Science：探尋組織再生的奧秘

這種墨西哥鈍口螈（六角恐龍，英文名 axolotl）是研究斷肢再生的上佳模式生物。

通過對再生（regeneration）機制的研究，可以幫助我們了解如何更好地使用人造器官。

在胚胎髮育的最初階段（頭幾天至數周大），僅靠不同細胞之間的交流，就可以讓大腦、眼睛等器官在那麼小的胚胎里按照正常的位置，從頭到腳，從上到下，從左到右排列妥當。此外，還有兩大生物學事件非常重要，有一些扁蟲（flatworm），也叫渦蟲（planaria）的身體被切斷之後，還能再長出一個頭，另外一種情況就是小鼠或人的幹細胞可以發育為大腦類器官（organoids）。以六角恐龍（axolotl）為代表的蠑螈（salamander）等脊椎動物在器官再生時還會重新進行器官軸向定位（axial self-organization）。雖然這些脊椎動物不可能再生出一個新的頭，但是再長出一個完整的手或腿還是沒有問題的。上述這些事例都提示我們，生物體中心軸溝通系統（axis communication system）具有極強的自生能力，機體的細胞可以根據這些再生信息，重新組織在一起。對扁蟲和火蜥蜴的再生機制進行研究，比如最近完成的基因組測序工作等，都給我們提供了重要的工具和線索，幫助我們更好地認識這些奇妙的生物現象，這也更有利於我們開展人造器官研究。近日《科學》（Science）雜誌介紹了 Atabay 課題組和 Hill、Petersen 課題組的工作，他們分別揭示了這種器官排列的神秘機制，而且成功地讓渦蟲在非正常位置長出了眼睛。

將一隻成年扁蟲一切為二，沒有頭的那一半會再生出一個新的頭和眼，而且這些新生器官會按照正常的位置進行排列。不論是斜著切，還是只剩下哪怕 1 /300，都沒有問題，都能重新再恢復成一個完整的扁蟲，而且各部位的比例都非常合適。這也就意味著，當扁蟲被「砍頭」之後，新生的頭部會根據剩餘的身體大小而自動調整體積和位置，這也是軸向自我組織功能的神奇之處。

如果改變了機體軸，就可以讓渦蟲長出 3 隻眼睛。

器官再生需要各個細胞協同合作，形成一個空間信號中心，釋放成型素胞外信號分子（morphogens—extracellular signaling molecules），指導周圍細胞正確就位，根據不同信號分子出現的時間，以及濃度的不同，形成不同類型的細胞。對於類器官，組織中心（organizing centers）的形成是一種自發出現的現象，極難進行人為預測和調控，可是在扁蟲或火蜥蜴的肢體再生過程中，機體會利用肢體殘端里一系列標誌為參照，重建出完整的肢體。因此，這些具備再生能力的生物成為了幫助我們了解再生機制的珍貴模型，可以讓我們認識成形素系統的特點，了解在類器官自發的發育形成過程中，如何進行人工調控。

成形素能夠指導扁蟲的幹細胞是長成頭，還是長成尾巴。這種作用在包括人類在內的其它動物中都廣泛存在。因此，這種能夠再生的蠕蟲動物也就成為了我們研究組織器官自我組織過程的良好模型。在扁蟲的頭尾這條軸線上，Wnt 成形素會抑制頭部的形成，而 BMP（bone morphogenetic protein）成形素則會影響從背側至腹側（dorsal-ventral）方向上的細胞分化。成年扁蟲體內有大量的幹細胞，名為成體未分化細胞（neoblasts）。這些幹細胞會不斷形成新的組織和器官。為了維持機體的穩態（homeostasis），這些成體未分化細胞會不斷接受由肌肉細胞（這些肌肉細胞沿頭尾方向分布，將成體未分化細胞包裹在內）分泌的成形素的指令。尾部的肌肉細胞能夠分泌大量 Wnt 成形素，而頭部肌肉細胞分泌的 Wnt 成形素卻很少。為了證明 Wnt 成形素這種差異的作用，科研人員抑制了β- 連環蛋白（β-catenin）的作用，使細胞不再對 Wnt 成形素有反應，結果使扁蟲的生長速度變慢，幾周之後，長成了有好幾個頭的扁蟲。

那麼如果把扁蟲一切兩半，接下來會發生什麼事呢？大量的成體未分化細胞會聚集到切口處，其中有一些細胞會分化為頂端細胞（tip cell），肌肉細胞會開始重新調整 Wnt 信號因子的濃度梯度，以適應新 「軀體」的大小。渦蟲體內即開始生長出新的組織和器官，同時也替換了老的組織和器官，重新長成了一個各部位大小比例都很合適的「新」渦蟲。至於成體渦蟲體內之前殘留的哪些信息能夠保證從尾節（tail fragments）長出新的頭部，或者反過來從頭節長出新的尾部，現在還不清楚。

Atabay 等人為了了解成體未分化細胞是如何確定眼睛位置的，於是將渦蟲的尾端切掉，只留下了頭端，在殘留蟲體體內成形素重新分布完成之後，Atabay 等人又切掉了一隻或兩眼睛。在渦蟲體內，眼睛前體細胞正確就位之後就開始分化，形成新的眼睛。再生的眼睛要比之前剩下的眼睛更靠近頭端，這表明新生的眼能夠感應到蟲體內成形素的濃度梯度，能夠明確地遷移到眼睛形成的正確部位。如果將頭部頂端去掉，進一步改變蟲體軸向特徵，新生的眼就會遷移到靠後的、和之前剩下的眼睛差不多的位置。有意思的是，未受損傷的那隻眼還會保持在原位不動，這說明之前被手術破壞的那隻眼會吸引新生眼的前體細胞就位，避免它們跑到對側去了。實際上，當 Atabay 等人在破壞一隻眼之後，還剩餘部分眼組織在蟲體上時，新生的眼就還是會出現在被破壞的位置。

Hill 和 Petersen 用了另外一種方法，對未切除的蟲體進行了試驗。他們抑制了 Wnt 信號通路抑製劑 notum 分子的合成，改變了 Wnt 的濃度梯度。結果幾周之後，蟲體在正常眼睛的前部又長出了一對眼睛。有趣的是，這兩對眼睛都要比正常的眼睛小一些。新長出的、更靠前的那對眼睛也與大腦相連，這說明蟲體的神經系統已經根據新的 Wnt 信號做出了調整。

在上面介紹的這兩項工作中，如果之前的眼睛被損壞了，新生的眼是不會在原位出現的，因為可能原位置並不是再生眼的目標位置（target zone, TZ）。所以 Atabay 等人認為還存在一個範圍更大的、可能的目標區域（targetable zone, TAZ）。在這個區域里，已經有了一個新眼，不用再從頭生成一個了。實際上，通過將眼移植到機體的各處發現，如果移植部位離正常部位太遠，比如尾部，移植眼是很難存活的，必須在正常部位附近才可以。而目標區域可能就是眼前體細胞所在的部位。這些細胞能夠被已經形成的眼招募。

將來，隨著我們對眼新生過程的認識的不斷加深，還將會了解到這些特性對於已經形成的眼對細胞的招募能力是否有差異。了解吸引這些細胞的分子機制，也非常重要。了解在再生的頭部中，之前已經形成的眼為什麼會慢慢移動位置也是很有意思的工作。Hill 和 Petersen 等人還對 wntP- 2 基因進行了 knockdown 試驗，結果形成了更多的咽部（pharynx），這說明 Wnt 信號在各個器官的定位中都起到了非常重要的作用。

目前我們還不太可能在短期內讓頭和眼再生，但是上述這些研究成果對於人體組織器官體外工程學研究，或者再生還是很有參考意義的。火蜥蜴的肢體被切除之後，殘端的細胞都能夠再生出一個完整的肢體。不過與渦蟲不同的是，火蜥蜴殘餘的機體並不會適應性地改變大小。在肢體的斷斷，細胞會形成一個肢芽（bud），然後再慢慢再生出整個新的肢體。在這個肢芽內可能也會形成一個成形素濃度梯度。其次，機體也需要細胞和多個軀體軸向信息來指導新肢的生長方向。最後，骨骼的形成還涉及軟骨細胞（chondrocytes）的自我集合，根據位置的不同，形成不同大小的細胞團，以生成上臂、下臂和手部等不同部位的骨骼。這些過程都需要斷端的骨細胞的參與，不過也可以在沒有骨模板（bone template）的情況下進行。發育研究已經提出了骨濃縮（bone condensation）的成形素作用模型，這些成形素信號都可以受斷端位置信號，以及軀體大小信號的調節，以生長出合適的新肢。了解損傷、定位和大小等信息是如何系統控制成形素的表達，將極大地促進我們對這些模式生物開展基因組層面上的人工干預研究。

原文檢索：Elly M. Tanaka. (2018) Regenerating tissues. Science, 360: 374-375.Eason/ 編譯

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