揭示動(dòng)物組織再生藍(lán)圖

在一項(xiàng)新的研究中，來(lái)自美國(guó)懷特海德研究所的研究人員描述了一種關(guān)于真渦蟲(chóng)（planarian）眼睛再生的模型：真渦蟲(chóng)的眼睛再生受到同時(shí)發(fā)揮作用的三個(gè)原則的調(diào)控，這有助了解真渦蟲(chóng)的祖細(xì)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(xì)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(xì)胞，從而給它們的遷移路徑提供靈活性。這三個(gè)原則似乎確定著祖細(xì)胞在再生期間如何決定遷移到何處進(jìn)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(gè)過(guò)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(biāo)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(xué)院生物學(xué)教授和霍華德休斯醫(yī)學(xué)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(xì)胞可能會(huì)讀取來(lái)自周圍組織的指令來(lái)指導(dǎo)它們的遷移路徑，而且很明顯的是，這個(gè)過(guò)程在再生過(guò)程中面臨一些嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。Reddien說(shuō)，“我們意識(shí)到位置信息必須發(fā)生變化；它需要在再生過(guò)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(dǎo)祖細(xì)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(guò)分化后產(chǎn)生正確的結(jié)構(gòu)。然而，一個(gè)謎團(tuán)產(chǎn)生了。鑒于在遭受損傷后，位置信息在再生過(guò)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(rèn)識(shí)到這種不匹配引發(fā)我們開(kāi)展這項(xiàng)研究。我們想要理解產(chǎn)生特定組織的干細(xì)胞如何決定遷移到哪里并進(jìn)行分化。它是基于解剖結(jié)構(gòu)還是基于位置信息？當(dāng)這兩者不一致時(shí)，它們?nèi)绾巫鞒鰶Q定？”

Reddien和他的實(shí)驗(yàn)室花了十多年的時(shí)間利用一種被稱作真渦蟲(chóng)的小扁蟲(chóng)來(lái)揭示再生之謎。如果一個(gè)真渦蟲(chóng)的頭部被截?cái)?，或者它的一?cè)被切除，那么它的每一部分（比如它的被截?cái)嗟念^部和剩余的部分）都會(huì)再生出整個(gè)動(dòng)物。為了理解祖細(xì)胞在動(dòng)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(chóng)的眼睛，它是一個(gè)肉眼看得見(jiàn)的器官，該器官足夠小以至于可在不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重?fù)p傷的情況下將它切除，此外，它還含有人們已確定的祖細(xì)胞分子標(biāo)志物。

這些研究人員設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)來(lái)解決這些祖細(xì)胞如何決定遷移到哪里的問(wèn)題：截?cái)嗾鏈u蟲(chóng)的頭部，接著在三天后從這個(gè)被截?cái)嗟念^部部分移除一只眼睛。他們發(fā)現(xiàn)祖細(xì)胞會(huì)在位于剩余的一只眼睛的前面開(kāi)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(duì)稱的位置）上形成一只新的眼睛。但是，如果在更早的時(shí)候---與頭部截?cái)嗟耐惶於皇窃谌旌?--從被截?cái)嗟念^部部分移除一只眼睛，然后開(kāi)展相同的實(shí)驗(yàn)，那么會(huì)產(chǎn)生不同的結(jié)果：新的眼睛在與剩下的一只眼睛相對(duì)稱的位置---也就是身體結(jié)構(gòu)的“正確”位置---上開(kāi)始形成，這提示著當(dāng)多種選擇存在沖突時(shí)，解剖結(jié)構(gòu)的自組裝動(dòng)力學(xué)取勝。

這些簡(jiǎn)單的規(guī)則指導(dǎo)這種動(dòng)物成功再生，并且當(dāng)它的再生潛能被**限度地挖掘時(shí)會(huì)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(chóng)。切除這種動(dòng)物的一側(cè)并且截?cái)嗨念^部能夠讓它的祖細(xì)胞足夠遠(yuǎn)地遠(yuǎn)離現(xiàn)有的眼睛，從而允許在頭部部分中開(kāi)始形成第三只眼睛。論文**作者、Reddien實(shí)驗(yàn)室研究生Kutay Deniz Atabay 說(shuō)，“如果這些遷移的祖細(xì)胞離現(xiàn)有的眼睛太近的話，就會(huì)像黑洞一樣吸入它們；如果它們相隔足夠遠(yuǎn)的話，那么它們能夠逃避這種吸入?！?/span>

當(dāng)這些研究人員對(duì)具有三只眼睛的真渦蟲(chóng)進(jìn)行同樣的切除手術(shù)時(shí)，它的祖細(xì)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(chóng)。無(wú)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(chóng)眼睛避光反應(yīng)。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(shuō)，“這有助于解釋動(dòng)物再生的一個(gè)基本問(wèn)題，這就是遷移性的祖細(xì)胞如何作出導(dǎo)致動(dòng)物再生和維持器官的選擇?！?/span>

Reddien說(shuō)，“這項(xiàng)研究提出一個(gè)關(guān)于再生的框架：相互競(jìng)爭(zhēng)的力量：自組織和外在線索影響著祖細(xì)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。”