金秋十月，是屬于科學(xué)的年度高光時刻。今年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎獲得者，從“停止生長”的線蟲出發(fā)，在微小RNA領(lǐng)域作出了突破性貢獻(xiàn)。線蟲，也讓數(shù)位科學(xué)家摘得諾獎桂冠。
在超級英雄電影里，再生能力是一個強(qiáng)力技能點(diǎn)——不論受到什么傷害，一會兒就能滿血復(fù)活繼續(xù)戰(zhàn)斗。線蟲有個“好兄弟”渦蟲，和諾獎也有著千絲萬縷的聯(lián)系，還是地表“最強(qiáng)再生之王”，別說“一刀兩斷”，縱是“千刀萬剮”，身體碎片也能再生出結(jié)構(gòu)完整的個體。正是因為他們強(qiáng)大再生能力，正常飼養(yǎng)的渦蟲幾乎被認(rèn)為是“永生”。
秋日午后，記者跟隨中國科學(xué)院分子細(xì)胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心研究員曾安，走進(jìn)“再生實驗室”。這里的培育的數(shù)十萬條渦蟲，“祖先”都是曾安2019年回國時帶回的第一條渦蟲。
如此強(qiáng)大的再生能力從何而來？
渦蟲如何感知自己丟失了哪部分的組織并完美再生？
我們是否有可能將這種再生能力運(yùn)用到人體中？
在“再生實驗室”，科研人員正努力破解這些奧秘。
神奇但“陌生”的模式生物
在傳統(tǒng)的動物分類學(xué)上，渦蟲隸屬于扁形動物門渦蟲綱，廣泛分布于世界各地。
19世紀(jì)，美國發(fā)育學(xué)家哈麗特·倫道夫就注意到了渦蟲的強(qiáng)大再生能力。他發(fā)現(xiàn)經(jīng)過切割后的渦蟲，身體的每一部分竟然都能重新發(fā)育為一個完整的個體?，F(xiàn)代“遺傳學(xué)之父”托馬斯·摩爾根也對渦蟲再生開展了近十年的研究，他將一只渦蟲“千刀萬剮”成了279個碎片，驚訝地發(fā)現(xiàn)渦蟲在如此情況下，一些身體碎片依然能夠重新再生出結(jié)構(gòu)完整的個體。
?“然而，在發(fā)表了數(shù)篇論文后，摩爾根發(fā)現(xiàn)當(dāng)時的技術(shù)手段無法深入地窺見再生的機(jī)理，于是轉(zhuǎn)而研究果蠅，發(fā)現(xiàn)了染色體是生物性狀遺傳的本質(zhì)，開啟了遺傳學(xué)的世紀(jì)?！痹步榻B。
他告訴記者，20世紀(jì)遺傳學(xué)興起后，憑借在研究基因調(diào)控機(jī)制方面的便利，以果蠅為代表的模式生物日漸“得寵”；而渦蟲領(lǐng)域的研究者們由于缺乏遺傳學(xué)手段，無法將研究深入到分子水平，無奈停下了腳步。
轉(zhuǎn)機(jī)出現(xiàn)在20世紀(jì)末，RNA干擾技術(shù)出現(xiàn)，曾安的博士后導(dǎo)師桑切斯教授將其引入了渦蟲再生領(lǐng)域，并首次篩選了一些演化上保守的基因在渦蟲發(fā)育再生過程中的功能，開創(chuàng)了渦蟲再生研究的遺傳學(xué)時代?！巴瑯邮窃诰€蟲中發(fā)現(xiàn)的RNA干擾技術(shù)，在2006年得到了諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎的青睞?！痹惭a(bǔ)充說。
也是在2006年，曾安一頭扎進(jìn)渦蟲的廣闊天地。他發(fā)現(xiàn)，已知的“再生本領(lǐng)”里，無論是小鼠的視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)再生、線蟲的運(yùn)動神經(jīng)元軸突再生，還是斑馬魚心肌細(xì)胞修復(fù)損失器官，都無法與堪稱“逆天改命”的渦蟲相提并論。
他堅定地在利用分子手段解析再生原理的研究道路上走了下去。2019年秋天回國后，加入中國科學(xué)院分子細(xì)胞卓越中心帶領(lǐng)研究組繼續(xù)攻關(guān)渦蟲再生。
探秘渦蟲成體多能干細(xì)胞
顯微鏡燈光的照射下，曾安手持切割刀片，小心翼翼地把一條2厘米長的渦蟲切割成數(shù)片，7天后，這些“碎片”就將長成全新的個體。
上海已然入秋，氣溫跌了不少。走進(jìn)恒溫20攝氏度的渦蟲培養(yǎng)房，倒也不覺得清涼。亮堂的培養(yǎng)房里，整齊擺放著數(shù)十所“渦居”，好多渦蟲貼在生化培養(yǎng)箱的壁沿上。
湊近了瞧，渦蟲背腹扁平，像一片小柳樹葉，身體是黑褐色的，背面深，腹面則略淺；頭的背面有兩個黑色的眼點(diǎn)，而在腹面后約三分之一處，是渦蟲的口。
“它們吃小牛的牛肝，一小塊牛肝就夠?qū)嶒炇依餃u蟲的全部口糧了?！闭谖故车难芯可f。
曾安介紹，渦蟲是少數(shù)幾種在胚胎發(fā)生后，仍能維持體內(nèi)多能干細(xì)胞的生物之一。這個多能干細(xì)胞群能不斷分化成所有三胚層來源的細(xì)胞類型，用于生長、再生和替換凋亡細(xì)胞。
?“當(dāng)渦蟲受到損傷后，多能干細(xì)胞會迅速響應(yīng)并遷移至受損部位，啟動分化進(jìn)程，誘導(dǎo)新芽基產(chǎn)生。一周內(nèi)，受損的渦蟲就能重新長出新的神經(jīng)、排泄、消化和生殖系統(tǒng)，甚至是整個大腦?！痹哺嬖V記者。
那么，成體多能干細(xì)胞是如何受到調(diào)控并起始分化成不同細(xì)胞類型的？這種多能性調(diào)控和組織器官再生機(jī)制之間的聯(lián)系究竟是什么？
在前期研究中，曾安領(lǐng)銜的研究組運(yùn)用單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)鑒定并分離了渦蟲中成體多能干細(xì)胞類群，并找到其分子標(biāo)記TSPAN-1。科研人員把TSPAN-1+的單細(xì)胞移植到致死劑量照射后的渦蟲體內(nèi)，可以重建整個渦蟲三胚層來源的所有組織和器官，顯示TSPAN-1+細(xì)胞是其體內(nèi)成體多能干細(xì)胞。這個工作發(fā)表四年后就進(jìn)了美國大學(xué)生的教科書。
我們近期的工作聚焦在渦蟲細(xì)胞如何感知自身空間位置信息。類比到人身上來說，就是組織損傷后如何恢復(fù)原來的器官的形態(tài)和空間位置。
要做“從零到一”造福健康的成果
人體大部分組織或器官中都有干細(xì)胞的身影，它們參與組織內(nèi)損傷細(xì)胞的更新和替換。
渦蟲中，接近85%的基因與人類高度同源。不過與擁有“不死之身”的渦蟲相比，人類只有少數(shù)器官具有非常有限的修復(fù)能力，并且這種能力還會隨著年齡的增長而削弱。
“研究渦蟲再生過程的分子機(jī)制，揭示不同細(xì)胞如何幫助動物再生受損組織，有利于我們理解為什么高等生物丟失了這種能力。”曾安說。
同樣有趣的是，渦蟲除了“砍不死”，還“餓不死”——可以長期抵抗饑餓，并根據(jù)營養(yǎng)狀況“自主切換”生長和去生長。曾安研究組成員說，當(dāng)食物充足時，渦蟲會一直生長到它們的最大體型；但在饑餓狀態(tài)下，渦蟲會通過縮小體積來維持自身穩(wěn)態(tài)，饑餓數(shù)月后，一只完全成熟的2厘米渦蟲，會收縮至1毫米甚至更小。
?“這種長期抵抗饑餓的本領(lǐng)同樣值得深入探究，‘去生長’很可能是逆轉(zhuǎn)衰老的方式之一。”曾安表示，若能揭示這一調(diào)控機(jī)制并加以運(yùn)用，古人靠煉制仙丹追求的“返老還童”或許可以靠小小渦蟲來實現(xiàn)。
記者了解到，由于對渦蟲再生的研究非常基礎(chǔ)，屬于冷門學(xué)科，產(chǎn)出的成果短時間內(nèi)無法和轉(zhuǎn)化掛上鉤，因此國內(nèi)開展渦蟲研究的實驗室和經(jīng)費(fèi)都非常有限，“研究渦蟲，很多工具都要DIY！”
幸運(yùn)的是，中國科學(xué)院分子細(xì)胞卓越中心給了曾安“定心丸”，讓他和研究組甘坐“冷板凳”，敢啃“硬骨頭”，面向人民生命健康，真正做一些從零到一的原創(chuàng)科學(xué)成果。
?“渦蟲的再生和衰老這些基礎(chǔ)的科學(xué)問題，可以幫助我們了解所有的物種，包括人類自己?！痹部偨Y(jié)說，我們對于人類自身的好奇和治療疾病的努力，或許在此刻的自然界中都已有了答案。
原載于新民晚報?2024-10-14
作者：郜陽
