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shRNA表达克隆

探寻组织再生的奥秘

May 15, 2018 No Comments

Regenerating tissues1这种墨西哥钝口螈(六角恐龙,英文名axolotl)是研究断肢再生的上佳模式生物。

 

 

通过对再生(regeneration)机制的研究,可以帮助我们了解如何更好地使用人造器官。

在胚胎发育的最初阶段(头几天至数周大),仅靠不同细胞之间的交流,就可以让大脑、眼睛等器官在那么小的胚胎里按照正常的位置,从头到脚,从上到下,从左到右排列妥当。此外,还有两大生物学事件非常重要,有一些扁虫(flatworm),也叫涡虫(planaria)的身体被切断之后,还能再长出一个头,另外一种情况就是小鼠或人的干细胞可以发育为大脑类器官(organoids)。以六角恐龙(axolotl)为代表的蝾螈(salamander)等脊椎动物在器官再生时还会重新进行器官轴向定位(axial self-organization)。虽然这些脊椎动物不可能再生出一个新的头,但是再长出一个完整的手或腿还是没有问题的。上述这些事例都提示我们,生物体中心轴沟通系统(axis communication system)具有极强的自生能力,机体的细胞可以根据这些再生信息,重新组织在一起。对扁虫和火蜥蜴的再生机制进行研究,比如最近完成的基因组测序工作等,都给我们提供了重要的工具和线索,帮助我们更好地认识这些奇妙的生物现象,这也更有利于我们开展人造器官研究。近日《科学》(Science)杂志介绍了Atabay课题组和Hill、Petersen课题组的工作,他们分别揭示了这种器官排列的神秘机制,而且成功地让涡虫在非正常位置长出了眼睛。

将一只成年扁虫一切为二,没有头的那一半会再生出一个新的头和眼,而且这些新生器官会按照正常的位置进行排列。不论是斜着切,还是只剩下哪怕1/300,都没有问题,都能重新再恢复成一个完整的扁虫,而且各部位的比例都非常合适。这也就意味着,当扁虫被“砍头”之后,新生的头部会根据剩余的身体大小而自动调整体积和位置,这也是轴向自我组织功能的神奇之处。

 

 

Regenerating tissues2

如果改变了机体轴,就可以让涡虫长出3只眼睛。

 

器官再生需要各个细胞协同合作,形成一个空间信号中心,释放成型素胞外信号分子(morphogens—extracellular signaling molecules),指导周围细胞正确就位,根据不同信号分子出现的时间,以及浓度的不同,形成不同类型的细胞。对于类器官,组织中心(organizing centers)的形成是一种自发出现的现象,极难进行人为预测和调控,可是在扁虫或火蜥蜴的肢体再生过程中,机体会利用肢体残端里一系列标志为参照,重建出完整的肢体。因此,这些具备再生能力的生物成为了帮助我们了解再生机制的珍贵模型,可以让我们认识成形素系统的特点,了解在类器官自发的发育形成过程中,如何进行人工调控。

成形素能够指导扁虫的干细胞是长成头,还是长成尾巴。这种作用在包括人类在内的其它动物中都广泛存在。因此,这种能够再生的蠕虫动物也就成为了我们研究组织器官自我组织过程的良好模型。在扁虫的头尾这条轴线上,Wnt成形素会抑制头部的形成,而BMP(bone morphogenetic protein)成形素则会影响从背侧至腹侧(dorsal-ventral)方向上的细胞分化。成年扁虫体内有大量的干细胞,名为成体未分化细胞(neoblasts)。这些干细胞会不断形成新的组织和器官。为了维持机体的稳态(homeostasis),这些成体未分化细胞会不断接受由肌肉细胞(这些肌肉细胞沿头尾方向分布,将成体未分化细胞包裹在内)分泌的成形素的指令。尾部的肌肉细胞能够分泌大量Wnt成形素,而头部肌肉细胞分泌的Wnt成形素却很少。为了证明Wnt成形素这种差异的作用,科研人员抑制了β-连环蛋白(β-catenin)的作用,使细胞不再对Wnt成形素有反应,结果使扁虫的生长速度变慢,几周之后,长成了有好几个头的扁虫。

那么如果把扁虫一切两半,接下来会发生什么事呢?大量的成体未分化细胞会聚集到切口处,其中有一些细胞会分化为顶端细胞(tip cell),肌肉细胞会开始重新调整Wnt信号因子的浓度梯度,以适应新 “躯体”的大小。涡虫体内即开始生长出新的组织和器官,同时也替换了老的组织和器官,重新长成了一个各部位大小比例都很合适的“新”涡虫。至于成体涡虫体内之前残留的哪些信息能够保证从尾节(tail fragments)长出新的头部,或者反过来从头节长出新的尾部,现在还不清楚。

Atabay等人为了了解成体未分化细胞是如何确定眼睛位置的,于是将涡虫的尾端切掉,只留下了头端,在残留虫体体内成形素重新分布完成之后,Atabay等人又切掉了一只或两眼睛。在涡虫体内,眼睛前体细胞正确就位之后就开始分化,形成新的眼睛。再生的眼睛要比之前剩下的眼睛更靠近头端,这表明新生的眼能够感应到虫体内成形素的浓度梯度,能够明确地迁移到眼睛形成的正确部位。如果将头部顶端去掉,进一步改变虫体轴向特征,新生的眼就会迁移到靠后的、和之前剩下的眼睛差不多的位置。有意思的是,未受损伤的那只眼还会保持在原位不动,这说明之前被手术破坏的那只眼会吸引新生眼的前体细胞就位,避免它们跑到对侧去了。实际上,当Atabay等人在破坏一只眼之后,还剩余部分眼组织在虫体上时,新生的眼就还是会出现在被破坏的位置。

Hill 和Petersen用了另外一种方法,对未切除的虫体进行了试验。他们抑制了Wnt信号通路抑制剂notum分子的合成,改变了Wnt的浓度梯度。结果几周之后,虫体在正常眼睛的前部又长出了一对眼睛。有趣的是,这两对眼睛都要比正常的眼睛小一些。新长出的、更靠前的那对眼睛也与大脑相连,这说明虫体的神经系统已经根据新的Wnt信号做出了调整。

在上面介绍的这两项工作中,如果之前的眼睛被损坏了,新生的眼是不会在原位出现的,因为可能原位置并不是再生眼的目标位置(target zone, TZ)。所以Atabay等人认为还存在一个范围更大的、可能的目标区域(targetable zone, TAZ)。在这个区域里,已经有了一个新眼,不用再从头生成一个了。实际上,通过将眼移植到机体的各处发现,如果移植部位离正常部位太远,比如尾部,移植眼是很难存活的,必须在正常部位附近才可以。而目标区域可能就是眼前体细胞所在的部位。这些细胞能够被已经形成的眼招募。

将来,随着我们对眼新生过程的认识的不断加深,还将会了解到这些特性对于已经形成的眼对细胞的招募能力是否有差异。了解吸引这些细胞的分子机制,也非常重要。了解在再生的头部中,之前已经形成的眼为什么会慢慢移动位置也是很有意思的工作。Hill 和Petersen等人还对wntP-2基因进行了knockdown试验,结果形成了更多的咽部(pharynx),这说明Wnt信号在各个器官的定位中都起到了非常重要的作用。

目前我们还不太可能在短期内让头和眼再生,但是上述这些研究成果对于人体组织器官体外工程学研究,或者再生还是很有参考意义的。火蜥蜴的肢体被切除之后,残端的细胞都能够再生出一个完整的肢体。不过与涡虫不同的是,火蜥蜴残余的机体并不会适应性地改变大小。在肢体的断断,细胞会形成一个肢芽(bud),然后再慢慢再生出整个新的肢体。在这个肢芽内可能也会形成一个成形素浓度梯度。其次,机体也需要细胞和多个躯体轴向信息来指导新肢的生长方向。最后,骨骼的形成还涉及软骨细胞(chondrocytes)的自我集合,根据位置的不同,形成不同大小的细胞团,以生成上臂、下臂和手部等不同部位的骨骼。这些过程都需要断端的骨细胞的参与,不过也可以在没有骨模板(bone template)的情况下进行。发育研究已经提出了骨浓缩(bone condensation)的成形素作用模型,这些成形素信号都可以受断端位置信号,以及躯体大小信号的调节,以生长出合适的新肢。了解损伤、定位和大小等信息是如何系统控制成形素的表达,将极大地促进我们对这些模式生物开展基因组层面上的人工干预研究。

 


原文检索:
Elly M. Tanaka. (2018) Regenerating tissues. Science, 360: 374-375.
Eason/编译

 

 

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