全身再生通过重构胚胎基因调控网络逻辑实现

《Nature Communications》：Whole body regeneration deploys a rewired embryonic gene regulatory network logic

本研究针对“再生在多大程度上重演胚胎发育”这一经典问题，以海葵Nematostella vectensis为模型，通过比较胚胎发育与再生的转录组动态及基因共表达模块，揭示了再生过程部分重用了胚胎基因程序，并与再生特异性基因模块（如凋亡相关基因）相连接，形成了一个重构的基因调控网络（GRN）。研究证实MEK/ERK信号在再生起始阶段发挥核心作用，并阐明了凋亡、MEK/ERK和cWnt信号通路在再生中的时序关系与功能分工。该发现深化了对再生分子机制的理解，为揭示再生能力的进化保守性提供了重要见解。

　　

在动物界，从涡虫到蝾螈，许多生物都拥有令人惊叹的再生能力，能够重新长出受损或失去的身体部分。一个多世纪以来，生物学家们一直猜测，再生过程可能重演了胚胎发育的程序，即构建生命体之初的基因蓝图在损伤后被重新激活。然而，再生在多大程度上是胚胎发育的“重演”，以及是否存在再生特有的遗传程序，始终是悬而未决的核心问题。

为了解答这一难题，研究人员将目光投向了星虫海葵（Nematostella vectensis）。这种小型海葵是研究再生和发育的理想模型，因为它不仅具有强大的全身再生能力，能够在不到一周内重新长出被切除的头部（包括口部和触手），其胚胎发育过程也已被深入研究。更重要的是，它代表着动物进化树上早期分支的刺胞动物，有助于揭示再生能力的古老起源。本研究旨在通过系统比较海葵胚胎发育和头部再生两个过程中的全基因组转录动态和基因调控网络，来揭示再生的核心逻辑。

这项研究发表在《Nature Communications》杂志上。

研究人员综合运用了多种关键技术方法来揭示再生的奥秘。他们利用了已有的以及新生成的深度转录组测序（RNAseq）时间序列数据，涵盖了海葵胚胎发育的29个时间点和头部再生的16个时间点。通过主成分分析（PCA）和模糊c均值聚类（fuzzy c-means clustering）等生物信息学方法，他们构建并比较了胚胎和再生过程中的基因共表达模块。功能研究则主要依赖药理学方法，使用特异性抑制剂（Z-VAD抑制凋亡、U0126抑制MEK/ERK、iCRT14抑制cWnt信号）在再生的不同时间窗口处理动物，以评估这些通路的功能。此外，研究还结合了整体原位杂交（Whole mount in situ hybridization）来观察基因的空间表达模式，以及免疫荧光染色、TUNEL染色（检测凋亡）、EdU标记（检测细胞增殖）等技术来表征细胞事件。他们还创建了β-连环蛋白（β-catenin）与mCherry报告基因的转基因敲入品系，以可视化Wnt信号的激活。

再生是胚胎发育的部分重演

对转录组数据的分析表明，与胚胎发育相比，再生过程中的基因表达变化相对“温和”。胚胎发育中有15,610个基因动态表达，而再生中只有1,254个，不足前者的十分之一。这表明再生以一种更“经济”的方式，动用更少的基因资源，完成了身体结构的重建。更重要的是，再生中动态表达的基因绝大多数（1,131个）也在胚胎发育中动态表达，只有123个基因是“再生特异性”的，即在再生过程中才被显著激活。这初步证实了再生部分重用了胚胎的基因工具箱。

胚胎基因模块在再生中被部分重新部署

研究人员进一步分析了基因是如何协同工作的，即它们如何组成共表达模块（可以理解为功能相关的基因群）。他们发现，大多数再生基因模块与一个或多个胚胎基因模块存在显著重叠，这些“保守模块”通常富集了细胞增殖等基础生命过程的基因。然而，也发现了两个再生特异性模块（如R6），它们与任何胚胎模块重叠度都很低，并且富集了与凋亡（apoptosis）和发育信号通路相关的基因。这说明，再生不仅重用了胚胎的“工具”，还对这些工具进行了“重新布线”，形成了再生特有的协作模式。

损伤诱导的再生激活了凋亡、pERK和cWnt

功能实验聚焦于三个在发育中至关重要的信号通路：MEK/ERK、cWnt和细胞凋亡。研究发现，在切断头部后，MEK/ERK信号通路最早被激活（1小时后），随后是凋亡信号的爆发（1.5小时后出现第一波），而cWnt信号通路则在伤口愈合完成后（约12-24小时后）才被激活。这些通路在再生过程中展现出独特的时空激活模式，提示它们可能在再生的不同阶段扮演不同角色。

再生需要凋亡、MEK/ERK和cWnt

药理学抑制实验证实了这些通路的重要性。抑制MEK/ERK（U0126处理）会最早最严重地阻断再生，动物停滞在非常早期的阶段（阶段0.5），无法形成关键的组织接触（Tissue Contact, TC）。抑制凋亡（Z-VAD处理）则阻止了再生的进展，动物停滞在阶段1，并且后期的细胞增殖受损。抑制cWnt信号（iCRT14处理）的动物能够进展到阶段2（开始形态发生），但无法形成咽部和触手，再生失败。有趣的是，凋亡抑制不影响胚胎正常发育，表明凋亡在海葵中是再生特异性的过程。

MEK/ERK信号是损伤诱导凋亡和cWnt激活所必需的

为了理清这些通路之间的关系，研究人员在再生早期（20小时）抑制一条通路，并观察对其他通路的影响。结果发现，抑制MEK/ERK会同时导致凋亡信号（TUNEL染色）和cWnt信号（β-catenin核转位）的消失。而抑制凋亡或cWnt，对MEK/ERK的激活影响较小，但两者之间似乎存在相互抑制的关系。这表明MEK/ERK信号位于凋亡和cWnt信号的上游，是启动再生程序的关键“总开关”。

MEK/ERK、cWnt和凋亡具有 largely distinct 的下游靶标

通过对抑制剂处理后的动物进行转录组测序，他们发现这三个通路调控的基因集合重叠很小。MEK/ERK抑制影响了大量基因的表达，其中包含许多已知的胚胎MEK/ERK和cWnt下游靶标，以及再生特异性基因。而凋亡和cWnt抑制所影响的基因集则相对特异，且与MEK/ERK的靶标重叠有限。这说明尽管MEK/ERK是上游调控者，但三条通路在再生中主要通过调控不同的基因集合来并行发挥作用，共同推动再生进程。

MEK/ERK调控“胚胎性”和“再生特异性”基因

进一步的验证实验表明，MEK/ERK信号在再生早期（20小时）确实控制着一系列关键基因的表达。这些基因既包括在胚胎发育中已知的MEK/ERK和cWnt通路下游靶标（如sprouty, twist, foxB等），也包括新鉴定出的再生特异性基因（如bax, carm1等）。通过RT-qPCR和原位杂交证实，抑制MEK/ERK后，这些基因在再生伤口处的表达显著下降。这勾勒出一幅MEK/ERK依赖的再生起始阶段GRN蓝图：MEK/ERK信号同时调控了部分胚胎发育网络模块和再生特异性元件，将它们整合起来启动再生。

讨论与结论

本研究通过整合比较转录组学和功能分析，清晰地表明全身再生并非简单重演胚胎发育。它部分重用了胚胎的基因调控模块，但更重要的是，它对这些模块进行了“重新布线”，并融入了再生特异性元件（如特定的凋亡波次和基因），从而形成了一套独特的、适应于损伤后修复的GRN逻辑。MEK/ERK信号在再生起始阶段扮演了核心角色，它位于凋亡和cWnt信号的上游，协调了再生的早期事件。这种网络逻辑的重构，可能反映了再生需要在一个已分化的、复杂的环境中启动程序，这与在相对“空白”的胚胎中从头构建身体所面临的任务不同。

该研究不仅深化了我们对海葵再生机制的理解，更重要的是为在分子和网络水平上比较不同物种的再生策略提供了框架。研究所鉴定出的再生特异性基因和增强子元件，未来可能为在再生能力有限的动物（包括人类）中探索激活再生潜能的策略提供线索。最终，理解再生的核心规则，将有助于我们回答为什么有些动物能完美再生，而有些却不能这一根本性科学问题。