揭示動物組織再生藍圖

在一項新的研究中，來自美國懷特海德研究所的研究人員描述了一種關(guān)于真渦蟲（planarian）眼睛再生的模型：真渦蟲的眼睛再生受到同時發(fā)揮作用的三個原則的調(diào)控，這有助了解真渦蟲的祖細胞如何在再生中發(fā)揮功能。這種模型涉及位置線索；吸引祖細胞到現(xiàn)存結(jié)構(gòu)的自組織（self-organization）；起源自分散的空間區(qū)域而不是起源自精確位置的祖細胞，從而給它們的遷移路徑提供靈活性。這三個原則似乎確定著祖細胞在再生期間如何決定遷移到何處進行形態(tài)和功能重建，并且它們讓我們從系統(tǒng)水平上理解這個過程更接近一步。相關(guān)研究結(jié)果于2018年3月15日在線發(fā)表在Science期刊上，論文標題為“Self-organization and progenitor targeting generate stable patterns in planarian regeneration”。論文通信作者為懷特海德研究所研究院、麻省理工學院生物學教授和霍華德休斯醫(yī)學研究所研究員Peter Reddien博士。

從以前的研究中，這些研究人員已了解到干細胞可能會讀取來自周圍組織的指令來指導它們的遷移路徑，而且很明顯的是，這個過程在再生過程中面臨一些嚴重的挑戰(zhàn)。Reddien說，“我們意識到位置信息必須發(fā)生變化；它需要在再生過程中改變以便確定新的需要再生的缺失部分。這種修正后的位置信息隨后能夠指導祖細胞選擇所要產(chǎn)生的新結(jié)構(gòu)，并且在正確的位置上經(jīng)過分化后產(chǎn)生正確的結(jié)構(gòu)。然而，一個謎團產(chǎn)生了。鑒于在遭受損傷后，位置信息在再生過程中發(fā)生變化，因此位置信息模式與剩余的解剖結(jié)構(gòu)模式之間存在不匹配。認識到這種不匹配引發(fā)我們開展這項研究。我們想要理解產(chǎn)生特定組織的干細胞如何決定遷移到哪里并進行分化。它是基于解剖結(jié)構(gòu)還是基于位置信息？當這兩者不一致時，它們?nèi)绾巫鞒鰶Q定？”

Reddien和他的實驗室花了十多年的時間利用一種被稱作真渦蟲的小扁蟲來揭示再生之謎。如果一個真渦蟲的頭部被截斷，或者它的一側(cè)被切除，那么它的每一部分（比如它的被截斷的頭部和剩余的部分）都會再生出整個動物。為了理解祖細胞在動物再生的嘈雜環(huán)境中如何決定遷移到哪里，這些研究人員使用了真渦蟲的眼睛，它是一個肉眼看得見的器官，該器官足夠小以至于可在不會產(chǎn)生嚴重損傷的情況下將它切除，此外，它還含有人們已確定的祖細胞分子標志物。

這些研究人員設計了一個簡單的實驗來解決這些祖細胞如何決定遷移到哪里的問題：截斷真渦蟲的頭部，接著在三天后從這個被截斷的頭部部分移除一只眼睛。他們發(fā)現(xiàn)祖細胞會在位于剩余的一只眼睛的前面開始形成一只新的眼睛，而不是在解剖結(jié)構(gòu)確定的“正確”位置（與剩余的這只眼睛相對稱的位置）上形成一只新的眼睛。但是，如果在更早的時候---與頭部截斷的同一天而不是在三天后---從被截斷的頭部部分移除一只眼睛，然后開展相同的實驗，那么會產(chǎn)生不同的結(jié)果：新的眼睛在與剩下的一只眼睛相對稱的位置---也就是身體結(jié)構(gòu)的“正確”位置---上開始形成，這提示著當多種選擇存在沖突時，解剖結(jié)構(gòu)的自組裝動力學取勝。

這些簡單的規(guī)則指導這種動物成功再生，并且當它的再生潛能被**限度地挖掘時會產(chǎn)生替代性的穩(wěn)定的解剖結(jié)構(gòu)形態(tài)：產(chǎn)生具有三只眼睛、四只眼睛或五只眼睛的真渦蟲。切除這種動物的一側(cè)并且截斷它的頭部能夠讓它的祖細胞足夠遠地遠離現(xiàn)有的眼睛，從而允許在頭部部分中開始形成第三只眼睛。論文**作者、Reddien實驗室研究生Kutay Deniz Atabay 說，“如果這些遷移的祖細胞離現(xiàn)有的眼睛太近的話，就會像黑洞一樣吸入它們；如果它們相隔足夠遠的話，那么它們能夠逃避這種吸入?！?/span>

當這些研究人員對具有三只眼睛的真渦蟲進行同樣的切除手術(shù)時，它的祖細胞逃避現(xiàn)有眼睛的吸引并產(chǎn)生具有五只眼睛的真渦蟲。無論是哪一種情形，所有的眼睛都被功能性地整合到大腦中，并呈現(xiàn)出相同的真渦蟲眼睛避光反應。他們還觀察到，這些替代性的解剖結(jié)構(gòu)形態(tài)能夠持續(xù)存在，這就揭示出維持現(xiàn)有的解剖結(jié)構(gòu)和替代性的解剖結(jié)構(gòu)的規(guī)則。Atabay說，“這有助于解釋動物再生的一個基本問題，這就是遷移性的祖細胞如何作出導致動物再生和維持器官的選擇。”

Reddien說，“這項研究提出一個關(guān)于再生的框架：相互競爭的力量：自組織和外在線索影響著祖細胞在再生中的靶向遷移；這兩種力量共同決定著最終的結(jié)果?！?/span>