涡虫：具有再生能力的模式生物

　　《西游记》里的孙悟空真是厉害，头砍掉了立马又冒出一个来。其实，有一类叫涡虫的动物，跟孙大圣的本领也不相上下——头切掉能新长个头出来，尾巴切掉重新长尾巴，就算将它粉身碎骨成279块，每一块都还能长出完整个体。

　　涡虫之所以具有如此强大的再生能力，主要原因是其体内有一种类似于人类干细胞的细胞，而且这种细胞占涡虫细胞总数的25%。涡虫具有几乎无限的再生能力，在未受损伤的情况下，它能保持自己身体健康而不会死亡。这使得它成为科学家开展再生研究的一个非常难得的模型。

　　近年来，一系列涡虫相关的研究工具被陆续开发出来，同时国际上多个顶级科研单位均建立了以涡虫为模式生物的实验室。相关成果也已登上《自然》、《科学》等国际权威杂志。中国科学家也已从涡虫中发现了近50个参与到再生过程中的基因。

　　残体再生、长生不老，是人类自远古以来的愿望。或许找到这一门径的钥匙，就在涡虫身上。

惊人无限的再生能力

　　涡虫能在一周内，重新长出切割掉的肌肉、皮肤、肠道、生殖系统，甚至整个大脑。而在适宜的生长条件下且未受到损伤的情况下，它能一直保持自身健康而不会死亡。

　　涡虫是涡虫纲动物的总称，是扁形动物门中营自由生活（不需要寄生在其它生物体内）的一类。它的进化地位并不怎么高级，介于水螅（腔肠动物门）和蚯蚓（环节动物门）之间。

　　涡虫的体表一般具有纤毛，并有典型的皮肤肌肉囊，以强化运动机能，表皮中的杆状体有利于捕食和防御敌害。

　　它的感觉器官和神经系统一般比较发达，能对外界环境如光线、水流及食物等迅速发生反应。感觉器官包括眼、耳突等等。自由生活涡虫的体表特别是耳突处分布有丰富的触觉感受器、化学感受器及水流感受器，它们分别感受触觉、化学及水流的刺激。

　　涡虫具有2条发达的腹神经索，与“脑”形成了原始的中枢神经系统。涡虫类具有消化系统，有口无肛门，三角涡虫消化管分为3支（一支向前2支向后）。涡虫通过体表从水中获得氧，并将二氧化碳排至水中。原始的排泄系统为具焰细胞的原肾管系统，具有渗透调节和排泄作用。生殖方式上，涡虫是雌雄同体，异体交配。

　　最令科学家惊奇的是，这种广泛生活在洁净水质的池塘和溪流中的扁形动物门生物具有近于无限的再生能力，再生过程也非常迅速——涡虫能在一周内，重新长出切割掉的肌肉、皮肤、肠道、生殖系统，甚至整个大脑。而在适宜的生长条件下且未受到损伤的情况下，它能一直保持自己身体健康而不会死亡——这简直就是传说中的长生不老。

　　涡虫具备这种超级再生能力的主要原因是其体内有一种类似于人类干细胞的细胞。这种细胞占涡虫细胞总数的25%，一旦涡虫受到损伤，这些细胞可以增殖，进而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。

　　这种惊人的再生能力，使涡虫成为再生医学研究模式生物的不二之选。

　　物种间最基本的生物学过程都是高度保守的。由于进化的原因，细胞生命在发育的基本模式方面具有相当大的同一性，所以利用位于生物复杂性阶梯较低级位置上的物种来研究发育共通规律是可能的。因为对这些生物的研究具有帮助我们理解生命世界一般规律的意义，所以它们被称为“模式生物”。在遗传与发育生物学常见的模式生物有线虫、果蝇、非洲爪蟾、蝾螈、小鼠等。

　　因此，在实验室里，模式生物通常代替人类接受疾病机理、药物筛选等一系列实验和研究。正是得益于对不同生物的研究，才使得人类在生物和医学领域不断取得新的突破。

　　人们最为耳熟能详的模式生物莫过于小白鼠。小鼠来源于野生鼷鼠，从17世纪开始用于解剖学研究及动物实验，经长期人工饲养选择培育，已育成多达千余个独立的远交群和近交系。由于小鼠繁殖快，饲养管理费用低，并且遗传物质与人类具有高度的保守性，所以成为生物医学研究中广泛使用的模式生物，也是当今世界上研究最详尽的哺乳类实验动物。目前全世界每天约有2500万只小鼠被用于生物医学研究。迄今为止，至少有30项诺贝尔生理学或医学奖颁发给了以小鼠作为模式生物研究的科学家。

　　从生命科学发展历史来看，重大生物学现象和规律的发现都是从选择一种合适的模式生物开始的，早在150多年前，在奥地利布隆城的一所修道院中，孟德尔开始了他的豌豆杂交试验，在苦心经营8年之后，孟德尔发表了他的研究论文，并提出了遗传学中两个至关重要的遗传定律——分离定律和自由组合定律，现在统称为孟德尔定律。除了夜以继日的努力工作以及天才般的思考方式，孟德尔获得成功的一个极其重要的因素是他选择了合适的模式生物——豌豆。

　　在豌豆实验之后，遗传学中另一位举足轻重的科学家摩尔根选择了黑腹果蝇作为模式生物进行研究。他不仅仅发现了染色体在遗传中的作用，更重要的是创造了果蝇这一优秀的遗传学模式生物。摩尔根与其弟子米勒均因果蝇遗传学研究获得了诺贝尔奖。

　　实际上，早在19世纪末，摩尔根在专注于果蝇研究之前，涡虫就进入了他的视野。他之所以对涡虫感兴趣，就是因为它具有极其强大的再生能力。

　　生物体的整体或器官因创伤而发生部分丢失，在剩余部分的基础上又生长出与丢失部分在形态和功能上相同的结构，这一系列复杂的生物学过程称为再生。

　　在再生的研究历史上有着各种各样的模式生物，水螅、海星、蜗牛以及蜥蜴、娃娃鱼等都具有一定的再生能力，然而在涡虫面前，这些模式生物的再生能力只能用“小巫见大巫”来形容——摩尔根发现将涡虫切割到身体大小的279分之一时，涡虫仍具有再生能力，可以重新再生出一个完整的个体。这种超强的再生能力在自然界是无与伦比的。

　　在细致的研究的基础上，摩尔根发表了数十篇论文介绍涡虫的再生现象。但是由于技术手段的限制，涡虫再生机制的研究进展非常缓慢。近年来随着涡虫整体原位杂交技术和RNAi敲低基因技术的出现，及地中海涡虫基因组测序的完成，使得涡虫再生机制的研究走向具体化和系统化。

　　如今，科学家们则迫切地希望通过分析涡虫替换衰老的或者受损的组织和细胞的能力，来帮助理解再生和长寿的奥秘。相信在全球众多科研工作者的共同努力下，人类必能解开涡虫再生的秘密，进一步对人体组织甚至器官的再生提供指导作用。而涡虫也有可能在诺贝尔奖牌榜上留名。

研究组织再生的理想模型

　　涡虫具备超级再生能力的主要原因，是其体内有一种类似于人类干细胞的细胞。而在人类体内虽然也存在着干细胞，却没有办法像涡虫一样再生出受伤、缺失的器官。这就是涡虫的再生能力吸引无数生物学家注意的主要原因。

　　近十几年，干细胞研究迅速崛起，再生医学研究不断升温，成为当今生物和医学领域的热点和前沿。科学家发现，在人类体内也存在着干细胞，然而却没有办法像涡虫一样再生出受伤、缺失的器官。

　　由于已有模式生物普遍缺乏比较强大的再生能力，发展新的用于研究干细胞调控机制及再生机理的模式生物就成为迫切需求，于是淡水涡虫再次吸引了科学家的注意。科研人员希望利用涡虫这种相对简单的动物作为一把“钥匙”，试图打开人类干细胞宝库的大门，调动人体内的干细胞资源，为人类健康事业作一份贡献。

　　过去一个世纪，涡虫的再生能力尽管吸引了无数生物学家的注意，但是由于分子生物学和细胞生物学工具的缺乏，学术界对其再生的机理知之甚少。10年前，美国卡耐基研究所的桑切斯及其同事成功建立了淡水涡虫的一种——地中海涡虫的单克隆品系，结合当时发现的dsRNA介导的基因沉默技术，使得涡虫领域重新焕发生机。

　　就在这十年间，国际上多个顶级科研单位均建立了以涡虫为模式生物的科研实验室，例如美国Stowers研究所、Whitehead研究所、伊利诺伊大学香槟分校等。日本、英国、德国、印度等国家研究组也开展了涡虫的再生研究。中国国内则有中科院上海生科院健康所、清华大学、郑州大学、山东理工大学等多个院所，也都开始开展与涡虫相关的研究。

　　近年来，一系列涡虫相关的研究工具被陆续开发出来：例如转录组、基因组测序工作的陆续开展，生物信息学平台不断完善，为涡虫作为模式生物奠定了基础；双链RNA介导的基因沉默方法可以敲低涡虫中任何一个基因来探索缺失这些基因后对组织再生过程的影响；免疫荧光、原位杂交等技术则可以用来将涡虫成体干细胞与其它终末分化细胞在体内进行区分；而流式细胞分选技术则可以将涡虫成体干细胞纯化出来进行体外的研究。借助这些工具，以涡虫为模型研究再生的机制在短短的十年间取得了令人瞩目的进展。

　　作为科学研究的模式动物，除了具有超强的再生能力，涡虫还具有许多其他模式生物难以望其项背的优点。

　　首先，相对于其他用于再生研究的模式生物，涡虫再生能力强、周期短。实验室使用的涡虫大小在0.5~2厘米之间，即使最小的涡虫切成3段仍可以完成再生。通常，从切割到再生完成只需要一个星期左右，这大大缩短了实验周期，可以在短时间内得到实验结果，为科研工作者节省了大量的等待时间。

　　第二，实验室用涡虫容易大规模饲养繁殖。实验使用的涡虫通常饲养在塑料饭盒内，一个1L的塑料饭盒可以饲养大约100~200只涡虫，而一个2平方米的饲养架大约可以饲养200缸涡虫。这就允许科研人员即使在有限的空间里也可以有足够多的涡虫供实验使用，方便进行大规模的筛选试验，从大量功能未知的基因中寻找原创性的、新颖的影响涡虫再生的基因。

　　第三，涡虫中被称为Neoblast的成体干细胞数量丰富。据文献报道，有增殖能力的干细胞占到涡虫虫体细胞的25%。由于这些干细胞的数目庞大，研究过程中容易利用生物化学的方法进行显示，并且这个基数上的变化（比如干细胞类群数目增加或减少）比较容易观察、统计，这对于科学研究提供了极大的便利。

　　第四，涡虫是最简单的具有三胚层分化的模式生物，其大部分基因和高等生物高度保守，并且具有较低的冗余性。科学研究表明，涡虫的基因超过80%和人类同源，涡虫干细胞在损伤后早期的反应与人类等高等生物，也有惊人的相似。在涡虫中发现的再生机制，极有可能与高等生物中的机制是相似的，理解这些基因的功能有利于理解高等生物成体干细胞在再生中的调节方式，进而指导科研人员操作高等生物中的干细胞。

　　最后，目前涡虫系统的分子生物学手段比较健全，已具备特异的分子标志便于科研人员识别鉴定，遗传操作简单，研究基因表达和功能的方法技术日趋完善，这些特点都允许科研人员方便地进行在体的多能性研究，减少对离体的细胞培养系统的依赖。

　　科研人员研究再生使用的涡虫属于涡虫纲中三肠目。目前使用的涡虫主要有两种，分别是欧美国家普遍使用的地中海涡虫和东亚三角涡虫。

　　养在实验室里的涡虫，还挺娇贵——它要住在常年恒温的涡虫房中，水温保持17~21度之间；它所用的水，必须用无菌的纯水配制成含有一定浓度的钠钾钙镁等离子的盐溶液；它的食物更是美味考究，每天喂食的是匀浆过的新鲜小牛肝，或煮熟的鸡蛋蛋黄和摇蚊幼虫。

20年间令人瞩目的研究进展

　　涡虫真的是完全地再生吗？再生出来的组织和原来的组织完全一样吗？在再生过程中它怎么知道哪个地方要长头，哪个地方要长尾巴？这么强的再生能力，难道再生中不会出错吗？它会长肿瘤吗？人能不能像涡虫那样再生呢？……如此多的疑问，使全球科学家们的兴趣不断发酵，并直接推动了涡虫再生相关研究的飞速发展。

　　科学研究表明，涡虫的基因超过80%和人类同源，涡虫干细胞在损伤后早期的反应与人类等高等生物，也有惊人的相似。近年来，越来越多的基因及信号通路被发现在组织再生中具有重要的功能，科学家正在尝试操纵高等生物中类似的基因来研究其是否同样具有相似的功能。理解涡虫基因如何协作调控再生，或许将有利于我们寻找人体器官再生、延缓衰老过程的方法。

　　涡虫再生的秘密在于它体内存在一群丰富的干细胞，能够通过不断的自我复制，产生与自己类似的细胞，并且在需要的时候能变成其他任何类型的细胞。其实，人体也存在类似的细胞，但与涡虫不同的是，人类只有少数器官具有非常有限的修复能力，并且这种能力随着年龄的增加而削弱。科学家希望通过分析涡虫利用这些细胞修复衰老的或者受损的组织和细胞的能力，来寻找治疗因意外伤害而导致的身体缺陷或者老年性疾病的方法。

　　科学家的最终目标是想通过操作人类身体内源存在的干细胞，来修复受伤或者衰老的组织，进而解决许多长期困扰人类健康的难题——这样可能比外部注射干细胞要更安全、更有效。这些难题包括意外性组织损伤或缺失、神经退行性疾病、癌症，以及先天性疾病等。

　　为此，早在上世纪末，一群痴迷于再生的科学家，对涡虫进行了大量研究，直接推动了相关研究的飞速前进。

　　涡虫真的是完全地再生吗？再生出来的组织和原来的组织是完全的一样吗？在再生过程中它怎么知道哪个地方要长头，哪个地方要长尾巴？这么强的再生能力，难道再生中不会出错吗？它会长肿瘤吗？人能不能像涡虫那样再生呢？……

　　日本的Kiyokazu Agata教授，使用日本三角涡虫为模型，着眼于涡虫大脑的再生过程，并率先通过芯片和表达谱筛选的方法鉴定出了几十个在涡虫脑部特异性表达的基因。他首次发现，Nou-darake这个基因能够控制涡虫脑再生，敲低这个基因，涡虫会出现浑身长脑的表型。进一步研究发现，Nou-darake特异性地表达在涡虫的脑部，并且发现Nou-darake是通过抑制FGF信号通路来限制涡虫大脑只能长在涡虫的头部。这是首次、并且是迄今唯一一次，在国际权威杂志《自然》上发表的与涡虫相关的工作。

　　当然，Kiyokazu Agata教授对涡虫再生研究的贡献远远不止这些。他第一次发明了涡虫特异的流式细胞技术，专门用来分选涡虫的成体干细胞。还首次鉴定出涡虫神经系统中起重要作用的6种神经元及它们相应的分子标记。

　　与Kiyokazu Agata教授同一时期的Alejandro SánchezAlvarado教授，同样对涡虫再生的研究起着重要的推动作用。他推动的地中海涡虫全基因组测序项目，使得涡虫再生的研究更加系统化，并把涡虫再生研究带进了研究再生分子机制的新时代。

　　这位教授第一次将双链RNA喂食敲低基因的方法引入到涡虫领域，使得涡虫再生机制的研究进入了一个更深的层次。他首次大规模地筛选了1200多个在其它物种中高度保守的基因，发现其中243个基因对涡虫的再生或稳态的维持有重要的作用。这一结果无疑对后来再生机制的研究有重要的铺垫和提示作用。

　　此外，他还通过基因芯片技术，率先筛选出了一批干细胞特异表达并且对涡虫再生有重要作用的基因，并首次提出了涡虫成体干细胞谱系假说。他于2012年在国际著名杂志《科学》上发表文章，发现涡虫成体干细胞分裂过程中无中心体的形成，并且通过生物信息学的方法分析，发现中心体组分家族基因在涡虫中缺失。

　　PhilNewmark教授开展涡虫相关的研究稍晚一些，他的主要研究方向在涡虫生殖系统再生方面。他通过对有性和无性两种品系cDNA文库的比较，发现了一批在有性涡虫中特异表达的基因。他的发现对高等生物生殖系统发育调控有重要的指导作用。同时他们实验室的另一个方向是关注涡虫神经系统的发育，他们通过质谱分析的方法发现涡虫中存在许多神经肽，为后续使用涡虫研究神经退行性疾病作了很好的铺垫。

　　近些年在涡虫再生领域很活跃的另一位科学家PeterReddien教授,在涡虫再生研究中有不可磨灭的贡献，他发现了是什么让涡虫能够“头缺长头，尾缺生尾”，以及涡虫的成体干细胞中存在一类具有全能性的细胞，能够产生涡虫再生所需的所有类型的细胞。他还发现了调控涡虫眼睛再生的关键基因。他的工作多次发表在《科学》上。

　　中国科学家对涡虫的研究开始得比较早，但社会关注不足，进展不是很快。早期的工作主要还是集中在生物学的分类研究方面。近年来，中国科学院上海生命科学研究院/上海交通大学医学院健康科学研究所荆清研究员及清华大学吴畏教授等人率先在国内展开相关工作，并且已经有了一定的科研成果。

　　例如，荆清研究员的科研团队经过7年多努力，从一个培养皿中的十几只涡虫养起，到现在已经拥有一个现代化的涡虫房，培养了数万只涡虫。他们成功克隆并筛选了近千个基因，制备了十余个涡虫特异性抗体，自主设计并完成基因芯片，建立了染色质免疫沉淀等技术手段，逐步完善了实验体系。在此基础上，他们探索到了不少微小RNA信号通路和染色质调控因子在组织再生中的功能。

　　从2008年起，他们开始关注再生过程中调控基因在特定时间、位置表达的过程，这当时在世界上还少有人关注。组织器官的再生过程包括伤口愈合、细胞迁移、细胞增殖、细胞分化、细胞交流及形态建成等一系列复杂的生物学过程，再生得以正常进行需要细胞内的基因在受到损伤等刺激后，能够按照再生的需要在特定的时间和特定的位置表达。微小RNA在基因转录后水平的调控以及染色质调控因子在基因转录水平上的调控，这两点是调节基因表达的时间和空间的重要因素。

　　首先，荆清团队通过敲低微小RNA信号通路的重要蛋白来解析其在组织再生中的功能，揭示了微小RNA在成体干细胞增殖及再生过程中的重要作用。紧接着，他们对染色质调控因子在涡虫组织再生中的功能进行了探索，系统性地鉴定了涡虫再生相关的关键染色质因子。通过涡虫基因系列比对分析，他们鉴定了210个潜在的染色质蛋白编码基因，其中205个基因被成功克隆，而12个基因的敲低明显抑制了再生。

　　有趣的是，他们发现的许多再生基因在涡虫中的功能，与其在哺乳动物干细胞中的角色非常类似。通过整合筛选获得的结果，他们构建了一个涡虫成体干细胞内的表观调控网路，更重要的是，这些重要的染色质调节复合体都参与了哺乳动物干细胞的调控，这提示涡虫的成体干细胞使用了与高等哺乳动物干细胞高度保守的染色质调控机制，这些结果对于高等生物的干细胞研究有着借鉴意义。

链接 常见的模式生物

　　细数历年的诺贝尔生理学或医学奖，以线虫、果蝇、非洲爪蟾蜍和小鼠为模式生物的相关研究分别有3项、5项、13项和30项。这些模式生物对于人类理解生物和医学的基本规律做出了不可替代的贡献。

　　关于组织为何以及如何再生的问题，一直以来吸引着无数的生物学家、生物医学工程师以及临床医生。再生能力在同一生物的不同器官特别是不同生物之间存在着巨大的差异，不同的生物之间也利用不同的再生策略来完成再生过程。表一列举了目前生物学研究中常用的具有完全或部分再生能力的模式生物。(见下表)

　　在无脊椎动物中再生能力比较强大的动物有水螅和涡虫两种，其中水螅的再生实际上是其出芽生殖方式的一种。

　　目前脊椎动物再生研究比较集中于两类：斑马鱼及两栖动物（分为有尾目和无尾目）。斑马鱼的再生研究主要集中于两个方面：鱼鳍和心脏。当斑马鱼鱼鳍受伤时，伤口周围的上皮细胞可以迁移到伤口处，形成伤口上皮，随后未受伤组织细胞“无序化”，间充质内的细胞进行增值，经历12～48小时后最终形成一个芽基，随后芽基继续生长并进一步分化来重建缺失的组织。而斑马鱼心脏受伤后，普遍认为是启动了心肌细胞的去分化，随即这些去分化形成的前体细胞增殖分化来弥补受伤的部分。两栖动物中的再生现象比较普遍，有尾目中的动物像蜥蜴、蝾螈等，它们的尾巴、四肢受到损伤时可以类似于斑马鱼鱼鳍受伤一样首先形成伤口上皮、芽基，随后通过芽基内细胞的增殖分化来重建缺失的身体。无尾目的青蛙、蟾蜍的再生研究主要集中于蝌蚪形态时的尾巴和四肢，而机制也不尽相同。