渦蟲：具有再生能力的模式生物

渦蟲：具有再生能力的模式生物

　　□本報記者 許琦敏

　　《西遊記》里的孫悟空真是厲害，頭砍掉了立馬又冒出一個來。其實，有一類叫渦蟲的動物，跟孫大聖的本領也不相上下——頭切掉能新長個頭出來，尾巴切掉重新長尾巴，就算將它粉身碎骨成279塊，每一塊都還能長出完整個體。

　　渦蟲之所以具有如此強大的再生能力，主要原因是其體內有一種類似於人類幹細胞的細胞，而且這種細胞占渦蟲細胞總數的25%。渦蟲具有幾乎無限的再生能力，在未受損傷的情況下，它能保持自己身體健康而不會死亡。這使得它成為科學家開展再生研究的一個非常難得的模型。

　　近年來，一系列渦蟲相關的研究工具被陸續開發出來，同時國際上多個頂級科研單位均建立了以渦蟲為模式生物的實驗室。相關成果也已登上《自然》、《科學》等國際權威雜誌。中國科學家也已從渦蟲中發現了近50個參與到再生過程中的基因。

　　殘體再生、長生不老，是人類自遠古以來的願望。或許找到這一門徑的鑰匙，就在渦蟲身上。

驚人無限的再生能力

　　渦蟲能在一周內，重新長出切割掉的肌肉、皮膚、腸道、生殖系統，甚至整個大腦。而在適宜的生長條件下且未受到損傷的情況下，它能一直保持自身健康而不會死亡。

　　渦蟲是渦蟲綱動物的總稱，是扁形動物門中營自由生活（不需要寄生在其它生物體內）的一類。它的進化地位並不怎麼高級，介於水螅（腔腸動物門）和蚯蚓（環節動物門）之間。

　　渦蟲的體表一般具有纖毛，並有典型的皮膚肌肉囊，以強化運動機能，表皮中的桿狀體有利於捕食和防禦敵害。

　　它的感覺器官和神經系統一般比較發達，能對外界環境如光線、水流及食物等迅速發生反應。感覺器官包括眼、耳突等等。自由生活渦蟲的體表特別是耳突處分布有豐富的觸覺感受器、化學感受器及水流感受器，它們分別感受觸覺、化學及水流的刺激。

　　渦蟲具有2條發達的腹神經索，與「腦」形成了原始的中樞神經系統。渦蟲類具有消化系統，有口無肛門，三角渦蟲消化管分為3支（一支向前2支向後）。渦蟲通過體表從水中獲得氧，並將二氧化碳排至水中。原始的排泄系統為具焰細胞的原腎管系統，具有滲透調節和排泄作用。生殖方式上，渦蟲是雌雄同體，異體交配。

　　最令科學家驚奇的是，這種廣泛生活在潔凈水質的池塘和溪流中的扁形動物門生物具有近於無限的再生能力，再生過程也非常迅速——渦蟲能在一周內，重新長出切割掉的肌肉、皮膚、腸道、生殖系統，甚至整個大腦。而在適宜的生長條件下且未受到損傷的情況下，它能一直保持自己身體健康而不會死亡——這簡直就是傳說中的長生不老。

　　渦蟲具備這種超級再生能力的主要原因是其體內有一種類似於人類幹細胞的細胞。這種細胞占渦蟲細胞總數的25%，一旦渦蟲受到損傷，這些細胞可以增殖，進而分化成為渦蟲體內大約40餘種類型的細胞，再生出有功能的全新的組織、器官直至一個完整的渦蟲。

　　這種驚人的再生能力，使渦蟲成為再生醫學研究模式生物的不二之選。

　　物種間最基本的生物學過程都是高度保守的。由於進化的原因，細胞生命在發育的基本模式方面具有相當大的同一性，所以利用位於生物複雜性階梯較低級位置上的物種來研究發育共通規律是可能的。因為對這些生物的研究具有幫助我們理解生命世界一般規律的意義，所以它們被稱為「模式生物」。在遺傳與發育生物學常見的模式生物有線蟲、果蠅、非洲爪蟾、蠑螈、小鼠等。

　　因此，在實驗室里，模式生物通常代替人類接受疾病機理、藥物篩選等一系列實驗和研究。正是得益於對不同生物的研究，才使得人類在生物和醫學領域不斷取得新的突破。

　　人們最為耳熟能詳的模式生物莫過於小白鼠。小鼠來源於野生鼷鼠，從17世紀開始用於解剖學研究及動物實驗，經長期人工飼養選擇培育，已育成多達千餘個獨立的遠交群和近交系。由於小鼠繁殖快，飼養管理費用低，並且遺傳物質與人類具有高度的保守性，所以成為生物醫學研究中廣泛使用的模式生物，也是當今世界上研究最詳盡的哺乳類實驗動物。目前全世界每天約有2500萬隻小鼠被用於生物醫學研究。迄今為止，至少有30項諾貝爾生理學或醫學獎頒發給了以小鼠作為模式生物研究的科學家。

　　從生命科學發展歷史來看，重大生物學現象和規律的發現都是從選擇一種合適的模式生物開始的，早在150多年前，在奧地利布隆城的一所修道院中，孟德爾開始了他的豌豆雜交試驗，在苦心經營8年之後，孟德爾發表了他的研究論文，並提出了遺傳學中兩個至關重要的遺傳定律——分離定律和自由組合定律，現在統稱為孟德爾定律。除了夜以繼日的努力工作以及天才般的思考方式，孟德爾獲得成功的一個極其重要的因素是他選擇了合適的模式生物——豌豆。

　　在豌豆實驗之後，遺傳學中另一位舉足輕重的科學家摩爾根選擇了黑腹果蠅作為模式生物進行研究。他不僅僅發現了染色體在遺傳中的作用，更重要的是創造了果蠅這一優秀的遺傳學模式生物。摩爾根與其弟子米勒均因果蠅遺傳學研究獲得了諾貝爾獎。

　　實際上，早在19世紀末，摩爾根在專註於果蠅研究之前，渦蟲就進入了他的視野。他之所以對渦蟲感興趣，就是因為它具有極其強大的再生能力。

　　生物體的整體或器官因創傷而發生部分丟失，在剩餘部分的基礎上又生長出與丟失部分在形態和功能上相同的結構，這一系列複雜的生物學過程稱為再生。

　　在再生的研究歷史上有著各種各樣的模式生物，水螅、海星、蝸牛以及蜥蜴、娃娃魚等都具有一定的再生能力，然而在渦蟲面前，這些模式生物的再生能力只能用「小巫見大巫」來形容——摩爾根發現將渦蟲切割到身體大小的279分之一時，渦蟲仍具有再生能力，可以重新再生出一個完整的個體。這種超強的再生能力在自然界是無與倫比的。

　　在細緻的研究的基礎上，摩爾根發表了數十篇論文介紹渦蟲的再生現象。但是由於技術手段的限制，渦蟲再生機制的研究進展非常緩慢。近年來隨著渦蟲整體原位雜交技術和RNAi敲低基因技術的出現，及地中海渦蟲基因組測序的完成，使得渦蟲再生機制的研究走向具體化和系統化。

　　如今，科學家們則迫切地希望通過分析渦蟲替換衰老的或者受損的組織和細胞的能力，來幫助理解再生和長壽的奧秘。相信在全球眾多科研工作者的共同努力下，人類必能解開渦蟲再生的秘密，進一步對人體組織甚至器官的再生提供指導作用。而渦蟲也有可能在諾貝爾獎牌榜上留名。

研究組織再生的理想模型

　　渦蟲具備超級再生能力的主要原因，是其體內有一種類似於人類幹細胞的細胞。而在人類體內雖然也存在著幹細胞，卻沒有辦法像渦蟲一樣再生出受傷、缺失的器官。這就是渦蟲的再生能力吸引無數生物學家注意的主要原因。

　　近十幾年，幹細胞研究迅速崛起，再生醫學研究不斷升溫，成為當今生物和醫學領域的熱點和前沿。科學家發現，在人類體內也存在著幹細胞，然而卻沒有辦法像渦蟲一樣再生出受傷、缺失的器官。

　　由於已有模式生物普遍缺乏比較強大的再生能力，發展新的用於研究幹細胞調控機制及再生機理的模式生物就成為迫切需求，於是淡水渦蟲再次吸引了科學家的注意。科研人員希望利用渦蟲這種相對簡單的動物作為一把「鑰匙」，試圖打開人類幹細胞寶庫的大門，調動人體內的幹細胞資源，為人類健康事業作一份貢獻。

　　過去一個世紀，渦蟲的再生能力儘管吸引了無數生物學家的注意，但是由於分子生物學和細胞生物學工具的缺乏，學術界對其再生的機理知之甚少。10年前，美國卡耐基研究所的桑切斯及其同事成功建立了淡水渦蟲的一種——地中海渦蟲的單克隆品系，結合當時發現的dsRNA介導的基因沉默技術，使得渦蟲領域重新煥發生機。

　　就在這十年間，國際上多個頂級科研單位均建立了以渦蟲為模式生物的科研實驗室，例如美國Stowers研究所、Whitehead研究所、伊利諾伊大學香檳分校等。日本、英國、德國、印度等國家研究組也開展了渦蟲的再生研究。中國國內則有中科院上海生科院健康所、清華大學、鄭州大學、山東理工大學等多個院所，也都開始開展與渦蟲相關的研究。

　　近年來，一系列渦蟲相關的研究工具被陸續開發出來：例如轉錄組、基因組測序工作的陸續開展，生物信息學平台不斷完善，為渦蟲作為模式生物奠定了基礎；雙鏈RNA介導的基因沉默方法可以敲低渦蟲中任何一個基因來探索缺失這些基因後對組織再生過程的影響；免疫熒光、原位雜交等技術則可以用來將渦蟲成體幹細胞與其它終末分化細胞在體內進行區分；而流式細胞分選技術則可以將渦蟲成體幹細胞純化出來進行體外的研究。藉助這些工具，以渦蟲為模型研究再生的機制在短短的十年間取得了令人矚目的進展。

　　作為科學研究的模式動物，除了具有超強的再生能力，渦蟲還具有許多其他模式生物難以望其項背的優點。

　　首先，相對於其他用於再生研究的模式生物，渦蟲再生能力強、周期短。實驗室使用的渦蟲大小在0.5~2厘米之間，即使最小的渦蟲切成3段仍可以完成再生。通常，從切割到再生完成只需要一個星期左右，這大大縮短了實驗周期，可以在短時間內得到實驗結果，為科研工作者節省了大量的等待時間。

　　第二，實驗室用渦蟲容易大規模飼養繁殖。實驗使用的渦蟲通常飼養在塑料飯盒內，一個1L的塑料飯盒可以飼養大約100~200隻渦蟲，而一個2平方米的飼養架大約可以飼養200缸渦蟲。這就允許科研人員即使在有限的空間里也可以有足夠多的渦蟲供實驗使用，方便進行大規模的篩選試驗，從大量功能未知的基因中尋找原創性的、新穎的影響渦蟲再生的基因。

　　第三，渦蟲中被稱為Neoblast的成體幹細胞數量豐富。據文獻報道，有增殖能力的幹細胞佔到渦蟲蟲體細胞的25%。由於這些幹細胞的數目龐大，研究過程中容易利用生物化學的方法進行顯示，並且這個基數上的變化（比如幹細胞類群數目增加或減少）比較容易觀察、統計，這對於科學研究提供了極大的便利。

　　第四，渦蟲是最簡單的具有三胚層分化的模式生物，其大部分基因和高等生物高度保守，並且具有較低的冗餘性。科學研究表明，渦蟲的基因超過80%和人類同源，渦蟲幹細胞在損傷後早期的反應與人類等高等生物，也有驚人的相似。在渦蟲中發現的再生機制，極有可能與高等生物中的機制是相似的，理解這些基因的功能有利於理解高等生物成體幹細胞在再生中的調節方式，進而指導科研人員操作高等生物中的幹細胞。

　　最後，目前渦蟲系統的分子生物學手段比較健全，已具備特異的分子標誌便於科研人員識別鑒定，遺傳操作簡單，研究基因表達和功能的方法技術日趨完善，這些特點都允許科研人員方便地進行在體的多能性研究，減少對離體的細胞培養系統的依賴。

　　科研人員研究再生使用的渦蟲屬於渦蟲綱中三腸目。目前使用的渦蟲主要有兩種，分別是歐美國家普遍使用的地中海渦蟲和東亞三角渦蟲。

　　養在實驗室里的渦蟲，還挺嬌貴——它要住在常年恆溫的渦蟲房中，水溫保持17~21度之間；它所用的水，必須用無菌的純水配製成含有一定濃度的鈉鉀鈣鎂等離子的鹽溶液；它的食物更是美味考究，每天餵食的是勻漿過的新鮮小牛肝，或煮熟的雞蛋蛋黃和搖蚊幼蟲。

20年間令人矚目的研究進展

　　渦蟲真的是完全地再生嗎？再生出來的組織和原來的組織完全一樣嗎？在再生過程中它怎麼知道哪個地方要長頭，哪個地方要長尾巴？這麼強的再生能力，難道再生中不會出錯嗎？它會長腫瘤嗎？人能不能像渦蟲那樣再生呢？……如此多的疑問，使全球科學家們的興趣不斷發酵，並直接推動了渦蟲再生相關研究的飛速發展。

　　科學研究表明，渦蟲的基因超過80%和人類同源，渦蟲幹細胞在損傷後早期的反應與人類等高等生物，也有驚人的相似。近年來，越來越多的基因及信號通路被發現在組織再生中具有重要的功能，科學家正在嘗試操縱高等生物中類似的基因來研究其是否同樣具有相似的功能。理解渦蟲基因如何協作調控再生，或許將有利於我們尋找人體器官再生、延緩衰老過程的方法。

　　渦蟲再生的秘密在於它體內存在一群豐富的幹細胞，能夠通過不斷的自我複製，產生與自己類似的細胞，並且在需要的時候能變成其他任何類型的細胞。其實，人體也存在類似的細胞，但與渦蟲不同的是，人類只有少數器官具有非常有限的修復能力，並且這種能力隨著年齡的增加而削弱。科學家希望通過分析渦蟲利用這些細胞修復衰老的或者受損的組織和細胞的能力，來尋找治療因意外傷害而導致的身體缺陷或者老年性疾病的方法。

　　科學家的最終目標是想通過操作人類身體內源存在的幹細胞，來修復受傷或者衰老的組織，進而解決許多長期困擾人類健康的難題——這樣可能比外部注射幹細胞要更安全、更有效。這些難題包括意外性組織損傷或缺失、神經退行性疾病、癌症，以及先天性疾病等。

　　為此，早在上世紀末，一群痴迷於再生的科學家，對渦蟲進行了大量研究，直接推動了相關研究的飛速前進。

　　渦蟲真的是完全地再生嗎？再生出來的組織和原來的組織是完全的一樣嗎？在再生過程中它怎麼知道哪個地方要長頭，哪個地方要長尾巴？這麼強的再生能力，難道再生中不會出錯嗎？它會長腫瘤嗎？人能不能像渦蟲那樣再生呢？……

　　日本的Kiyokazu Agata教授，使用日本三角渦蟲為模型，著眼於渦蟲大腦的再生過程，並率先通過晶元和表達譜篩選的方法鑒定出了幾十個在渦蟲腦部特異性表達的基因。他首次發現，Nou-darake這個基因能夠控制渦蟲腦再生，敲低這個基因，渦蟲會出現渾身長腦的表型。進一步研究發現，Nou-darake特異性地表達在渦蟲的腦部，並且發現Nou-darake是通過抑制FGF信號通路來限制渦蟲大腦只能長在渦蟲的頭部。這是首次、並且是迄今唯一一次，在國際權威雜誌《自然》上發表的與渦蟲相關的工作。

　　當然，Kiyokazu Agata教授對渦蟲再生研究的貢獻遠遠不止這些。他第一次發明了渦蟲特異的流式細胞技術，專門用來分選渦蟲的成體幹細胞。還首次鑒定出渦蟲神經系統中起重要作用的6種神經元及它們相應的分子標記。

　　與Kiyokazu Agata教授同一時期的Alejandro SánchezAlvarado教授，同樣對渦蟲再生的研究起著重要的推動作用。他推動的地中海渦蟲全基因組測序項目，使得渦蟲再生的研究更加系統化，並把渦蟲再生研究帶進了研究再生分子機制的新時代。

　　這位教授第一次將雙鏈RNA餵食敲低基因的方法引入到渦蟲領域，使得渦蟲再生機制的研究進入了一個更深的層次。他首次大規模地篩選了1200多個在其它物種中高度保守的基因，發現其中243個基因對渦蟲的再生或穩態的維持有重要的作用。這一結果無疑對後來再生機制的研究有重要的鋪墊和提示作用。

　　此外，他還通過基因晶元技術，率先篩選出了一批幹細胞特異表達並且對渦蟲再生有重要作用的基因，並首次提出了渦蟲成體幹細胞譜系假說。他於2012年在國際著名雜誌《科學》上發表文章，發現渦蟲成體幹細胞分裂過程中無中心體的形成，並且通過生物信息學的方法分析，發現中心體組分家族基因在渦蟲中缺失。

　　PhilNewmark教授開展渦蟲相關的研究稍晚一些，他的主要研究方向在渦蟲生殖系統再生方面。他通過對有性和無性兩種品系cDNA文庫的比較，發現了一批在有性渦蟲中特異表達的基因。他的發現對高等生物生殖系統發育調控有重要的指導作用。同時他們實驗室的另一個方向是關注渦蟲神經系統的發育，他們通過質譜分析的方法發現渦蟲中存在許多神經肽，為後續使用渦蟲研究神經退行性疾病作了很好的鋪墊。

　　近些年在渦蟲再生領域很活躍的另一位科學家PeterReddien教授,在渦蟲再生研究中有不可磨滅的貢獻，他發現了是什麼讓渦蟲能夠「頭缺長頭，尾缺生尾」，以及渦蟲的成體幹細胞中存在一類具有全能性的細胞，能夠產生渦蟲再生所需的所有類型的細胞。他還發現了調控渦蟲眼睛再生的關鍵基因。他的工作多次發表在《科學》上。

　　中國科學家對渦蟲的研究開始得比較早，但社會關注不足，進展不是很快。早期的工作主要還是集中在生物學的分類研究方面。近年來，中國科學院上海生命科學研究院/上海交通大學醫學院健康科學研究所荊清研究員及清華大學吳畏教授等人率先在國內展開相關工作，並且已經有了一定的科研成果。

　　例如，荊清研究員的科研團隊經過7年多努力，從一個培養皿中的十幾隻渦蟲養起，到現在已經擁有一個現代化的渦蟲房，培養了數萬隻渦蟲。他們成功克隆並篩選了近千個基因，製備了十餘個渦蟲特異性抗體，自主設計並完成基因晶元，建立了染色質免疫沉澱等技術手段，逐步完善了實驗體系。在此基礎上，他們探索到了不少微小RNA信號通路和染色質調控因子在組織再生中的功能。

　　從2008年起，他們開始關注再生過程中調控基因在特定時間、位置表達的過程，這當時在世界上還少有人關注。組織器官的再生過程包括傷口癒合、細胞遷移、細胞增殖、細胞分化、細胞交流及形態建成等一系列複雜的生物學過程，再生得以正常進行需要細胞內的基因在受到損傷等刺激後，能夠按照再生的需要在特定的時間和特定的位置表達。微小RNA在基因轉錄後水平的調控以及染色質調控因子在基因轉錄水平上的調控，這兩點是調節基因表達的時間和空間的重要因素。

　　首先，荊清團隊通過敲低微小RNA信號通路的重要蛋白來解析其在組織再生中的功能，揭示了微小RNA在成體幹細胞增殖及再生過程中的重要作用。緊接著，他們對染色質調控因子在渦蟲組織再生中的功能進行了探索，系統性地鑒定了渦蟲再生相關的關鍵染色質因子。通過渦蟲基因系列比對分析，他們鑒定了210個潛在的染色質蛋白編碼基因，其中205個基因被成功克隆，而12個基因的敲低明顯抑制了再生。

　　有趣的是，他們發現的許多再生基因在渦蟲中的功能，與其在哺乳動物幹細胞中的角色非常類似。通過整合篩選獲得的結果，他們構建了一個渦蟲成體幹細胞內的表觀調控網路，更重要的是，這些重要的染色質調節複合體都參與了哺乳動物幹細胞的調控，這提示渦蟲的成體幹細胞使用了與高等哺乳動物幹細胞高度保守的染色質調控機制，這些結果對於高等生物的幹細胞研究有著借鑒意義。

鏈接 常見的模式生物

　　細數歷年的諾貝爾生理學或醫學獎，以線蟲、果蠅、非洲爪蟾蜍和小鼠為模式生物的相關研究分別有3項、5項、13項和30項。這些模式生物對於人類理解生物和醫學的基本規律做出了不可替代的貢獻。

　　關於組織為何以及如何再生的問題，一直以來吸引著無數的生物學家、生物醫學工程師以及臨床醫生。再生能力在同一生物的不同器官特別是不同生物之間存在著巨大的差異，不同的生物之間也利用不同的再生策略來完成再生過程。表一列舉了目前生物學研究中常用的具有完全或部分再生能力的模式生物。(見下表)

　　在無脊椎動物中再生能力比較強大的動物有水螅和渦蟲兩種，其中水螅的再生實際上是其出芽生殖方式的一種。

　　目前脊椎動物再生研究比較集中於兩類：斑馬魚及兩棲動物（分為有尾目和無尾目）。斑馬魚的再生研究主要集中於兩個方面：魚鰭和心臟。當斑馬魚魚鰭受傷時，傷口周圍的上皮細胞可以遷移到傷口處，形成傷口上皮，隨後未受傷組織細胞「無序化」，間充質內的細胞進行增值，經歷12～48小時後最終形成一個芽基，隨後芽基繼續生長並進一步分化來重建缺失的組織。而斑馬魚心臟受傷後，普遍認為是啟動了心肌細胞的去分化，隨即這些去分化形成的前體細胞增殖分化來彌補受傷的部分。兩棲動物中的再生現象比較普遍，有尾目中的動物像蜥蜴、蠑螈等，它們的尾巴、四肢受到損傷時可以類似於斑馬魚魚鰭受傷一樣首先形成傷口上皮、芽基，隨後通過芽基內細胞的增殖分化來重建缺失的身體。無尾目的青蛙、蟾蜍的再生研究主要集中於蝌蚪形態時的尾巴和四肢，而機制也不盡相同。