杭州华大主导 全球首个高分辨率蝾螈脑再生时空图谱问世-环球信息

浙江新闻客户端 见习记者 涂佳煜

2022年9月2日的《科学》封面。受访者提供

(资料图)

很多人从小就读过“小壁虎借尾巴”的故事，知道壁虎在遇到天敌时，可以断尾自卫，随后在截断处生长出一条崭新的“假尾巴”。这一现象，已足以让儿时的我们惊叹不已。

但还有一种神奇动物——墨西哥钝口螈——不仅能重新长出缺失的四肢、尾巴、眼睛、皮肤以及肝脏等器官，甚至还可以再生大脑。

人脑受伤后尚且难以自我恢复，墨西哥钝口螈是怎样做到的呢？

近日，由杭州华大生命科学研究院主导，联合来自3个国家17个单位的科学家组成的研究团队合作完成的研究成果——全球首个高分辨率蝾螈脑再生时空图谱，与其他3篇研究论文共同登上《科学》学术期刊封面。或许，这只小小“六角萌兽”，能帮助我们找到人类大脑修复与再生的钥匙。

向低等动物请教再生秘诀

肢体再生是人类梦寐以求的“超能力”，而这对自然界许多其貌不扬的生物来说，却只不过是和吃饭睡觉一样平常的基本技能。

一些无脊椎动物的再生能力堪比“分身之术”。比如，将一只海星“切成5块”，你将得到5只完好无缺的海星。更有甚者，19世纪末，生物学家摩尔根曾将一条约指甲盖长的涡虫切出279分之一，这一点点“碎肉”，最终也长成了功能健全的生命体。

相比无脊椎动物，脊椎动物的再生能力就相形见绌了。少量鱼类、两栖动物和爬行动物，比如一些硬骨鱼、爪蛙、蜥蜴和蝾螈能够再生失去的身体组织。至于再进化得更高等级的哺乳动物，断肢处往往只能愈合出疤痕。

如此看来，想要一窥再生的秘诀，人类还得向这些低等动物请教一二。

这次，由杭州华大生命科学研究院主导的研究团队就选择了“墨西哥钝口螈”作为实验对象，研究“大脑再生”的神奇现象。

“墨西哥钝口螈”俗称“六角恐龙”。游动时，它两腮后方六根毛茸茸的腮梗在水中张开浮动，就像长出了龙角。如此憨态可掬的外形下，蕴藏着大自然深奥的智慧。

大部分两栖蝾螈都会经历变态发育，就像蝌蚪变成青蛙一样，成年后转移到陆地上栖息。但墨西哥钝口螈却能够“永葆童颜”，终身以幼体形态生活在水中，好像永远都长不大。

当然，墨西哥钝口螈之所以被团队选中，还是由于它强大的再生能力。“蝾螈的多个器官，包括脑组织，在严重损伤后都具有全面的细胞再生和重建因损伤而丧失的组织结构的能力，是一个再生研究中非常完美的模式动物。”论文共同通讯作者、来自杭州华大生命科学研究院的黎瀚博说。

黎瀚博还补充：“蝾螈是一种四足类的脊椎动物，从进化位点和结构来看，它在具有强再生能力的物种中，属于进化地位比较高的，身体和器官的结构与哺乳动物有较高相似性。”不仅如此，蝾螈的基因编码序列也与人类非常相似。这意味着，对蝾螈脑再生启动机制的研究，发现其中的关键基因，或将为人类神经系统损伤或退行性疾病的修复提供洞见。

科研团队部分成员合影，前排左一为黎瀚博，后排左一为魏小雨。受访者提供

“生命照相机”揭开蝾螈脑再生机制

蝾螈的再生能力一直以来都吸引着科学家的目光。

同期登上《科学》期刊封面的两篇论文也在关注蝾螈的脑再生过程。研究者使用单细胞及空间转录组学方法，绘制出墨西哥钝口螈和西班牙肋突螈大脑的细胞类型图谱，鉴别不同类型细胞的基因表达。这种单细胞技术，也是目前研究动物脑再生常用的方法之一。

华大团队基于其自主研发的时空组学技术Stereo-seq，向我们呈现的，不是被“解离”出来的单个细胞的数据集，而是一张将钝口螈大脑细胞变化“原位”呈现的脑再生时空图谱。

“形象地说，单细胞技术是把一串细胞组成的葡萄一个个摘下来，而我们的时空组学技术则是对整串葡萄直接进行观察。”该论文第一作者、来自杭州华大生命科学研究院的魏小雨打了个比方。时空组学技术Stereo-seq就像一个超广角百亿像素“生命照相机”，让团队能够从时间和空间两个维度，把钝口螈端脑各细胞类型与对应转录组的动态变化、细胞间互作等信息全面展示出来。

用“生命照相机”记录墨西哥钝口螈大脑的再生，具体是怎样实现的呢？

魏小雨介绍了整个过程。首先，研究团队在钝口螈左侧端脑大脑皮层进行机械损伤手术，切除出约0.5毫米×0.5毫米的方形创口，以构建脑损伤模型。

随后，在损伤后的第2、5、10、15、20、30及60天，研究团队利用“生命照相机”，定期对大脑样本做“X光检查”，得到各个时间点的脑再生图集，形成对钝口螈大脑从损伤到再生修复全过程的完整记录。结果显示，钝口螈端脑在30天内在形态上即可愈合，到第60天，损伤区域的细胞类型及空间分布恢复到了未损伤侧的状态，表明再生已完成。

对比7个时期时空图谱显示的伤口状态，一个更令人惊喜的发现浮出水面。

“我们发现，在损伤后2天到15天，损伤位点附近的室管膜胶质细胞就已经在损伤刺激下被激活，转变为‘激活态的神经祖细胞类群’。它们参与细胞增殖、迁移和外基质重塑等生物学过程，经过细胞分裂填充伤口缺损区域，并逐步分化为成熟的神经元。”魏小雨说，“在第15天，对连续多张端脑切片的分析显示，复原期间存在从激活的室管膜胶质细胞到中间祖细胞，再到未成熟神经元，直至成熟神经元的连续的细胞命运转变过程。”

以往研究表明，在具有再生能力的生物身上，室管膜胶质细胞具备类似哺乳动物神经干细胞的功能。不同的是，哺乳动物的神经干细胞在大脑发育完成后就“消耗殆尽”，但成年钝口螈大脑中却仍蛰伏着具有分化潜力的室管膜胶质细胞类群。

不过，室管膜胶质细胞“激活”、脑再生“信号通路”形成的机制此前一直未被完全揭示。团队这一发现，描绘出激活态的室管膜胶质细胞重构神经元的过程，极大促进了对大脑再生分子机制的理解。

此外，科学家们还选取钝口螈脑发育的6个重要时期，拍摄绘制了脑发育时空图谱。对比发现，发育和再生中神经元形成的过程高度相似。据此，研究人员推测，或许脑损伤诱导了钝口螈神经干细胞状态转化，回到类似发育时期的年轻化状态，以重启发育过程。

“对比两个过程，我们可以寻找共有的基因调控机制，以及特异性调控再生启动而有别于发育过程的机制，从而为如何启动再生过程，甚至如何启动二次发育过程提供一些见解。”魏小雨说。

“人脑再生”愿景又进一步

21世纪，“再生医学”已不是一个陌生的话题。

已经临床应用颇多的干细胞疗法，就是一种再生医学技术。它通过将健康的、具有增殖和分化能力的干细胞移植给患者，重建正常的细胞和组织。此外，组织工程技术还能在体外培养出具有生物活性的器官结构，有望做到真正意义上的“器官再生”。

科学家也在加快推进诱导人类全能干细胞的相关研究。今年三月，中科院联合深圳华大生命科学研究院就诱导出了相当于受精卵发育3天的“全能干细胞”，是目前全球在体外培养的“最年轻”的人类细胞，若将其用于再生医学，培育得到的器官将更接近于真实器官的状态。

然而，尽管再生医学取得了不小进展，对于人体最高级的器官“大脑”的再生，人们尚且心有余而力不足。“人脑是一个由上千亿神经元相互连接形成的复杂网络，目前我们仍未完全解析人脑的功能，对于脑再生的研究也是较为初步的。”魏小雨说。

据了解，每年中国约有10万人因外力因素造成的创伤性脑损伤而死亡、数十万人因其而永久残疾。即便结局不那么极端，也可能落下肢体无力、言语障碍、认知下降等后遗症。这是因为脑组织损伤后，胶质细胞会逐步在损伤处形成胶质疤痕，严重抑制神经元功能的恢复——大脑就像是被挖去了一块，里面塞进了不必要的填充物。

时常伴随衰老而来的神经系统退行性疾病，更是我们每个人都可能面临的问题。比如阿尔茨海默症，一旦发生，就启动了生命的倒计时。目前的医疗手段只能对症缓解治疗，但很难从根源上逆转退化。

不同于器官移植，治愈大脑的创伤性、退行性疾病需要直接诱导、刺激神经元“原位再生”。“这要求明了原位再生的具体过程，并找到能直接作用于人体的关键调控因子和启动机制。”魏小雨指出。

蝾螈脑再生时空图谱的诞生、对脑再生机制原位观测的实现，让我们在寻找人类大脑损伤修复钥匙的路上，向前迈进了充满希望的一步。

当然，我们要走的路无疑还很长。实际中，脑再生涉及复杂的基因调控网络，是多个基因、多种细胞类型协作的结果。通俗地讲，基因调控是一个复杂的电路图，其中一些基因是或串联或并联的电路开关，唯有所有开关正确地打开或关闭，脑再生才能成功。

“如果仿照蝾螈脑再生的方式，内源性地让人脑原位再生，则首先需要逆转细胞状态，生成神经元祖细胞，再使用能够启动脑再生过程的关键因子使祖细胞再分化，以期望达到修复脑组织的效果。”魏小雨说，这其中每一步都是现有科学技术在人体内难以做到的。

目前，脑再生研究更多地聚焦在如蝾螈、小鼠和斑马鱼等其他模式动物的再生具体机制解读上，为下一步找到人可用的关键靶点打下基础。

魏小雨表示，下一研究阶段，团队将利用多组学技术等，探索具体的、可以启动蝾螈脑再生过程的“基因开关”，并尝试人为控制其脑再生过程，揭示更多的调控脑再生过程的关键基因。还将比较多物种再生之间差异的与保守的调控通路，为再生医学基础研究贡献一分力量。

视觉中国供图

这些生物也在帮助我们研究再生科学

腔肠动物：水螅

水螅生活在淡水之中，身体形同一根管子，是水母、海葵和珊瑚的近亲。

水螅的长寿能力令人诧异。如果没有其他动物捕食、拥有充足的食物来源，它可以持续不断地替换缺失的身体组织，延续生命。2014年，《自然》的一项研究推测，在实验室环境中，部分水螅甚至可以存活超过1400年。

水螅也是希腊神话中九头蛇的原型，即便断了头也能再生。在水螅口器附近，有一组名为“头部组织者”的细胞群。该细胞群在水螅通过出芽生殖繁育后代时，决定了新个体的细胞分化。当头部被切除，一系列遗传和表观遗传活动可以迅速诱导新的头部组织者细胞群形成，指导其他结构的分化与再生，促进水螅长出一个新的头部。研究者还发现，如果将一条水螅的头移植到另一条水螅身上，也能存活。

扁形动物：涡虫

涡虫的进化地位并不高级，介于水螅（腔肠动物门）和蚯蚓（环节动物门）之间，广泛生活在洁净水质的池塘和溪流中。

涡虫的再生速度很快，能在一周内，重新长出切割掉的肌肉、皮肤、肠道、生殖系统，甚至整个大脑。在适宜的生长条件下，只要未受到损伤，能一直保持健康，不会衰老或死亡。这是因为，涡虫体内有一种类似于人类干细胞的细胞Neoblast。这种细胞占涡虫细胞总数的25%，一旦涡虫受伤，这些细胞可以增殖、分化成为涡虫体内大约40余种类型的细胞，再生出有功能的全新的组织、器官直至一个完整的涡虫。

作为科学研究的模式动物，除了超强的再生能力，涡虫还具有再生周期短、容易大规模饲养繁殖、成体干细胞数量丰富且容易观察统计等优点。

脊椎动物：斑马鱼

斑马鱼是鲤科的一种小型热带鱼类，在花鸟市场中随处可见。斑马鱼与人类共享着约70%的基因，且由于体外受精和能够使大部分受损组织，包括四肢、心肌、大脑、视网膜和脊髓完全再生，被广泛用于揭示脊椎动物胚胎发育和再生的机制。

斑马鱼可以自我修复破损的视网膜。这是因为，它们视网膜中的缪勒氏细胞包含一种特殊的启动基因。哺乳动物视网膜中也有缪勒氏胶质细胞，但不具备分化增殖的能力。美国华盛顿大学医学院的科学家曾利用斑马鱼细胞基因重新编程成年小鼠的视网膜细胞，成功诱导其再生成神经元，为人类视网膜疾病的治愈提供了启发。

对斑马鱼的研究，或还将帮助人类找到心脏再生的开关。去年，澳大利亚科学家解码出斑马鱼心脏损伤修复的关键基因Klf1，成果发表于《科学》杂志。作为一种遗传开关，Klf1可使斑马鱼体内其余未受伤的心肌细胞恢复成一种不成熟状态，并改变其代谢途径，让它们能够继续分裂并形成新的心肌细胞，从而修复心脏。