为何人类不能像壁虎一样断肢再生科学家从肺

本文参加百家号#科学了不起#系列征文赛。对于大多数脊椎动物来说，当它们失去其中一个肢体后，是不可能再重新长出一个完好的肢体的。但自然界中也存在少数幸运的物种，比如我们最熟悉的壁虎，还有蝾螈和蝌蚪，它们都有能力完全再生复杂的身体部位。了解这些脊椎动物断肢再生的分子机制，可能是开发新型再生医学的关键，使科学家们有可能找到治愈人类损伤的脊柱和其他严重受损组织的方法。最近，来自芝加哥大学和联邦大学帕拉分校的研究人员，在英国《皇家学会学报B刊》上发表的一项新的研究，首次探索了西非肺鱼尾巴的这种再生能力，并发现这个过程与蝾螈的尾巴再生有许多相同的特征。研究结果表明，肺鱼的这种再生能力，也可能存在于它们和蝾螈的共同祖先身上，这为更好地理解肢体再生机制提供了一个新的机会。有人提出了这么一个问题，如果肺鱼和蝾螈的共同祖先有再生能力，而由这个共同祖先进化而来的其他动物，它们的再生能力为何会丢失了？更进一步来思考，人类和肺鱼也有共同祖先，这个共同祖先是否也有再生能力？如果有，在人类这一进化分支上，为什么会丢失了再生能力？在完成进化生物学的博士后研究后，研究论文的第一作者伊戈尔·施耐德博士（IgorSchneider,Ph.D.）接受了巴西贝伦的一个教师职位，在那里他专注于探究亚马逊雨林的多样性。他开始对探索新动物模型的进化特征感兴趣，并最终将注意力集中在再生生物学上。他开始探索肺鱼的再生机制，首先是在南美物种中，然后是在西非肺鱼。“当我们谈论蝾螈如何重新长出失去的尾巴时，我们谈论的是各种组织的再生，”施耐德博士说，脊椎，脊髓，肌肉，这是一个非常复杂的结构。哺乳动物、鸟类和大多数爬行动物不能再生出那样的组织，但蝾螈可以。我们知道这是如何发生的一些生物学知识，但我们不太了解它是如何进化的，或者何时进化的。我们的祖先有能力再生失去的肢体吗？我们是在进化的过程中失去了这种能力，还是蝾螈在后来获得了这种能力？回答这个问题的一个方法是确定人类和蝾螈的共同祖先中是否存在这种特征。为了做到这一点，研究人员采用了系统发育的方法，寻找其他具有类似再生特性的亲属。而肺鱼的独特之处在于，它们是“我们人类最亲近的鱼类表亲，”施耐德说，它们可以再生尾巴。这让我们可以探索这种再生能力是否也可能存在于我们共同的祖先身上，而无需深入到我们的系统进化树中。肺鱼是一种理想的模式，原因不止一个。“通过这种动物，我们可以更容易研究这个问题，而且在实验室里也很容易管理，”内尔舒宾博士说，他是内尔·R·本斯利杰出的组织生物学和解剖学服务教授。肺鱼与人类的关系比斑马鱼等其他具有再生能力的普通物种更为密切。例如，肺鱼的鳍上有一个肱骨，就像我们上臂的骨头一样。他们的肺和我们的差不多。有一系列特征表明，这些动物比斑马鱼与我们的关系更为密切。美西钝口螈研究人员最初面临的挑战是从头开始把肺鱼建立为一个模型，学习如何在实验室环境中研究这种鱼，取样组织并获得DNA测序数据，以更清楚地了解这种动物的遗传学，并在一个全新的物种中测试新的抗体和技术。他们发现西非肺鱼不仅能够完全再生失去的尾巴，而且这种再生利用了与两栖动物肢体再生相似的分子机制。这包括一个重要的信号分子，Shh，它在胚胎发育期间大脑和身体的生长和组织中起着关键作用。这为这种类型的再生存在于这些物种和人类的共同祖先中的假说提供了支持。但也许比再生过程中的相似之处更有趣的是它们之间的差异。”“我发现特别有趣的是肺鱼特有的尾巴再生的一些方面，”施耐德说这些动物以拥有40倍于人类的巨大基因组而闻名，因为它们的基因组中含有大量像病毒一样衍生的DNA元素，称为跳跃基因。在再生过程中，有些基因会启动，但我们不知道是因为它们与这个过程中的其他关键基因很接近，还是因为这些基因积极参与再生。在两栖动物的再生过程中也发现了一些这样的现象，因此这就引出了一个问题：这些跳跃基因是否在再生过程中起到了特殊的作用。研究人员说，这种新的动物模型除了能提供关于这种特性的进化起源的见解外，还将有助于进一步拓展再生医学领域。施耐德说：“通常情况下，当你有有限的模型时，你会试图很好地理解一个给定物种的过程，然后将你所学到的东西外推到其他物种身上。”但是你可能会遇到一些你正在研究的物种所特有的东西，这些东西并不总是适用于其他动物。以比较的方式理解再生等现象，观察其他生物是如何做到这一点的，可以帮助我们找到再生的一般主题。进一步阐明肺鱼和其他物种肢体再生的进化，以及它们的潜在机制，可能会发现治疗严重创伤、脊髓损伤和截肢的新方法。“最终，我们试图了解这些物种用来进行再生过程的祖先工具箱，”内尔舒宾博士，这将有助于我们弄清楚我们作为人类在遗传和细胞水平上丢失了哪些部分，更重要的是，我们可以重建哪些部分？

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