么我们不能再生?” Srivastava思考着,“答案可能是,如果EGR是电源开关,人体的线路是不同的。”

EGR在人类细胞中的作用可能与它在三条状黑豹蠕虫中的作用不同。于是,研究人员想进一步弄明白这种连线的方法,然后把它们应用到其他动物身上,包括脊椎动物(它们只能进行有限的再生)。他们希望进一步研究再生过程中激活的基因开关是否与发育过程中使用的基因开关相同,并继续努力更好地理解基因组的动态特性。

这项研究不仅强调了理解基因组的价值,而且强调了理解所有基因组的价值——包括非编码部分和编码部分。只有大约2%的基因组能制造蛋白质之类的东西。在整个身体再生过程中,98%的基因组在做什么?”长期以来,人们已经知道许多导致疾病的DNA变化位于非编码区域,但对于像全身再生这样的过程,它却被低估了。

“我认为我们只是触及了表面,” Gehrke说道,“但还有另一个方面大规模基因组是如何相互作用的,不仅是如何打开和关闭,所有这些对于打开和关闭基因很重要,所以我认为有多层次的监管。”而他们一致认为,这个答案中可能不会来自于某些基因是否存在,而是来自于它们是如何连接在一起的,而且只能来自基因组的非编码部分。

参考资料

Study uncovers genetic switches that control process of whole-body regeneration

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