涡虫的再生能力在科学研究的进展

涡虫的再生能力在科学研究的进展生命科技学院学院：生命科技学院班级:生物科学131班姓名：鲁娟学号：20130724127【摘要】：一种名叫“涡虫”的扁形虫即使被切成百段，一两周后每段都会再生出完整的涡虫。涡虫这种超强再生能力一直是科学家感兴趣的研究课题。德国科学家最近发现了一种对涡虫的再生能力有关键调节作用的蛋白质。他们希望这一发现有助于人类干细胞研究。关键字：涡虫再生能力干细胞对于大多数扁形虫来说，将它切成两半，就会得到两条扁形虫。前面的一半将会长出一条新尾巴，后面的一半将会长出一个新头——并且有着功能齐全的大脑。不过，一些种类的蠕虫却缺乏这种能力，至少在其需要重新长头的时候是这样。现在，三个团队的研究人员不仅着重研究了这一局限性背后的生物学原因，还成功地通过操纵一个单独的基因通路，恢复了这种蠕虫的全部重生能力。涡虫另一个非常典型的特征是其依赖食物供应情况进行生长和退行生长(de-growth)。当食物丰富时,涡虫生长达到其最大体长。而当长时间饥饿时,虫体开始萎缩。持续饥饿数月后,一条长20mm的成年涡虫萎缩到孵化时的大小(约1mm)。一旦获得食物供应后,虫体恢复生长,这也是一种再生方式。许多研究者认为:退行生长导致老龄化过程逆转,使涡虫获得新的生命力。人们一直希望残体再生、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。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，甚至整个大脑并且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？……这些问题吸引着一代又一代科学家的兴趣。一、涡虫生理特性介绍这种蠕虫被称为真涡虫，通常约1厘米长，生活在像溪流和池塘等淡水生态系统中的岩石下面。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。1、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。2、涡虫具有发达的腹神经索，与“脑”共同形成了原始的中枢神经系统。涡虫消化系统是有口无肛门，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。3、涡虫的感觉器官和神经系统一般比较发达，他能对外界环境如水流、光线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。二、涡虫再生能力的研究通过科学的研究表明，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。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。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。三、涡虫中枢神经系统再生研究进展涡虫是头部集中化(原始大脑)的最低等动物之一,其中枢神经系统由一对脑神经节和一对纵贯身体全长的腹神经索组成。大脑呈倒U型,两侧各有9根分支,一对眼点位于背面第3分支内侧,第6～9根分支聚集在一起在体表形成耳突(耳突是涡虫的感觉器官)。涡虫头部被切去后,三天就能够重新形成眼点,一星期再生出新的头部。因此,涡虫是研究中枢神经系统再生的良好模型。近年来,涡虫中枢神经系统再生的分子机制受到广泛关注。研究人员发现脑因子同源基因特异地在涡虫头部顶端中间线表达,如将该区域移植到侧部,则诱导侧部再生出一个完整头部。Cebria等发现一个新的nou-darake(日本语:无处不在的大脑)基因可能与涡虫头部再生有关。如将该基因敲除,则诱导涡虫躯干部形成异位大脑和眼点。这项研究表明:nou-darake基因的功能可能是将脑激活因子局限在头部区域,阻止其向躯体后端扩散。最近,Kobayashi等报道Wnt信号分子对涡虫再生中前后轴的重新确立起关键作用。Reddien等则采用大规模RNA干涉技术对涡虫(Schmidteamediterranea)中1065个基因进行筛查,发现很多基因与中枢神经系统再生有关,这些基因的分子特征及作用机制尚待进一步探究。总之,研究涡虫神经的再生和眼形成的分子机制,有望开发出治疗人类相关疾病的药物。四、涡虫干细胞的形态特征、分子标志和分化调控干细胞是涡虫体内唯一的具有增殖分裂活性的细胞,并且能够产生各种类型的分化细胞,包括生殖细胞和神经细胞。因此,涡虫是研究体内干细胞分化调控的良好模型。虽然人们对涡虫干细胞的研究已有100多年的历史,但是,目前对涡虫干细胞的认识仍然很肤浅。早期研究表明,涡虫干细胞分布在间质组织中,呈卵圆形,体积小(约10μm),核质比很大,少量的细胞质中含有许多游离核糖体,几乎不含其他细胞器。这些特征与未分化细胞很相似。其中最独特的形态学特征是电镜下细胞质中存在异染体(chromatoidbody)。异染体呈圆形,中等电子密度,没有膜围绕,靠近核膜,故推测可能来自细胞核。其他研究显示异染体对RNA酶具有亲和性,并且在放线菌素D处理后崩解。这些研究结果表明:异染体可能是RNA和蛋白质复合体。异染体的这些特征类似线虫、果蝇、爪蟾等生殖细胞中的生殖质。近年来,由于分子生物学技术在涡虫研究中的应用,研究人员发现了一些在涡虫干细胞中特异表达的基因,其中最重要的是vas(生殖细胞发生相关基因,首先在果蝇中发现)同源基因DjvlgA(三角涡虫中的vas同源基因)。VAS蛋白是一个具有DEAE-box结构域的RNA解旋酶,在生殖细胞中特异性表达,被认为是生殖质的主要成分,在生殖细胞的分化调控中起关键作用。原位杂交显示,DjvlgA阳性细胞分布在间质组织中,体积小、核质比大。此外,在X-射线处理的动物体内,DjvlgA阳性细胞数量急剧减少。这些研究表明,DjvlgA阳性细胞在无性涡虫个体内很可能是干细胞。此外,针对干细胞是涡虫体内唯一的具有增殖能力细胞这一关键特征,两个S-期特异性基因,DjPCNA和DjMCM2作为干细胞的标志也分别被克隆。DjMCM2编码产物是DNA复制执照因子,而PCNA是DNA聚合酶δ亚基的辅助蛋白,作为反映细胞增殖能力的指标在研究中广泛采用。尤其是近两年,许多与果蝇生殖系干细胞分化相关基因(如pumilio,piwi,bruno,和nanos等)的同源物四、涡虫研究的优点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，与其他用于再生研究的模式生物相比，涡虫的再生能力强、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，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。第三，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。五、小结涡虫作为研究细胞生物学、发育生物学和神经生物学的模式动物已有200多年的历史。而现代原位杂交技术、RNA干扰技术、DNA芯片技术、流式细胞仪分选技术等先进研究手段在涡虫研究中的应用,以及涡虫基因组学、蛋白质组学研究的开展,使涡虫这一古老的模式生物重新焕发新的生命力。研究发现,涡虫的许多基因与高等动物中相关基因的同源性很高。因此,对低等无脊椎动物涡虫再生机理的研究,有助于阐明高等动物细胞分化调控及神经再生的分子机制,也可为人类相关疾病的治疗和干细胞应用提供有价值的线索。参与研究的科学家说，这相当于发现了影响涡虫干细胞分裂的“总开关”，这一发现可能有助于人们深入了解组织缺损修复的机理。由于涡虫细胞中四分之三的基因与人类基因相似，科学家还希望他们的研究成果有助于人类干细胞研究。字数：4363