来自 科技 2021-11-26 10:07 的文章

霸王囚爱 弄断下半身,克隆一个我:涡虫是怎么做到的?

文章来源:Nature自然科研

原文作者:Thomas W。 Holstein

涡虫一类的扁虫可以将自己的身体分裂为片段,并由这些片段再生出新的完整的涡虫。科学家最近揭示了调控这种裂殖发生频率的分子机制。

要理解组织和器官如何再生,首先就要弄清楚特定的机制和因子如何在空间和时间上调控细胞和组织。涡虫被切割下来的片段可以重新长出缺失的身体并形成完整的虫体,因此被广泛应用于再生研究。涡虫同时具有自我切割的功能,被称为裂殖,它们延展身体并缩小尾部组织,使身体后部断裂并成长出克隆。裂殖发生与否取决于亲虫的大小,但其中的分子和细胞过程尚不明朗。Arnold等人在《自然》发表文章,报道建立了一种可靠的可以诱导涡虫Schmidtea mediterranea裂殖的方法,并且表明涉及Wnt和转化生长因子β (TGF-β)蛋白的细胞信号转导通路是调节这一过程的关键。

再生片段和裂殖亲本的形态和/或内部组织的分析。   图片来源:Arnold et al。(Reference 1)

Wnt信号通路在发育和细胞分化中起着决定性作用,并与许多疾病密切相关[2]。Wnt蛋白具有高度的多样性,只存在于动物中,由细胞分泌并通常附着于一条脂链上。它们通过与不同家族的受体蛋白结合,激发不同的下游细胞信号级联来调控细胞质因子的水平,这些细胞质因子可以控制基因表达,进而控制细胞功能。虽然近年来我们对于Wnt信号通路如何影响组织形成的理解有了很大的进步,但对于这一过程与特定组织功能之间的关系仍不甚了解。

过去关于涡虫的研究已经描绘出了组织形成的分子构架,自发Wnt蛋白浓度梯度控制沿动物长度方向的组织形成(即前后轴方向),TGF-β浓度梯度控制由上到下方向的组织形成(即背腹轴方向)。有研究指出涡虫裂殖受沿前后轴方向的代谢活动梯度、定位分子或神经激素分子梯度的调控。一项研究表明裂殖可能被前部的神经系统抑制,而另一项研究检验了促进其发生的生物力学因素和组织特性。

再生可以通过以实验手段将涡虫切成小段来诱导实现,但是裂殖却缺少稳定可靠的诱导方式,这极大地限制了对这一过程的研究。但是Arnold等人发现,将涡虫转移到食物受限且水不循环的培养环境中,可以在长度超过4毫米或5毫米的涡虫中诱导裂殖(图1)。通过分析影像记录,研究人员发现裂殖持续30分钟左右,并产生出约1毫米长的片段,裂殖发生频率与亲虫大小相关。Arnold等人还发现,当他们在正常培养物中对放置在涡虫上方的盖玻片施加压力时,涡虫会沿其前后轴方向分裂成多个规则间隔的片段。这表明,在成虫中存在预先建立的裂殖平面,其数量随涡虫的大小而变化,而隐藏的分段结构是这种关系的基础。

  图1:涡虫中的尺寸依赖型裂殖行为。涡虫可以通过裂殖的方式进行繁殖。在这一过程中,一部分组织从涡虫的身体后部掉落,再生成完整的虫体。Arnold等人检验了裂殖过程中的分子和细胞基础。他们发现裂殖的发生频率与亲虫的尺寸相关。对Wnt信号通路中控制涡虫体长方向组织分布的特定蛋白表达,进行试验干扰(结果未显示),并不影响裂殖的位置,但会增加或降低裂殖事件的频率。作者表明Wnt信号通路可以调节涡虫前端抑制裂殖行为的神经元细胞群的小尺度分布模式(方框内),并表明这些神经元的分布模式随动物大小而变化。

})();