破解蝾螈的断肢再生之谜

作者:PSG

在电影超凡蜘蛛侠中,大反派“蜥蜴教授”科特·康纳斯原本是一个专门研究断肢再生的大学物理教授,在一次与蜥蜴的融合实验中他虽然成功的实现了断肢再生,但是由于受到蜥蜴DNA的影响,他同时也变异成了一个邪恶的蜥蜴人魔,与代表正义的蜘蛛侠为敌。

这样的剧情设定让很多人都相信,编剧是受到了蜥蜴能够“断尾再生”的影响,而创造了“蜥蜴教授”这个角色。然而事实上,蜥蜴的“断尾再生”与真正的断肢再生有着本质的不同。“再生”的断尾中没有分节的尾椎骨,鳞片的排列和构造也与原尾不同,因此不能算是真正的“再生”。在陆生脊椎动物中,真正有断肢再生能力的,应该是属于两栖动物的蝾螈。

事实上,断肢再生在动物界绝不罕见,很多软体动物和节肢动物,像海星、海绵、蜘蛛和螃蟹等动物都有这个能力。然而,对于在4亿多年前经历了从水到陆过程的陆生脊椎动物来说,大部分类群在演化过程中已经丢失了它们的可再生能力,包括我们人类。因此,蝾螈的断肢再生,毋庸置疑地成为了科学家们关注的焦点。人们相信,破解这个谜团,有朝一日会对人类医疗技术的进步做出巨大贡献。

绿红东美螈(Notophthalmus viridescens)是一种很早就被发现有断肢再生能力的蝾螈,它们广泛分布在北美大陆东部的亚热带和温带地区,并且成为了科学家们探索蝾螈断肢再生之谜的一个重要研究对象。

断肢再生的本质是高度分化的细胞经历了自然的重编程过程,重新进入细胞周期并去分化,最终再次分化成为新的四肢。因此,找到那些与细胞周期调控相关的基因和代谢通路,是破解蝾螈断肢再生之谜的关键。

以绿红东美螈为研究对象,科学家们发现,与细胞周期密切相关的细胞外调节蛋白激酶(extracellular regulated protein kinases, ERK)通路的持续激活是促使蝾螈肌肉细胞经历重编程的关键因素。ERK通路的持续激活可能会推动其下游p53的活性,并诱导一系列表观遗传修饰(epigenetic modifications),引发一些列肌肉细胞特异性基因(例如SOX6基因)的表达下调,最终推动成体细胞进入细胞周期并再分化生长出新的四肢。

显然,人们最为关心的就是ERK通路在哺乳动物中的表现如何。遗憾的是,哺乳动物细胞中的ERK通路只能短暂激活,而不能像蝾螈那样持续处于活跃状态,因此哺乳动物细胞就不能进行后续的一系列去分化反应,这个结果解释了为什么哺乳动物没有断肢再生的能力。但是,生物的演化远没有想象的那么快,特别是对于那些非常重要的功能。因此,我们有足够的理由期待将来的某一天,从蝾螈身上学到的知识,能够帮助我们的医生操控诸如ERK通路等一系列的关键调控因子,使断肢再生在人的身上成为可能。

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1. 绿红东美螈及其分布范围(图片来自参考资料1)

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2. ERK相关的重编程反应在蝾螈和哺乳动物细胞中的区别(图片来自参考资料2)

 

作者:PSG,两栖爬行动物保护协会CSAR

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参考资料

1. Eastern newt. http://en.wikipedia.org/wiki/Eastern_newt.

2. Yun et al. 2014. Sustained ERK activation underlies reprogramming in regeneration – competent salamander cells and distinguishes them from their mammalian counterparts. Stem Cell Reports, Vol. 3: 15-23.

3. ERK. http://baike.baidu.com/view/1522765.htm

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