當談到再生時，一些動物能夠獲得驚人的壯舉。如果切斷蠑螈的腿，它會重新長出來。當受到威脅時，一些壁虎會掉落它們的尾巴以分散它們的捕食者的注意力，只會在以後重新生長它們。
其他動物更進一步。蒼蠅蠕蟲，水母和海葵實際上可以在被切成兩半後再生。
在有機和進化生物學助理教授Mansi Srivastava的帶領下，一個研究小組正在揭示動物如何實現這一壯舉，同時揭示了許多似乎控制全身再生基因的DNA轉換。這項研究在3月15日的“科學”雜誌上發表。
使用三帶黑豹蠕蟲來測試這一過程，Srivastava和她實驗室工作的博士後研究員Andrew Gehrke發現，一段非編碼DNA控制著一種叫做早期生長反應或EGR的“主控制基因”的激活。一旦激活，EGR通過打開或關閉其他基因來控制許多其他過程。
“我們發現這個主基因來自[並激活]在再生期間開啟的基因，”Gehrke說。 “基本上，正在發生的事情是非編碼區域正在告訴編碼區域打開或關閉，所以考慮它的好方法就好像它們是交換機一樣。”
Gehrke說，為了使這個過程起作用，蠕蟲細胞中的DNA通常被緊密摺疊和壓實，必須改變，使新的區域可用於激活。
“基因組中許多非常緊密的部分實際上變得更加開放，”他說，“因為那裡有監管開關必須打開或關閉基因。因此，本文的一個重要發現是基因組非常動態，並且在再生過程中真正發生變化，因為不同的部分是打開和關閉的。
在Gehrke和Srivastava能夠理解蠕蟲基因組的動態特性之前，他們必須組裝它的序列 - 這本身並不是一件簡單的壯舉。
“這是本文的重要部分，”斯里瓦斯塔瓦說。 “我們正在釋放這個物種的基因組，這很重要，因為它是這個門的第一個。到目前為止，還沒有完整的基因組序列。“
她補充說，這也是值得注意的，因為這種三帶黑豹代表了一種用於研究再生的新模型系統。
“以前關於其他物種的研究有助於我們學習很多有關再生的知識，”她說。 “但是有一些理由可以使用這些新蠕蟲。”首先，它們處於一個重要的系統發育位置。 “所以他們與其他動物有關的方式......讓我們能夠對進化做出陳述。”她說，另一個原因是，“他們真的是很棒的實驗室老鼠。幾年前我在博士後期間在百慕大的現場收集它們，自從我們將它們帶入實驗室後，它們可以使用比其他系統更多的工具。“
雖然這些工具可以在再生過程中展示基因組的動態性質 - 但Gehrke能夠確定多達18,000個變化的區域 - 重要的是，Srivastava說，他能夠通過研究它們獲得多少意義。她說，結果表明，EGR就像一個電源開關，用於再生 - 一旦開啟，其他過程就可以發生，但沒有它，沒有任何反應。
“我們能夠降低這種基因的活性，我們發現，如果你沒有EGR，就什麼都不會發生，”斯里瓦斯塔瓦說。 “動物不能再生。所有那些下游基因都不會打開，所以其他開關不起作用，整個房子基本上都是黑暗的。“
雖然該研究揭示了該過程如何在蠕蟲中發揮作用的新信息，但它也可能有助於解釋為什麼它不適用於人類。
“事實證明，EGR，主基因和其他正在下游打開和關閉的基因都存在於其他物種中，包括人類，”Gehrke說。
“我們在蠕蟲EGR中稱這種基因的原因是因為當你觀察其序列時，它與已經在人類和其他動物中研究過的基因相似，”斯里瓦斯塔瓦說。 “如果你在盤子裡放入人體細胞並對它們施加壓力，無論是機械還是你將毒素放在它們身上，它們都會馬上表達EGR。”
問題是，斯里瓦斯塔瓦說，“如果人類可以打開EGR，不僅打開它，而是在我們的細胞受傷時這樣做，為什麼我們不能再生？答案可能是如果EGR是電源開關，我們認為接線是不同的。在人體細胞中談論的EGR可能與它在三帶黑豹中所說的不同，安德魯在這項研究中所做的就是找到一種方法來獲得這種佈線。因此，我們想弄清楚這些連接是什麼，然後將其應用於其他動物，包括脊椎動物只能進行更有限的再生。“
展望未來，Srivastava和Gehrke表示，他們希望研究再生過程中激活的遺傳開關是否與開發過程中使用的相同，並繼續努力更好地了解基因組的動態性質。
“現在我們知道了用於再生的開關，我們正在研究開發中涉及的開關，以及它們是否相同，”Srivastava說。 “你剛剛重新開發，還是涉及不同的過程？”
該團隊還致力於了解EGR和其他基因激活再生過程的精確方式，包括三帶黑豹和其他物種。
最後，Srivastava和Gehrke說，該研究強調了不僅要了解基因組，還要了解所有基因組 - 非編碼以及編碼部分的價值。
“只有大約2％的基因組會產生類似蛋白質的東西，”Gehrke說。 “我們想知道：在全身再生過程中，其他98％的基因組是做什麼的？人們已經知道一段時間以來導致疾病的許多DNA變化都在非編碼區域......但是對於像全身再生這樣的過程卻一直未被充分認識。
“我認為我們只是觸及了表面，”他繼續道。 “我們已經研究過這些開關中的一些，但是基因組如何在更大範圍內進行交互還有另外一個方面，而不僅僅是如何打開和關閉碎片。所有這一切對於打開和關閉基因都很重要，所以我認為這種監管性質有多層次。“
“看看自然界是一個非常自然的問題，並且想一想，如果壁虎可以做到這一點，為什麼我不能？”斯里瓦斯塔瓦說。 “有許多物種可以再生，其他物種不能再生，但事實證明，如果你比較所有動物的基因組，我們所擁有的大部分基因也都存在於三帶黑豹......我們認為有些這些答案可能不是來自某些基因是否存在，而是來自它們如何連線或聯網，而答案只能來自基因組的非編碼部分。“
這項研究得到了哈佛大學米爾頓基金會，塞爾學者計劃，史密斯家庭基金會，國家科學基金會，海倫·艾倫尼基金會，人類前沿科學計劃，國立衛生研究院，生物醫學大學的資助。加州大學伯克利分校培訓項目，Marthella Foskett Brown生物科學教席和霍華德休斯醫學研究所。
出版物：Andrew R. Gehrke等人，“Acoel基因組揭示了全身再生的監管環境”，Science 15 Mar 2019：Vol。 363，Issue 6432，eaau6173; DOI：10.1126 / science.aau6173
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