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涡虫奇特再生能力的关键所在

来源:上海易利生物科技有限公司   2018年03月12日 08:15  

 

许多生物都具有特殊的能力,使它们在众多物种中独树一帜。例如,猎豹每小时能奔跑60英里;蚂蚁能举起自身体重100倍的物体;扁形涡虫可以再生出截肢部位。科学家们花了几十年的时间,来研究驱动这些惊人特技的机制,并希望他们能发现任何的秘密,为人类生物学带来新的观点,并带来新的方法改善健康和缓解疾病。

现在,美国的研究人员发现了一个关键的分子,可指导涡虫干细胞来复制自己。这个分子称为EGFR-3,是一连串信号的一部分,这些信号似乎控制着这些细胞分裂和分化的方式,以响应近致死辐射水平。这一结果对于促进再生医学和发展更有效的癌症疗法,具有重要的意义。在这个信号级联中的所有基因,在从涡虫到人类之间都是保守的。类似的过程也可能发生在我们自己的细胞内,只是我们不知道而已。事实上,扰乱我们身体的任何事情——老化、损伤,甚至辣的食物,都可能影响我们干细胞的功能。如果我们更好的了解涡虫如何调节它们干细胞的种群动态,那么就可以为应对我们自己的疾病,提供线索。

涡虫因其再生性能而享誉世界。从中间将其分裂成两半,会在其位置上出现两个相同的生物。从动物身体上切割约1/279的一个碎片,它会再生出一只完整的动物。这种能力来源于一组特殊的成人干细胞——称为成体未分化细胞(neoblasts),它们散布在这些淡水蠕虫的体内。几年前,研究人员通过使这些生物接受近致死剂量的辐射,测试了这些有再生能力的生物的极限。他们发现,即使只存在一个单一的未分化细胞,仍然足以再生出涡虫干细胞的全部群体。

在本研究中,研究人员想找到形成这些戏剧性种群动态的确切信号。他们决定寻找与干细胞相关、因此在该过程中发挥作用的普通嫌疑因子——即EGF、FGF、胰岛素、VEGF、TGF-β、Wnt/β-catenin、Hedgehog和Notch信号通路。首先,们采用了一种*的分子技术——被称为RNA干扰,来沉默可疑信号转导通路中的不同基因。接下来,他让涡虫暴露于一定剂量的辐射,该剂量会杀死大部分、但不是全部的成体未分化细胞。然后,他等待观察,每一个沉默的基因对“未分化细胞恢复、重新繁殖并恢复辐射动物生存的能力”有什么影响。

研究人员发现,egfr-3基因是未分化细胞增殖所必需的。这种基因编码的一种蛋白质——被称为表皮生长因子,位于细胞表面,已知可刺激另一种细胞类型的生长、增殖和分化。当他们采用荧光染色照亮成体未分化细胞上的EGFR-3蛋白来确认他们的研究结果时,他们偶然发现了一些奇怪的现象。在细胞顶端的蛋白质,就像研究人员预期的那样,不是被随机分布在整个表面,而是都聚集在一边,像一头任性的头发。

EGFR -3的不均匀分布表明,该蛋白可能参与了一种称为不对称细胞分裂的现象,它与对称细胞分裂一起,构成了细胞复制自我的两种方式。在不对称的细胞分裂中,母细胞分裂成两个有不同命运的子细胞——一种可能是成体未分化细胞,另一种可能是肌肉细胞或光感受器细胞。在对称的细胞分裂中,母细胞分裂成两个具有相同属性的子细胞。尽管有研究早就提出,细胞不对称分裂存在于涡虫中,但是这项研究提供了其存在的直接分子证据。  

当EGFR -3正常发挥作用时,已辐射的neoblasts有一半时间通过不对称细胞分裂而进行分裂,另一半的时间则是通过对称细胞分裂进行分裂。但当他沉默EGFR-3的时候,不对称分裂的细胞受损。研究人员认为,这一特定的途径可能提供了一种质量控制,以确保通过辐射或其他损害而发生的基因组错误不会传播。事实上,当他们进一步分析这个途径时,研究团队发现了DNA修复相关的几个基因。不对称的细胞分裂可能是除掉‘害群之马’的一种方式。虽然我们没有证据,但我们认为,这一信号通路有助于除掉携带缺陷的细胞,从而使它们有不同的命运,这样它们就不再制造更多的干细胞(成体未分化细胞)。

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