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是好兄弟就来砍我——不死的涡虫

曹乐,生物博士在读

这是这个小专栏的第一篇文章,所以起了个吸引人眼球的标题。我最感兴趣的一个研究方向就是再生。所以就想聊一聊涡虫和利用涡虫进行的再生研究。

再生是个很神奇的字眼,意味着可以新生出新的部分代替损坏 / 受伤 / 坏死的旧部分。再生现象在自然界中广泛存在。比如我们小时候经常见到的壁虎,壁虎在遇到敌人的时候自己的尾部会断掉,断掉的尾巴留在地上一动一动的吸引天敌的注意,自己得以逃生。但是很快壁虎就会重新长出自己的新的尾巴,这个过程就是再生的过程。试着想一想,如果人类也有这种再生能力的话,那么我的胳膊断了,腿断了再长一个不就好了么?但是这是不可能的,也是不现实的(最起码现在是不太可能的)

为什么呢?因为不同物种的再生能力是不一样的。一般的,越低等,越简单的生物再生能力越强。模式生物是生命科学中研究一些生理病理情况的生物模型。我们很多复杂的疾病和现象在模式生物中都会保守,这样我们在模式生物中发现的规律和现象就能应用到人类疾病中去。下图是不同模式生物的不同的再生能力。

那么既然要研究再生,我们就要选一个最强的模式生物,那就是涡虫。目前,涡虫是世界范围内研究再生最为强大的模式生物。如下图,我们可以看到把涡虫切成三段,每一段都能长成一个独立的个体。同时也可以看到,将一只涡虫竖着切,横着切,斜着切,切成一个三角形,把涡虫中间挖个洞它都能够很快的进行修补

本文将分为以下三部分进行给大家简要的介绍一下涡虫以及 涡虫如何再生的。

一:涡虫简介

1) 什么是涡虫呢?涡虫属于扁形动物门,一般生活在淡水溪流的石块下,以活的死的蠕虫为食。它的结构如下图所示。涡虫虽小,但是还挺齐全的,有头有眼有嘴有脑子。它身上 80% 的基因都是和人类同源的。

这张图可以让我们看的更加的清楚。涡虫最主要的六个部分。1 代表着脑 2 是肠道系统 3 是原肾管 4 是肌肉咽(嘴)5 是成体未分化细胞(这是涡虫再生能力强的最主要原因)6 是肌肉。

2)涡虫的实验室饲养环境

涡虫一般在实验室中饲养在 15cm x 26cm x8 cm 长方体器皿中。常年生活在 20℃,而且黑暗的环境下。不像斑马鱼,涡虫不需要生活在循环水系统中,你只要一两周给涡虫换一次水就好了,但是涡虫对水的质量要求很高,一般来说涡虫需要三蒸水或者双蒸水才可以,一般的单蒸水是不够的。

实验室一般用牛肝作为涡虫的食物。把买来的牛肝搅碎,制作成类似于吃火锅虾滑一样的食物分装在 50ml 管中保存。喂涡虫的时候把这些食物放到涡虫的水中就好了。

二:涡虫再生研究进展

1)涡虫再生的极限

涡虫切三刀就能再生出四个涡虫出来,那么涡虫再生的极限是什么呢?最小可以切多小它可以再生?在一个世纪之前遗传学家摩尔根给我们给出了答案(没错,就是后面用果蝇作为模式生物发现连锁互换定律得了诺贝尔奖的摩尔根)。摩尔根在 19 世纪末一直研究涡虫,有一篇文献他研究涡虫的再生。一只涡虫大概 2795mg,他发现他把一只涡虫切到只有 111mg 的时候也就是本体的 1/279 大小都能再生出来一条完整的涡虫。

后人利用涡虫研究再生的把这个称作为涡虫的再生极限,一般认为 1/279 是涡虫再生的最小体积。

2) 涡虫再生的过程

涡虫遇到伤害时,会先在伤口长出来胚芽,胚芽慢慢的发育成丢失的组织。

一般的,涡虫再生时刚开始体积不会发生太大的变化,等长出咽和脑子之后它才会进食,随后体积才会变得跟之前一样大。

3)涡虫的成体未分化细胞

干细胞对我们来说并不陌生,我们是从一个受精卵发育而来,受精卵是全能干细胞。但哺乳动物的发育过程是一个干性逐渐丢失的过程。我们成体之后就没有了全能干细胞,只有一些类似于造血干细胞,肌肉干细胞这样的组织特异性的干细胞。造血干细胞可以帮助我们更新造血系统的细胞,但是没有办法发育成其他部分的细胞。但是涡虫的发育并没有丢失这种全能干细胞,涡虫成体体内含有大量的成体未分化细胞,原则上来说,这些细胞每一个都可以分化为整个涡虫,这就是涡虫为什么再生能力强的主要原因。下图我们可以看到涡虫中成体未分化细胞占身体的很大比例。

这是一篇 2018 年发表在《科学》杂志上的论文,研究了涡虫的细胞类型。研究人员使用先进的单细胞测序技术,发现涡虫中最主要的组成部分就是成体未分化细胞。

三:涡虫再生信号感知

前面我们介绍了涡虫再生能力强是因为存在大量的成体未分化细胞,那么涡虫是在再生时候遇到的一个很重要的问题就是它们怎么感知自己丢失了哪一部分?它们如何正确的长出自己丢失的部分?这些是哪些信号通路指导的?

通过 RNAi 筛选试验,科学家 Peter W. Reddien 发现了涡虫再生头部的关键信号,这是发表在《科学》杂志上的一篇研究论文。他们发现抑制 wnt 信号通路中的βcatenin 可以让涡虫本来长出尾巴的地方长出头来。

他们甚至造出了一个长了好几个头的怪物涡虫(C 图)

后面研究发现 wnt 信号在涡虫中从头至尾部存在浓度梯度。头部 wnt 信号处于抑制状态,越往尾部 wnt 信号越高。当涡虫头部被砍掉的时候,涡虫会感知 wnt 信号浓度梯度,在 wnt 信号浓度低的地方长出头来。那么认为的给涡虫抑制了 wnt 信号通路,涡虫在再生的时候没法正确的感知 wnt 信号,就会全部长出头来。

这样,损伤后涡虫在成体未分化细胞和正确信号通路的帮助下就长成了新的涡虫

 

参考文献:

1:Morgan T H . Experimental studies of the regeneration of Planaria Maculata[J]. Development Genes and Evolution, 1970, 7(2):364-397.

2:Petersen C P , Reddien P W . Smed-?catenin-1 Is Required for Anteroposterior Blastema Polarity in Planarian Regeneration[J]. Science, 2008, 319(5861):327-330.

3:Plass M , Solana J , Wolf F A , et al. Cell type atlas and lineage tree of a whole complex animal by single-cell transcriptomics[J]. Science, 2018:eaaq1723.

4:Susan L. Rose and Edith K. MacRae. Planarian Regeneration[J]. Biological Reviews, 31(3):168-173.