作者:张晴丹 来源:中国科学报 发布时间:2020/5/31 12:05:41
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蚯蚓为什么可以再生?

 

动物的再生能力一直是一个令人着迷且非常复杂的生物学过程。许多动物的再生能力特别是高等动物受到极大地限制。

然而,有趣的是,在自然界中存在一些动物依然保留强大的再生能力,例如某些脊椎动物,比如斑马鱼、蝾螈、壁虎等,可以治愈创伤、再生丢失的器官或者附肢(心脏、尾巴、晶状体)。某些无脊椎动物,比如涡虫,甚至拥有更强的再生能力,可以从少量组织和细胞再生整个生命体,因此被广泛用于干细胞生物学和再生医学研究。

另一类无脊椎动物,比如蚯蚓,不仅是土壤生态系统中的重要成员,而且具备比涡虫更为复杂的表型结构,其中枢神经系统大脑初步具备记忆雏形,更重要的是,它拥有极强的前/后部体节再生能力。达尔文在《腐殖土的形成和蚯蚓的作用》一书中写到:“我们很难找到其他的生灵像它们一样,虽看似卑微,却在世界历史的进程中起到了如此重要的作用”。

然而到目前为止,蚯蚓再生的分子细胞学机制还不是很清楚。

中国科学院昆明动物研究所研究员吴东东课题组利用长读段PacBio平台+Hi-C辅助组装等策略测序并拼装了准染色体水平的高质量安德爱胜蚓基因组(Scaffold N50≈111Mb),并通过不同再生时期bulk转录组和单细胞转录组整合揭示蚯蚓再生的分子细胞学机制。

研究发现,蚯蚓基因组中重复序列LINE2转座元件可能在蚯蚓再生中扮演重要调控角色,例如LINE2元件显著高比例地插入到蚯蚓早期再生相关的差异基因locus;同时某些差异表达的LINE2元件(位于蛋白编码基因侧翼5Kb区域)和它们的邻近基因拥有极为相似的表达模式。在高度再生物种,比如涡虫的再生过程中,EGR1是一个核心调控者,而在本研究中,他们发现EGR1不仅在蚯蚓再生过程中发生差异高表达,而且其侧翼的LINE2元件也发生显著差异表达上调,因此,他们推测这些显著差异表达的LINE2元件可能通过调控邻近基因的表达来参与蚯蚓再生过程。

另一方面,他们在蚯蚓基因组中发现大量基因复制事件,例如大量潜在扩张的基因家族,这些扩张的基因家族主要富集在发育生物学通路,而发育和再生在某些通路可能往往是共通的。进一步,该团队发现某些显著扩张的基因家族,例如EGFR,可能通过增加其拷贝数剂量效应来调控蚯蚓再生过程(注:12个EGFR家族成员的8个成员在蚯蚓再生早期发生显著差异表达)。

在转录激活水平,他们发现一些应激早期基因在蚯蚓和涡虫早期再生中共同激活,暗示蚯蚓和涡虫在早期再生应激反应中可能具有共享的作用机制,进一步发现4个与早期再生显著相关的共表达网络模块和系列hub转录调控因子,富集分析显示它们可能参与再生早期细胞的增殖和分化。

同时,蚯蚓再生早期的单细胞转录组解析暗示蚯蚓再生早期72h后损伤愈合部位细胞的高比例组分是干细胞,暗示多能干细胞在蚯蚓再生早期过程中具有重要作用。该团队的研究提供了一些蚯蚓再生的候选分子细胞学机制,提出蚯蚓能够作为研究再生生物学或者再生医学的一个新的模型。

该研究近日发表在《自然—通讯》杂志上。

相关论文信息:https://www.nature.com/articles/s41467-020-16454-8

 
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