揭开全身再生的基因秘密

遗传学的再生

一项新的研究着眼于三条纹豹蠕虫如何能够再生整个身体,以及这种再生如何应用于人类。视频:罗怡筠

说到再生,有些动物有惊人的本领。如果你切掉蝾螈的腿,它还会长回来。当受到威胁时,一些壁虎会垂下尾巴来分散捕食者的注意力,之后它们又会重新长出尾巴。

其他动物则更进一步。涡虫、水母和海葵在被切成两半后实际上可以再生它们的身体。

在生物和进化生物学助理教授曼西·斯利瓦斯塔瓦(Mansi Srivastava)的带领下,一个研究小组正在揭示动物是yabo124如何完成这一壮举的,同时还发现了一些脱氧核糖核酸控制全身再生基因的开关。这项研究发表在3月15日的《科学》杂志上。

Srivastava和她实验室的博士后Andrew Gehrke使用三条纹豹子虫来测试这一过程,发现非编码DNA的一部分控制着一种被称为早期生长反应(early growth response,简称EGR)的“主控制基因”的激活。一旦激活,EGR通过开启或关闭其他基因来控制许多其他过程。

格尔克说:“我们发现,这一主基因启动并激活了再生过程中启动的基因。”“基本上,发生的事情是非编码区域告诉编码区域打开或关闭,所以一个好方法是把它们看作开关。”

格尔克说,为了使这一过程发挥作用,蠕虫细胞中的DNA(通常是紧密折叠和压缩的)必须改变,使新的区域可用来激活。

“基因组中许多紧密排列的部分实际上在物理上变得更加开放,”他说,“因为那里有调控开关,必须打开或关闭基因。”所以这篇论文的一个重大发现是,基因组是非常动态的,在不同部分打开和关闭的再生过程中真的会发生变化。”

在格尔克和斯里瓦斯塔瓦了解蛔虫基因组的动态特性之前,他们必须将其序列组装起来——这本身并不是一项简单的壮举。

“这是这篇论文的很大一部分,”斯里瓦斯塔瓦说。“我们正在释放这个物种的基因组,这很重要,因为它是这个门的第一个物种。到目前为止,还没有完整的基因组序列。”

整个身体再生

一只三带豹蠕虫正在进行全身再生。Mansi Srivastava和Andrew R. Gehrke的视频

她补充说,这也是值得注意的,因为三带豹蠕虫代表了研究再生的新模型系统。

她说:“以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。”。“但研究这些新蠕虫有一些原因。”一方面,它们处于重要的系统发育位置。“因此,它们与其他动物的关系……使我们能够对进化做出陈述。”她说,另一个原因是,“它们真的是很棒的实验室老鼠。几年前我在百慕大做博士后的时候在野外收集了它们,自从我们把它们带到实验室后,它们比其他系统更容易使用更多的工具。”

Srivastava说,虽然这些工具可以证明基因组在再生过程中的动态性质——Gehrke能够识别多达18000个发生变化的区域——但重要的是,他能够从研究中获得多少意义。她说,结果表明,EGR就像再生的电源开关——一旦发生变化如果启用,则可以执行其他进程,但如果没有它,则不会发生任何事情。

斯里瓦斯塔瓦说:“我们能够降低这种基因的活性,我们发现,如果你没有EGR,什么也不会发生。”“动物就是不能再生。所有这些下游基因都不会启动,所以其他的开关也不起作用,基本上整个房子都变暗了。”

虽然这项研究揭示了这一过程在蠕虫中如何工作的新信息,但它也可能有助于解释为什么它在人类中不起作用。

Gehrke说:“结果表明EGR,主基因,以及其他被开启和关闭的基因在其他物种中也存在,包括人类。”

斯里瓦斯塔瓦说:“我们把蠕虫中的这种基因称为EGR是因为当你看它的序列时,它与已经在人类和其他动物身上研究过的一种基因相似。”“如果你在培养皿中放入人体细胞并对它们施加压力,无论是机械作用还是毒素作用,它们都会立即表达EGR。”

斯里瓦斯塔瓦说,问题是,“如果人类可以打开EGR,不仅可以打开它,而且可以在我们的细胞受伤时打开它,为什么我们不能再生呢?答案可能是,如果EGR是电源开关,我们认为接线是不同的。EGR在人类细胞中所说的可能不同于它在三带豹蠕虫中所说的,安德鲁也用它所做的。”h这项研究提出了一种方法来获得这种连接。因此我们想弄清楚这些连接是什么,然后将其应用于其他动物,包括只能进行更有限再生的脊椎动物。”

斯里瓦斯塔瓦和格尔克说,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相同,并继续努力更好地理解基因组的动态特性。

Mansi Srivastava和Andrew Gehrke

曼西·斯里瓦斯塔瓦和安德鲁·格尔克与实验室的标本。克里斯·斯尼布/哈佛大学摄影师

Srivastava说:“现在我们知道了再生的开关是什么,我们正在研究开发中涉及的开关,以及它们是否相同。你只是重新进行开发,还是涉及一个不同的过程?”

该团队还在研究EGR和其他基因激活再生过程的精确方式,包括三条纹豹子虫和其他物种。

最后,斯里瓦斯塔瓦和格尔克说,这项研究强调了不仅理解基因组,而且理解所有基因组的价值——非编码部分和编码部分。

“只有大约2%的基因组制造蛋白质之类的东西,”格尔克说。“我们想知道:在整个身体的再生过程中,另外98%的基因组在做什么?”人们早就知道,许多导致疾病的DNA变化都发生在非编码区域……但它在像全身再生这样的过程中一直被低估。

“我认为我们只是触及了表面,”他继续说。“我们已经研究了其中一些开关,但基因组如何在更大范围内相互作用还有一个完整的其他方面,而不仅仅是片段如何打开和关闭。所有这些对于打开和关闭基因都很重要,因此我认为这种调节性质有多个层面。”

“这是一个很自然的问题,观察自然界,然后想,如果壁虎都能做到,为什么我不能?”斯利瓦斯塔瓦说。”有许多物种可以再生,不能和其他人,但事实证明如果你比较基因组在所有动物,大部分的基因,我们也在三级豹蠕虫…所以我们认为有些答案可能不会来自某些基因是否存在,而是看它们是如何连接在一起的,而答案只能来自基因组的非编码部分。”

出版物:“Acoel基因组揭示了全身再生的调控景观”科学(2019年)

这项研究得到了哈佛大学密尔顿基金、塞尔学者计划、史密斯家庭基金会、国家科学基金会、海伦海伊惠特尼基金会、人类前沿科学计划、美国国立卫生研究院、UC伯克利的生物医学大培训计划、Marthella Fo的资助。斯凯特·布朗是生物科学的主席,霍华德·休斯医学研究所。

2的评论“发现全身再生的遗传秘密”

  1. 嗯…所以假设人类的“线路”一定是不同的,否则它就会起作用?也许它是一个二级开关,也必须被触发,但不存在?

  2. 我认为这项研究可能是创造永生的关键。我将志愿者。粘我。作为一名遗传学家,我想自己创造一种长生不老药。我没能走那么远。我自愿参加人体试验。这是一个可怕的跳跃,但我愿意这么做。看到我关心或爱的每一个人在几代人的时间里逐渐消失,直到有别的东西离开我,这是令人难过的。如果那长生不老药真能成为现实,我想服用它。

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