Science：控制全身再生過程的「基因開關」，你想打開嗎？

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科幻電影畢竟是虛構的，讓我們回到現實生活中，說到再生，雖然說所有的動物都能治癒傷口，但是有些動物也有驚人的本領：比如說把蠑螈的腿切下來，它會重新長出來；當受到威脅時，一些壁虎會自斷尾巴分散注意力，然後重新長出尾巴；其他的動物甚至更厲害，渦蟲、水母和海葵實際上可以在被切成兩半後再生整個身體。

這些動物是如何完成這一再生 「壯舉」的？這吸引了麻省理工學院的進化生物學助理教授Mansi Srivastava的注意力。於是她帶領一組研究人員進行了研究，並發現了似乎有控制著全身再生基因能力的DNA開關。研究結果以「Acoel genome reveals the regulatory landscape of whole-body regeneration」為題於3月15日發表在《Science》雜誌上。

DOI: 10.1126/science.aau6173

控制再生的「基因開關」

Srivastava和在她實驗室工作的博士後Andrew Gehrke採用了三條帶的黑豹蠕蟲（three-banded panther worms ）來測試這一過程，發現有一部分非編碼DNA可以調控一種名為早期生長反應(early growth response，簡稱EGR)的「主控基因」的激活。一旦激活，EGR通過開啟或關閉其他基因來調控許多生理過程。

「我們發現，這個主控基因開始起作用，並且激活了在再生過程中開啟的基因。」Gehrke說， 「基本上是，非編碼區域告訴編碼區域打開或關閉，所以可以把它們視為『開關』。要使這一過程發揮作用，蠕蟲細胞中通常被緊密摺疊和壓縮的DNA必須發生變化，使新的區域可以被激活。」

「基因組中很多緊密結合的部分實際上變得更加開放，因為其中有調控開關，必須打開或關閉基因。因此，這篇論文的一個重大發現是，基因組是非常動態的。在再生過程中，隨著不同部分的開啟和關閉，基因組確實會發生變化。」Gehrke如是說道。

但在Gehrke和Srivastava能夠理解蠕蟲基因組的動態特性之前，他們必須先將其序列組裝起來——這本身並非易事。

Srivastava表示，「這是本文的重要組成部分，我們正在公布這個物種的基因組，這很重要，因為這是第一個來自這個物種的基因組。」此外，值得注意的是，這三條帶狀的黑豹蠕蟲代表了研究再生的一種新的模式系統。

之前對其他物種的研究幫助我們了解了許多關於再生的知識。但之所以研究這些新蠕蟲，其中一個原因是它們處於非常重要的系統發育位置，所以它們與其他動物的關係能夠幫助我們對進化做出陳述。Srivastava詳細解釋道，另一個原因是它們是非常棒的實驗『小白鼠』，幾年前我在百慕大做博士後的時候，就在實地收集了它們。自從我們把它們帶進實驗室以來，它們比其他一些系統更能適應各種工具。

最終，Gehrke確定了多達18000個發生變化的區域。研究結果表明，EGR就像一個用於再生的電源開關，一旦開啟，其他過程就會發生，但沒有它，什麼也不會發生。

同時，他們也找到了能夠降低這種基因活性的方法——如果沒有表皮生長因子受體，動物就是不能再生，所有這些下游基因都不會被激活，所以其他的開關也不會工作。而且，主控基因EGR以及下游被開啟和關閉的其他基因，存在於其他物種中，包括人類。

為什麼人類不能再生？

Srivastava說，「我們把蠕蟲的這種基因稱為EGR的原因是，當觀察它的序列時，你會發現它與已經在人類和其他動物身上研究過的一種基因很相似。如果你把人類細胞放在一個培養皿中，給它們施加壓力，無論是機械的還是毒素，它們都會立刻表達EGR。

「但問題是，如果人類能夠開啟EGR，而且當我們的細胞受損時也能開啟它，那麼為什麼我們不能再生?」 Srivastava思考著，「答案可能是，如果EGR是電源開關，人體的線路是不同的。」

EGR在人類細胞中的作用可能與它在三條狀黑豹蠕蟲中的作用不同。於是，研究人員想進一步弄明白這種連線的方法，然後把它們應用到其他動物身上，包括脊椎動物（它們只能進行有限的再生）。他們希望進一步研究再生過程中激活的基因開關是否與發育過程中使用的基因開關相同，並繼續努力更好地理解基因組的動態特性。

這項研究不僅強調了理解基因組的價值，而且強調了理解所有基因組的價值——包括非編碼部分和編碼部分。只有大約2%的基因組能製造蛋白質之類的東西。在整個身體再生過程中，98%的基因組在做什麼?」長期以來，人們已經知道許多導致疾病的DNA變化位於非編碼區域，但對於像全身再生這樣的過程，它卻被低估了。

「我認為我們只是觸及了表面，」 Gehrke說道，「但還有另一個方面大規模基因組是如何相互作用的，不僅是如何打開和關閉，所有這些對於打開和關閉基因很重要，所以我認為有多層次的監管。」而他們一致認為，這個答案中可能不會來自於某些基因是否存在，而是來自於它們是如何連接在一起的，而且只能來自基因組的非編碼部分。

責編：探索君

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參考資料：

1）Study uncovers genetic switches that control process of whole-body regeneration

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