6月27日凌晨2點(diǎn)，中國科學(xué)家在《科學(xué)》（Science）雜志上線的最新研究成果發(fā)現(xiàn)，Aldh1a2基因的表達(dá)不足導(dǎo)致的視黃酸合成不足是高等哺乳動物小鼠耳廓再生失敗的核心機(jī)制。在激活該基因后，小鼠耳廓實(shí)現(xiàn)了再生。這為深入理解進(jìn)化過程中哺乳動物的再生能力丟失提供了新的見解，并為再生醫(yī)學(xué)和人類受損器官的重建與再生提供了重要靶標(biāo)。

上述研究由北京生命科學(xué)研究所林煒鋒博士研究生、賈小慧博士研究生、北京華大生命科學(xué)研究院石小峰副研究員、西北農(nóng)林科技大學(xué)赫秋亞副教授、北京華大生命科學(xué)研究院張盼玉助理研究員為論文共同第一作者。北京生命科學(xué)研究所王偉研究員、北京華大生命科學(xué)研究院鄧子卿研究員和西北農(nóng)林科技大學(xué)羅軍教授為論文共同通訊作者。

研究截圖

小鼠耳廓為何不能再生？關(guān)鍵在這個(gè)基因

“在自然界中，很多低等動物都擁有極強(qiáng)的再生能力，但隨著物種演化，人類、小鼠等高等動物僅保留有限的能力。”北京生命科學(xué)研究所研究員王偉介紹，耳廓雖然結(jié)構(gòu)簡單，但包含多種細(xì)胞類型，如肌肉、表皮、皮膚、軟骨和脂肪組織。此外，耳廓在形態(tài)和感知能力上具有多樣性。

“哺乳動物中存在大量可再生耳廓的物種，如果我們在家兔的耳朵上打一個(gè)直徑4毫米或8毫米的小洞，在1個(gè)月內(nèi)缺失的組織就能恢復(fù)如初。而小鼠就不具備這種再生能力，受傷后只能傷口愈合，無法實(shí)現(xiàn)再生。通過單細(xì)胞組織研究，我們發(fā)現(xiàn)了一些關(guān)鍵的細(xì)胞群體，表明再生能力主要與損傷后的細(xì)胞行為相關(guān)?！蓖鮽フf。

研究團(tuán)隊(duì)選取了哺乳動物特有器官耳廓（外耳）為研究模型，基于單細(xì)胞RNA測序和華大自主研發(fā)的時(shí)空組學(xué)技術(shù)Stereo-seq，描繪了可再生物種（兔子）與不可再生物種（小鼠）耳廓損傷后再生/修復(fù)的高分辨率單細(xì)胞時(shí)空動態(tài)過程，逐時(shí)逐步觀察傷口處每個(gè)細(xì)胞類型的變化和基因表達(dá)動態(tài)，精確對比再生過程和普通愈合過程有何不同。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，小鼠耳廓再生失敗與視黃酸合成不足有關(guān)。視黃酸是維生素A的一種代謝產(chǎn)物，與細(xì)胞發(fā)育密切相關(guān)。而小鼠視黃酸不足主要是因?yàn)橐朁S酸合成限速酶Aldh1a2的表達(dá)不足，以及視黃酸本身的降解加速。

兔子耳廓再生與小鼠耳廓修復(fù)過程中視黃酸的合成和降解

關(guān)鍵基因“開關(guān)”的進(jìn)化丟失

為什么小鼠的Aldh1a2基因表達(dá)會不足？科研團(tuán)隊(duì)通過進(jìn)化生物學(xué)比較發(fā)現(xiàn)，在兔子的基因組中，保留了負(fù)責(zé)調(diào)控Aldh1a2基因的一些關(guān)鍵DNA序列。這些調(diào)控序列被稱為“增強(qiáng)子”，可以理解為基因表達(dá)的開關(guān)或加速器。研究人員在兔子Aldh1a2基因附近發(fā)現(xiàn)了6個(gè)活躍的增強(qiáng)子（AE1～AE6），其中有兩個(gè)增強(qiáng)子（AE1和AE5）在耳廓受傷再生時(shí)會被強(qiáng)烈激活，相當(dāng)于在兔子受傷后及時(shí)按下“開關(guān)”，大大提高了Aldh1a2的表達(dá)，在兔子傷口處源源不斷地產(chǎn)生視黃酸，幫助組織再生。

可惜的是，研究團(tuán)隊(duì)僅在小鼠對應(yīng)的基因區(qū)域找到了1個(gè)活性增強(qiáng)子（AE3），其他與再生相關(guān)的調(diào)控元件都已失活。

研究團(tuán)隊(duì)介紹，換句話說，小鼠體內(nèi)調(diào)控Aldh1a2基因的“按鈕”大都消失了，受傷后想要大幅度開啟Aldh1a2基因表達(dá)非常困難。這一進(jìn)化差異解釋了為什么小鼠耳廓受傷后Aldh1a2“叫不醒”、視黃酸產(chǎn)量提不高，從而無法像兔子那樣再生組織。

激活關(guān)鍵基因，小鼠耳廓再生

如果人為按下這些丟失的“開關(guān)”，是否就能讓失去再生能力的動物實(shí)現(xiàn)再生呢？研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了探索：他們嘗試直接激活A(yù)ldh1a2基因或外源補(bǔ)充視黃酸，發(fā)現(xiàn)都可以使本不具備再生能力的成年小鼠耳廓傷口，出現(xiàn)了多能性細(xì)胞（成纖維細(xì)胞），從而重建了耳廓的軟骨與神經(jīng)組織。也就是說，小鼠耳朵的傷口不再只是簡單結(jié)疤，而是實(shí)現(xiàn)了再生。

此外，研究團(tuán)隊(duì)還將兔子的增強(qiáng)子AE1導(dǎo)入小鼠的基因組，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，受傷后的小鼠耳廓Aldh1a2基因表達(dá)顯著提高，視黃酸增加，耳廓的再生能力也得到明顯提升。

王偉表示，此次實(shí)驗(yàn)讓原本不具備再生能力的小鼠，完全獲得了再生能力，這是該領(lǐng)域內(nèi)的重要突破。“研究揭示了器官再生能力丟失的關(guān)鍵因素，為未來解決中樞神經(jīng)系統(tǒng)和內(nèi)臟器官如心臟的功能再生提供了新的解決方案。”