肢體再生對人類來說仍然是科幻小說中的情節,但一項意外的發現為了解人類如何像蠑螈一樣重新長出失去的肢體提供了新的視窗。
這一發現源於一項關於一種可以使人類細胞返老還童的基因的研究。幼年動物比成年動物能更好地從組織損傷中恢復,甚至可以在子宮內再生組織。近年來,研究人員關注一種名為Lin28a的基因,它在生命早期活躍,但在大多數成熟組織中被沉默。它可以重程式設計人類體細胞(非生殖細胞),使其恢復到類似胚胎的狀態。這項研究使研究人員偶然發現了這個基因的另一個潛在作用,即當它被重新啟用時,可以增強小鼠的癒合能力。
在進行癌症研究的過程中,波士頓兒童醫院和哈佛醫學院的喬治·戴利試圖在基因工程小鼠的耳朵上剪洞,以便在區分它們時能夠識別出來,但令人驚訝的是,傷口一直在癒合。然後他嘗試了一種備用的識別技術——剪掉它們的腳趾尖——但是腳趾又重新長了出來。戴利和他的同事們還給小鼠的背部脫毛,並震驚地發現毛髮迅速長了回來。這些實驗室小鼠經過基因工程改造,使得Lin28a在出生後仍然保持開啟狀態,而不是關閉,這顯然賦予了小鼠超強的生長能力。“我們知道[Lin28a]可以將細胞重新程式設計為類似胚胎的幹細胞,但我們很大程度上是偶然地發現了另一個發現,”戴利說,他的團隊的研究結果發表在11月7日出版的《細胞》雜誌上。該團隊發現,他們可以透過給非基因改造的小鼠服用有助於啟用某些代謝過程的藥物來複制基因改造小鼠的癒合能力——與Lin28a刺激的途徑相同——從而使細胞重新煥發活力,就像它們年輕時一樣。
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研究結果表明,大多數動物不能再生失去的肢體,至少部分原因在於它們的代謝。當Lin28a開啟並在體內表達一種蛋白質時,它會促進新陳代謝,顯然是在欺騙身體,讓身體認為它更年輕,從而引發一系列複雜的化學反應,產生能量。這項研究表明,通常提供細胞能量的機制也可以驅動更奇特的過程,例如傷口癒合。
Lin28a的能力似乎僅限於此。當小鼠不再是幼鼠時——在五週大時——科學家們無法再生它們的肢體,即使基因被啟用。而且,啟用Lin28a的小鼠永遠無法修復心臟損傷,這表明該蛋白質並非在身體的每個部位都同樣有效。韋爾斯利學院的發育生物學家鈴木優(Yui Suzuki)說,可能限制再生的一個因素是所涉及器官的大小,他沒有參與這項工作。也許小鼠可以再生較小的器官,例如未成熟的腳趾,但不能再生較大的器官,例如全尺寸的腳趾或心臟,但結果尚不確定。
長期以來,科學家們一直追求人類肢體再生的目標,但是,如何啟動必要的生物過程或確定人類再生身體部位(像蠑螈或海星一樣)所需的途徑仍然難以捉摸。
人類確實具有一定的再生能力——例如,如果指甲的很大一部分仍然存在,則可以重新長出指尖。這個過程取決於指甲下方上皮中存在的幹細胞,這是身體其他部位所不具備的。然而,這項新研究可能透過操縱Lin28a等基因的活性或模仿它們的作用,為擴充套件我們的再生策略開闢一條道路。
啟用Lin28a的小鼠的再生過程非常複雜。例如,該基因的分子靶點之一是一種名為let7的微RNA(一種小的非編碼RNA分子),它反過來又調節著數百個其他基因,因此Lin28a的作用可以引發一系列複雜的調節相互作用。該團隊最初認為,增強的傷口癒合能力在很大程度上源於Lin28a關閉了該靶點let7。但是,他們採用了一種基因技巧,用抗生素來阻斷let7,並發現僅僅阻礙微RNA是不夠的——最終確定Lin28a是癒合劑。戴利的下一步將集中於重新啟用Lin28a通路,以刺激內部器官的傷口癒合。
Lin28a已被發現與小鼠青春期的到來和患糖尿病的傾向有關。它也是蠕蟲和人類等多種生物的細胞代謝和分裂的主要調節因子。“這個基因現在引起了極大的興趣,這證明了它在許多生物學領域中的核心作用,”戴利說。但是,利用該基因刺激人類的再生能力仍然遙遙無期——目前還沒有已知藥物可以有效地啟用人類的Lin28a。“這是關於再生原理的令人興奮且具有啟發性的研究,”戴利說。“我希望它能刺激其他具有臨床意義的研究。”