在波士頓布萊根婦女醫院一間喧鬧的氣泡實驗室裡，大約 2,800 只被稱為墨西哥鈍口螈的蠑螈在水箱和杯子裡漂浮，堆滿了從地板到天花板的架子。近距離觀察，墨西哥鈍口螈介於可愛和外星生物之間。它們有肉粉色的身體和天真無邪、眼神呆滯的臉。與大多數蠑螈不同，後者在長大後會變成陸地生物，墨西哥鈍口螈通常一生都保持著幼年的水生形態。它們的鰓長在外面，頭部兩側各有一組三根羽毛狀的角。它們有黑色指甲的四指手纖細而又略帶人味——但考慮到這裡正在進行的工作，最好不要過多地關注這一點。
視野中的一隻動物失去了一條肢體，那是 11 天前被截肢的。殘肢的中心可以看到一個紅色的靶心。那是新手臂的芽。
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蠑螈是再生失去身體部位的冠軍。一種叫做渦蟲的扁形蟲可以從一小塊組織中長回整個身體，但它是一種非常小的簡單生物。斑馬魚可以在一生中再生它們的尾巴。人類和其他哺乳動物可以在胚胎時期再生失去的肢芽。作為幼兒，我們可以再生我們的指尖；小鼠成年後仍然可以做到這一點。但蠑螈是唯一可以在任何年齡替換複雜身體部位的脊椎動物，這就是為什麼尋求再生答案的研究人員如此頻繁地轉向它們的原因。
然而，當研究小鼠和果蠅等動物的研究人員進入基因組時代時，研究墨西哥鈍口螈的研究人員卻被拋在了後面。一個障礙是墨西哥鈍口螈比大多數實驗動物壽命更長、成熟更慢，這使得它們成為遺傳學實驗中笨拙的物件。更糟糕的是，墨西哥鈍口螈龐大而重複的基因組頑固地抵抗著測序。
然後，一個歐洲研究團隊克服了障礙，並在今年早些時候最終發表了實驗室墨西哥鈍口螈的完整基因序列。這一成就可能會改變一切。
“基因組是一個巨大的問題，一直困擾著每個研究墨西哥鈍口螈的人，”傑西卡·懷特德說，她是哈佛醫學院和布萊根婦女醫院助理教授和研究員，負責管理這個實驗室。現在她和其他研究人員掌握了整個墨西哥鈍口螈基因組，他們希望解開再生的秘密，甚至可能瞭解人類如何為自己利用這種力量。但他們仍然有比答案更多的問題，其中一些問題自 250 多年前首次記錄到這些動物的奇異天賦以來就一直存在。
義大利牧師和墨西哥蠑螈
這位義大利牧師的圖表簡潔明瞭，掩蓋了他所見證的奇蹟。拉扎羅·斯帕蘭扎尼的第一張草圖類似於正方形的三條邊，就像一張側面的小桌子；那是蠑螈被切斷的尾巴的殘肢。下一張圖顯示一個三角形坐在桌子上；尾巴不知何故正在再生。
這些由 18 世紀義大利神職人員拉扎羅·斯帕蘭扎尼繪製的圖紙是已知最早的蠑螈再生表示。第一張圖顯示了蠑螈尾巴的殘肢。在第二張圖中，一堆稱為再生芽的未分化細胞已在殘肢頂部形成，作為再生的先兆。第三張圖中可見表示再生尾巴中脊髓發育的細節。
斯帕蘭扎尼一直在蠑螈、蝌蚪、蝸牛和蚯蚓身上進行實驗，發現它們可以再生失去的身體部位。他在 1766 年寫給博物學家查爾斯·邦內特的一封信中分享了這一發現和他的圖紙。兩年後，斯帕蘭扎尼在一本關於生殖和再生的簡短論文集中更廣泛地發表了他的觀察結果。1768 年的論文集標題Prodromo（意思是“早期跡象”）暗示他將隨後發表關於該主題的更長篇幅的作品——但從未實現。
然而，其他科學家確實繼續進行了這些研究，研究人員選擇的蠑螈變成了墨西哥鈍口螈。它的學名是Ambystoma mexicanum；它的俗名與“packs a bottle”押韻。墨西哥鈍口螈很適合研究，部分原因是它們在圈養條件下繁殖和存活得很好。沃倫·維埃拉，馬薩諸塞大學波士頓分校凱瑟琳·麥卡斯克再生實驗室的博士後告訴我，當有人進入房間時，墨西哥鈍口螈有時會搖動它們扁平的鰻魚狀尾巴。照顧這些動物的研究人員普遍認為，墨西哥鈍口螈好奇且對人類的存在保持警惕，人類可能會帶來食物，儘管總的來說，墨西哥鈍口螈不太聰明。
畢竟，它們是高度近親繁殖的。世界上大多數實驗室墨西哥鈍口螈都來自 1860 年代從墨西哥來到巴黎的 34 只動物。（大多數野生墨西哥鈍口螈是雜色的泥土色，而不是淡粉色，但實驗室動物不是白化病——真正的白化病墨西哥鈍口螈是黃色的，眼睛是金色的而不是黑色的。）自從這些動物被移除後，它們在墨西哥城周圍的天然水道受到了汙染，受到了引入物種的入侵，這些物種改變了生態系統，並因城市化而急劇減少。墨西哥鈍口螈也是當地人的傳統食物。具有諷刺意味的是，對於能夠承受如此多可怕傷害的動物來說，墨西哥鈍口螈無法承受這些綜合襲擊，現在在野外幾乎滅絕了。但實驗室種群卻蓬勃發展。
1935 年，其中一些歐洲墨西哥鈍口螈回到了北美，最終成為了印第安納大學生物學家喬治·馬拉辛斯基指導下的收藏品。當他在 2005 年退休時，肯塔基大學繼承了他約 500 只動物的種群。馬拉辛斯基“只是把它們全部裝上車，在一個晚上開車送了下來，”蘭德爾·沃斯說，他現在負責管理該大學的Ambystoma 遺傳資源中心。儘管車程只有大約三個小時，但壓力使一些蠑螈發生了變態。“大約 10% 或更多決定他們不想再成為水生動物，因為從印第安納波利斯來的路途，”沃斯說。
今天，該資源中心的目標是始終保持 800 到 1,000 只成年動物。可以追溯到 1932 年的譜系記錄幫助該中心維持近親繁殖群體中剩餘的遺傳多樣性。它向世界各地的實驗室和教室運送墨西哥鈍口螈胚胎、幼蟲和成蟲。（幼苗 60 美分，繁殖雌性 36 美元——但你不能買一隻作為寵物，所以不要問。）
但是，儘管這些實驗室從墨西哥鈍口螈身上學到了很多東西，但它們都無法完全測序其基因組。墨西哥鈍口螈基因組的主要問題是它太大了。它有 320 億個鹼基對，大約是人類基因組的 10 倍長。儘管如此，維也納分子病理學研究所的生物學家艾莉·田中說，墨西哥鈍口螈和人類似乎擁有相似數量的基因。這些基因就像高度重複序列海洋中的島嶼。
重複 DNA 的過度豐富一直是問題所在。為了讀取生物體基因組的序列，科學家必須將 DNA 分解成塊，然後像拼圖一樣重新組裝這些碎片。田中說，直到幾年前，“這些塊太小，無法跨越這些重複序列的大小。”該技術無法從一個資訊島嶼到達下一個資訊島嶼。
繪製肢體再生圖
然而，即使在繪製墨西哥鈍口螈基因組之前，科學家們也在使用其他工具開始瞭解再生。
在波士頓東北大學詹姆斯·莫納漢的實驗室裡，博士後約翰娜·法卡斯遞給我一副看起來像太陽鏡的東西。我們正面對著排列著數十個墨西哥鈍口螈水箱的架子；該實驗室飼養著大約 400 或 500 只動物。（“這個房間裡的數量可能比現在野外的數量還多，”法卡斯說。）當人們進入房間時，蠑螈的鈍鼻子被吸引到水箱的前面，它們跟著我們來回走動。法卡斯讓我看一隻大型成年墨西哥鈍口螈，它的皮膚呈淡黃色。在我戴上太陽鏡後，她用藍色手電筒照射動物，動物發出鮮豔的綠色。
這隻動物來自一個墨西哥鈍口螈品系，科學家們對其進行了基因改造，使其產生通常在水母中發現的綠色熒光蛋白。眼鏡過濾掉除綠光以外的所有波長，讓我看到了它的熒光。其他墨西哥鈍口螈已被改造為產生紅色熒光蛋白。研究人員可以在紅色和綠色熒光品種之間，或者在發光和不發光動物之間交換組織移植物，以跟蹤細胞在再生過程中的運動。
例如，這樣的實驗讓他們看到，構成新附肢的細胞來自哪裡。截肢後，蠑螈幾乎不出血，並在數小時內封閉傷口。然後細胞遷移到傷口部位並形成一個稱為再生芽的團塊。這些新兵中的大多數似乎都來自附近的細胞，這些細胞已將自身的生物鐘撥回到未分化或“去分化”狀態，更像是在胚胎中看到的狀態。但尚不清楚動物是否以及在多大程度上也利用了幹細胞儲備，幹細胞是生物體維持以幫助癒合的一類未分化細胞。無論它們的來源如何，再生芽細胞都會重新分化成新的骨骼、肌肉和其他組織。一個完美的新肢體以微縮形式形成，然後擴大到與其所有者完全合適的尺寸。
切下並移植到身體其他部位的再生芽仍然可以變成它註定要成為的肢體。但是，除非神經在早期的關鍵時期到達再生芽，否則不會長出新的肢體：如果肢體的神經被切斷，截肢只會癒合。
研究人員發現，稱為巨噬細胞的免疫細胞對蠑螈的再生也很重要；它們有助於控制會損害該過程的炎症。與此同時，稱為成纖維細胞的結締組織細胞攜帶位置資訊，這對於再生肢體至關重要。這種位置記憶是細胞如何知道自己在身體中的位置：它是左手腕的一部分嗎？右肩？手臂的頂部還是底部？
莫納漢說，位置資訊是“一種分子郵政編碼”，印在動物的表觀基因組中——一組附著在細胞 DNA 上的化學標籤，可以指導其基因的活動。不同細胞中不同的表觀遺傳標籤為細胞提供了有關其位置的資訊。
視黃酸是一種與維生素 A 相關的分子，也參與位置訊號傳導：足夠劑量的視黃酸可以重寫細胞的郵政編碼。莫納漢實驗室裡一隻盯著我的墨西哥鈍口螈有一條正常的胳膊和一條超長的胳膊，他稱這種情況為“義大利麵條胳膊”。研究人員透過截肢動物的手，然後在腕部殘肢上新增足夠的視黃酸，使其認為它是肩部殘肢來創造它。結果，從手腕再生出一條全新的手臂。
胳膊、腿和尾巴並不是實驗室墨西哥鈍口螈可以再生的唯一身體部位。它們還可以從脊髓的擠壓傷中恢復過來。“它們可以再生一毫米乘兩毫米的正方形前腦，”莫納漢說，“這太瘋狂了。”科學家們尚未仔細研究墨西哥鈍口螈器官的再生能力。但莫納漢的研究小組迄今為止研究了墨西哥鈍口螈的心臟、肺和卵巢，發現這三個器官都可以在受傷後再生。
科學家們不知道墨西哥鈍口螈再生其內臟器官和肢體是否使用相同的機制。他們也不知道為什麼墨西哥鈍口螈可以連續多次長回手臂，但不能無限期地長回——在被截肢五次後，大多數墨西哥鈍口螈的肢體停止再生。另一個謎是肢體如何在達到合適尺寸時知道停止生長。
但這可能不會是謎團太久了。
基因組將如何提供幫助
“實際上不是我！”艾莉·田中笑著說。“是我的其他合作者，是其他能夠組合演算法來組裝如此龐大基因組的人。”包括田中、計算科學家和其他人在內的一個小組在今年 2 月的自然雜誌上報道，他們已經測序了實驗室墨西哥鈍口螈的完整基因組。改進的技術現在可以讀取足夠大的塊中的基因組，以便其中一些塊可以橋接墨西哥鈍口螈基因之間漫長而令人困惑的延伸。研究人員使用強大的計算能力和新的演算法來完成拼圖，最終能夠讀取整個基因組。
原則上，完整墨西哥鈍口螈基因組序列的可用性使研究人員能夠更好地回答有關動物再生機制的主要問題。例如，墨西哥鈍口螈是否使用獨特的基因來再生其肢體？或者它是否使用其他動物（包括人類）共有的基因，但以不同的方式控制它們？這些答案還有待揭曉。田中說，自然雜誌發表的目的僅僅是將序列釋出給科學家。“真正挖掘基因組以瞭解再生，現在正在進行中，並且需要幾年時間，”田中說。
但她和她的合著者確實做出了一些有趣的初步觀察。“在再生肢體組織中，我們似乎看到了相對較高數量的基因，這些基因沒有明確的人類對應物，”她說。田中和她的合著者寫道，研究這些基因——這些基因也不存在於其他哺乳動物、魚類或鳥類中——很可能成為“理解再生的有效途徑”。
但重要的是要注意，儘管墨西哥鈍口螈基因組已被完全測序，但該序列資訊仍然分為許多許多片段，就像一本丟失了書脊的書的頁面一樣。沃斯在肯塔基大學的研究小組在 2017 年組裝了自己的墨西哥鈍口螈基因組序列，但該序列的片段數量大約是田中的 100 倍。沃斯說，他的團隊現在正在努力將墨西哥鈍口螈基因組的頁面按正確順序排列。他說，將基因對映到染色體上將使組裝好的基因組更方便其他科學家使用。
在尚未發表但釋出在 bioRxiv.org 上的論文中，沃斯的研究小組還確定了墨西哥鈍口螈基因組中決定其性別的部分。研究人員早就知道，單個墨西哥鈍口螈的性別是由其基因決定的，但他們沒有找到沃斯及其合著者所說的雄性和雌性性染色體之間“微小的”差異。除了幫助科學家瞭解墨西哥鈍口螈的遺傳學外，這一發現還將有助於管理實驗室種群，例如當資源中心運送一批批幼苗時。到目前為止，找出幼年墨西哥鈍口螈性別的唯一方法是等待七到九個月，看看它們長出什麼部位。（墨西哥鈍口螈大約一歲才能繁殖；它們通常在實驗室中存活 5 到 10 年，但已知可以存活 15 年。）
在墨西哥鈍口螈的完整基因組發表之前，想要深入瞭解該動物分子生物學的研究人員主要停留在研究墨西哥鈍口螈基因的蛋白質和 RNA 產品上。他們無法閱讀源材料。但基因的產品並不能告訴你它是如何開啟或關閉的，或者細胞在 DNA 上做了什麼表觀遺傳標記來影響其表達。例如，莫納漢想知道，基因包裝和調控的哪些變化會將手細胞變成肩細胞——也就是說，將普通的墨西哥鈍口螈變成擁有義大利麵條胳膊的墨西哥鈍口螈。“我們以前甚至無法解決這個問題，”他說。
如果沒有序列，也很難使用基因工程來研究墨西哥鈍口螈。例如，如果你去除了某個基因，並且看到蠑螈的再生方式沒有變化，你可能會得出結論，該基因並不重要——但實際上它可能非常重要，以至於蠑螈擁有你尚未發現的備用基因來完成相同的任務。莫納漢說，他的研究小組已經使用新的基因組序列作為參考，利用 CRISPR（幾年前才出現的革命性基因組編輯技術）製造基因工程蠑螈。如果沒有序列，“要弄清楚就太費力了，”他說。
馬薩諸塞大學波士頓分校的麥卡斯克說，隨著時間的推移，這種遺傳資訊會越來越好。她說，關於序列總是有更多要學習的東西，還有更多漏洞需要填補。基因組將從一張大的、顆粒狀的圖片變成一張解析度越來越高的圖片。“沒有哪個基因組是完全完整的。即使是人類基因組，”她說。
至於她是否已經在她的研究中利用新的基因組序列資訊，麥卡斯克說，“哦，我的天哪，是的。”
癌症與再生
當他們進入新的研究時代時，世界各地蠑螈實驗室的負責人將於今年夏天在維也納舉行的首次會議上齊聚一堂。他們將討論如何使用基因組序列和其他資源，並將制定戰略，將新人引入墨西哥鈍口螈研究領域。
“隨著兩個不同的可用組裝體，以及所有其他實驗室正在開發的分子工具，我認為時機已到，”莫納漢說。“這個基因組真的只是起跑線。”
他和其他研究人員已經發現他們的研究在人類醫學中的潛在應用。莫納漢正在研究墨西哥鈍口螈視網膜，以嘗試改善人類衰老眼睛的預期幹細胞療法的效果。他還認為，找出墨西哥鈍口螈如何快速再生肺部可以幫助我們學習治癒人類肺部，人類肺部自然具有一定的再生能力。懷特德正在研究在小鼠截肢後，在蠑螈肢體再生中重要的相同蛋白質是否也可能是良好癒合反應的指標。最終，這可能有助於醫生預測哪些人類患者將從創傷性肢體損傷中恢復。
麥卡斯克研究了蠑螈再生肢體的組織環境如何控制細胞的行為。總有一天，我們或許能夠調節癌細胞周圍的環境，並迫使它表現正常。“再生組織實際上與癌細胞有很多相似之處，”她說。
癌症與再生之間的聯絡是令人興奮的。大多數動物需要仔細控制其細胞生長，因為失控的生長等同於癌症。你可能會認為，經常從頭開始長出整個肢體的動物患癌症的風險更高。“關於蠑螈的有趣之處在於，即使它們再生，它們也很少患癌症，”懷特德說。“而人類，顯然，他們總是患癌症。”
1952 年，一位名叫查爾斯·布雷迪斯的科學家將煤焦油和其他已知的致癌物注射到 500 多隻蠑螈（與蠑螈相關的兩棲動物，也可以再生）的手臂中。只有兩隻動物長出了腫瘤。更常見的情況是，蠑螈透過長出額外的胳膊來做出反應。懷特德說，如果科學家能夠破解致癌物如何觸發這種再生生長，那將是該研究領域的“某種聖盃”。
再生的未來
在馬薩諸塞大學波士頓分校，維埃拉向我展示了裝滿塑膠飲水杯的托盤，每個杯子裡都遊著一隻小墨西哥鈍口螈。“我們實際上剛剛進行了一次繁殖活動，”他說。（為了鼓勵墨西哥鈍口螈繁殖，莫納漢和法卡斯編寫的墨西哥鈍口螈護理指南建議以下內容：“將一隻雄性和一隻雌性一起放入一個用鋁箔覆蓋的 28 夸脫塑膠容器中。包括兩個可重複使用的冰袋和破碎的赤陶盆或大型扁平岩石的基質。”）
玫瑰色的小寶寶，它們的小臉被蓬鬆的鰓框住，非常可愛。它們也很自相殘殺。維埃拉指出，有些寶寶因為互相啃咬而失去了胳膊或腿。
對於在飢餓的兄弟姐妹池塘中開始生命的蠑螈來說，再生可能不僅僅是一種很酷的技巧，而是必要的。這可能是它們進化出這種能力的原因——或者它們保留了這種能力，而其他動物失去了這種能力的原因。
懷特德說，關於再生究竟是如何進化出來的，目前還沒有定論。根據化石和基因的證據，該領域的大多數人認為這是一種古老的特徵，今天的動物在很大程度上已經失去了這種特徵。但懷特德對再生能力的其他可能起源持開放態度。她感興趣的一種理論是，涉及沿身體主軸再生尾巴的“軸向”再生可能是一種古老的祖先能力，而肢體的“附肢”再生可能已經單獨且更近地進化出來。
如果再生是一種古老的特徵，像人類這樣的哺乳動物可能仍然有一些工具在他們的基因抽屜裡踢來踢去。可能是我們進化的其他癒合過程，例如結疤，妨礙了再生並阻止了再生的發生。懷特德指出，人類截肢者有時會發展出一種稱為神經瘤的疼痛狀況——失去的肢體或手指殘肢中神經纖維不受控制的生長。也許這種再生是未能完成的再生的殘餘。
根據她的研究，懷特德認為人類擁有的再生工具比我們所認為的要多。如果我們能夠在我們的身體中創造合適的環境，我們或許能夠利用這些工具。也許有一天，我們可以再生肢體。
其他研究人員也同意這可能是可能的。田中並沒有排除這種可能性。“有點難以知道它到底有多複雜，”她說。但是，憑藉我們已經瞭解到的肢體生長方式，以及墨西哥鈍口螈仍然可以教給我們的東西，她可以想象一個我們為自己設計相同能力的未來。
“我認為這是一件值得努力的事情，”她說。
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