美科学家发现再生的基因开关

DNA结构

蝾螈会重新长出断掉的腿，壁虎也会重新长出断掉的尾巴。还有一些动物具有更强的再生能力，涡虫、水母和海葵甚至可以在被切成两半后再生整个身体。为什么这些动物具有如此强大的再生能力呢？其中的分子机制是什么呢？

在麻省理工学院生物和进化生物学助理教授Mansi Srivastava的带领下，一组研究人员为动物如何再生提供了新的线索，并发现了控制全身再生基因的DNA开关。这项研究发表在3月15日的《科学》杂志上。

Srivastava和博士后Andrew Gehrke用三带豹虫（three-banded panther worms）测试了再生的过程，发现有一部分非编码DNA控制着一种名为早期生长反应（early growth response，简称EGR）的“主控基因”的激活。一旦激活，EGR就可以通过开启或关闭其他基因来控制许多生理过程。“我们发现，这个主控基因激活了再生过程中开启的基因，而非编码区域告诉了编码区域打开或关闭，所以我们可以把EGR看作再生的开关。”

Gehrke说，要使这一过程发挥作用，蠕虫细胞中紧密折叠和压缩的DNA必须发生变化，使新的区域可以被激活。他说：“基因组中很多紧密结合的部分会变得更加开放，因为其中有调控基因开启或关闭的开关。因此，这篇论文的一个重大发现是，基因组是动态的，在再生过程中，基因组会随着不同部分的开启和关闭发生变化。”

但在理解蠕虫基因组的动态特性之前，研究人员必须先将其序列组装起来，这本身并非易事。Srivastava说：“这是这篇论文的一个重要部分，我们正在公布这个物种的基因组，这是这个门被测序的第一个物种。到目前为止，还没有完整的基因组序列。”

同样值得注意的是，三带豹虫代表了研究再生的一种新模式系统。Srivastava说：“之前对其他物种的研究帮助我们了解了许多关于再生的知识。我们选用这些新蠕虫做模式动物的其中一个原因是，它们处于重要的系统发育位置，它们与其他物种的关系能使我们提出一些与进化有关的观点；另一个原因是它们是非常棒的实验动物，比其他一些模式动物更能适应各种工具。”她继续说。

研究人员最终识别了多达18000个发生变化的基因组区域，结果表明，EGR就像再生的电源开关，一旦开启，其他过程就会发生；如果没有EGR，所有的下游基因都不会被激活，所以其他的开关也不会工作，动物也不能再生。”

这项研究不仅揭示了蠕虫体内再生过程如何运作的新信息，也可能有助于解释为什么这个过程在人类身上不起作用。Gehrke说：“主控基因EGR以及下游的其他基因，同样存在于其他物种中，包括人类。”Srivastava说：“如果把人类细胞放在培养皿中，给它们施加压力，它们都会立刻表达EGR。但问题是：如果人类细胞能够开启EGR，而且不仅能打开它，还可以在细胞受损时打开它，那为什么我们不能再生？”

Srivastava说：“答案可能是，虽然EGR是再生过程的电源开关，但是人类的线路可能有所不同：人体细胞中EGR信号指令指向的方向可能与三带豹虫不同。我们的研究找到了一种研究这种连接的方法，因此我们想要找到这种连接，然后将其应用于其它动物，比如其它只能进行有限再生的脊椎动物。”

Srivastava和Gehrke说，他们希望进一步研究再生过程中激活的基因开关是否与发育过程中使用的基因开关相同，并更好地理解基因组的动态特性。Srivastava说：“现在我们知道这些开关是用来再生的，我们正在研究发育过程中涉及的基因开关，以及它们是否与再生过程中的相同。再生只是重新发育，还是涉及到一个不同的过程？”

Srivastava说：“如果壁虎能够再生，为什么我不能呢？这是一个非常自然的问题。有很多物种可以再生，也有一些不能再生，但如果比较所有动物的基因组，就会发现我们拥有的大多数基因也存在于三带豹蠕虫中，所以我们认为，这些答案可能不会来自于某些基因是否存在，而是来自于它们是如何联系的，而这个答案只能来自基因组的非编码部分。”

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编译：花花 

审稿：alone 

责编：张梦

期刊来源：《科学》

期刊编号：0036-8075

原文链接：

https://www.sciencedaily.com/releases/2019/03/190314151546.htm

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