转自：中国科学报

壁虎断尾重生、蝾螈肢体自愈、兔子耳朵戳个洞也能再长齐……而人类、小鼠这类哺乳动物受伤后，往往只能结疤愈合，无法“原装”再生。什么原因让高等哺乳动物丢失了这些“超能力”？这一直是生物学界的一大谜题。

最近，这个谜题的答案正被揭开一角——中国科学家在小鼠和兔子的耳朵上找到了关键线索。

6月27日，北京生命科学研究所/清华大学生物医学交叉研究院王伟实验室通过与北京华大生命科学研究院等单位合作，在《科学》杂志以长文形式发表题为《通过开启一个在进化中失活的基因开关来重新激活哺乳动物的再生能力》（“Reactivation of mammalian regeneration by turning on an evolutionarily disabled genetic switch”）的研究论文。该研究揭示，视黄酸信号通路的活性强弱是决定哺乳动物耳廓再生与否的“分子开关”。

为什么选中“耳廓”？

为揭开受损器官再生的奥秘，研究团队选取耳廓（即“外耳”）为研究模型。

为什么选中哺乳动物的耳廓作为研究对象？王伟告诉《中国科学报》，脊椎动物中具有极强再生能力的物种主要是低等动物（如鱼类及蝾螈），因为与哺乳动物之间存在巨大的系统发育距离，直接比较低等动物再生和哺乳动物损伤修复之间的区别难以发现关键的遗传变化。因此，团队必须找到更贴近的研究对象。

哺乳动物的耳廓，进入研究团队的视野。

王伟介绍道，耳廓是一个哺乳动物特有的、易于观察及操作的、具有再生多样性的器官，约于1.6亿年前在哺乳动物中进化产生。一般来说，外耳的主要作用是高效收集周围环境的声音并传递到内耳以加强声音来源方向判断的准确性、进而提高个体躲避捕食者的效率。

“‘耳廓损伤模型’是一种既简单又复杂的器官再生研究模型，它操作简便且易于观察，但同时拥有较为复杂的内部组织结构：包含了表皮、真皮、肌肉、软骨和外周神经等。”王伟说，此外，兔子和非洲刺毛鼠等可以进行耳廓再生，而小鼠和大鼠等无法再生损伤的耳廓。因此，对于这项研究而言，耳廓是理想的研究对象，可以用来阐明动物再生能力调控的基本原理。

小鼠耳廓为何不能再生？科学家找到关键基因

为仔细对比兔子（可再生）和小鼠（不可再生）的耳廓损伤响应，研究团队动用了生命科学前沿最先进的技术手段。

论文共同通讯作者、北京华大生命科学研究院研究员邓子卿介绍说，研究团队基于单细胞RNA测序和华大自主研发的时空组学技术Stereo-seq，描绘了可再生物种（兔子）与不可再生物种（小鼠和大鼠）耳廓损伤后再生/修复的高分辨率单细胞时空动态过程，并逐时、逐步观察伤口处每个细胞类型的变化和基因表达动态，以精确对比再生过程和普通愈合过程有何不同。

具体研究中，王伟介绍，研究团队首先从损伤组织的形态结构、细胞类型、基因表达等多个维度详细地比较了兔子（可再生）和小鼠（不可再生）在耳廓损伤后响应程序的异同。作者发现在损伤愈合的前期，兔子和小鼠损伤部位形成的组织结构和细胞类型高度相似，均存在一群损伤诱导产生的成纤维细胞（WIFs）。通过比较两个物种的WIFs在基因表达层面的差异，研究人员鉴定了9个潜在关键差异基因（在兔子WIFs高表达，小鼠WIFs不表达）。

随后，通过AAV介导的基因过表达策略，研究人员发现，过表达视黄酸的限速合成酶Aldh1a2可以完全逆转小鼠不能再生的表型。与此同时，直接通过外源补充视黄酸也可以使小鼠和大鼠重新获得再生能力。

“视黄酸诱导的再生可以完全恢复损伤后丢失的耳廓内部组织结构，包括软骨、外周神经等。”王伟说，这表明，小鼠耳廓再生失败与视黄酸合成不足有关。

据了解，视黄酸是维生素A的一种代谢产物，与细胞发育密切相关。王伟告诉《中国科学报》，小鼠视黄酸不足的主要原因是视黄酸合成限速酶Aldh1a2的表达不足，以及视黄酸本身的降解加速。

关键基因“开关”，在进化中丢失

那么问题来了，为什么小鼠的Aldh1a2基因表达会不足呢？

据王伟介绍，科研团队通过进化生物学比较发现，在兔子的基因组中，保留了负责调控Aldh1a2基因的一些关键DNA序列。这些调控序列被称为“增强子”，可以理解为基因表达的开关或加速器。研究人员在兔子Aldh1a2基因附近发现了6个活跃的增强子（AE1～AE6），其中有两个增强子（AE1和AE5）在耳廓受伤再生时会被强烈激活，相当于在兔子受伤后及时按下“开关”，大大提高了Aldh1a2的表达，在兔子伤口处源源不断地产生视黄酸，帮助组织再生。

小鼠就没那么好运了。研究团队在小鼠对应的基因区域仅找到了1个活性增强子（AE3），其它与再生相关的调控元件都已失活。

“换句话说，小鼠体内调控Aldh1a2基因的‘按钮’大都消失了，受伤后想要大幅度开启Aldh1a2基因表达非常困难。”王伟告诉记者，这一进化差异解释了为什么小鼠耳廓受伤后Aldh1a2“叫不醒”、视黄酸产量不升高，从而无法像兔子那样再生组织。

由此，研究团队得出结论，Aldh1a2基因表达不足导致的视黄酸合成不足，是高等哺乳动物小鼠耳廓再生失败的核心机制。据了解，这一发现属学界首次公开报道。

激活关键基因，小鼠耳廓再生

那么，如果人为按下这些丢失的“开关”，是否能让失去再生能力的动物恢复再生能力呢？

研究团队对此进行了探索。他们通过直接激活Aldh1a2基因或外源补充视黄酸，发现都可以使本不具备再生能力的成年小鼠耳廓伤口，出现了多能性细胞（成纤维细胞），从而重建了耳廓的软骨与神经组织。

“这意味着，小鼠耳朵的伤口不再只是简单结疤，而是实现了再生。”王伟说。

为了“固定证据”，研究团队还将兔子的增强子AE1导入小鼠的基因组，结果发现，受伤后的小鼠耳廓Aldh1a2基因表达显著提高，视黄酸增加，耳廓的再生能力也得到明显提升。王伟说，这表明，重新激活视黄酸信号可以使不能再生的小鼠重新获得再生能力。

王伟总结道，研究团队基于单细胞时空组技术以及跨物种进化比较，系统描绘了器官损伤后可再生物种（兔子）、不可再生物种（小鼠）的细胞组成变化以及基因表达的时空动态变化，揭示了高等哺乳动物器官再生能力丢失的机制。

“这项研究鉴定了领域内第一个参与哺乳动物再生能力演化的‘分子开关’。”王伟总结道，这项成果为深入理解进化过程中哺乳动物的再生能力丢失提供了新的见解，并为探索人类受损器官的重建与再生提供了重要靶标和理论依据。

据了解，这项工作获得了北京生命科学研究所伦理审查委员会和华大科技伦理委员会的批准，得到了国家重点研发计划项目的资助，前后历时近4年，由国内多个团队合作完成。北京生命科学研究所博士生林炜锋、贾小慧，北京华大生命科学研究院副研究员石小峰，西北农林科技大学副教授赫秋亚，北京华大生命科学研究院助理研究员张盼玉为论文共同第一作者。王伟、北京华大生命科学研究院研究员邓子卿和西北农林科技大学教授罗军为论文共同通讯作者。

相关论文信息：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adp0176