再生能力這件事上,人類真的太弱了

原創 Hazel 果殼

在超級英雄電 影裡,再生能力是一個強力技能點。不論受到什麼傷害,一會兒就能滿血復活繼續戰鬥。像賤賤的死侍,斷手斷腳、掏心挖肺都能再長出來。

斷手斷腳也能繼續長出來|Giphy

普通人當然也有一些再生能力,比如肝臟,一個健康的人即使捐贈出2/3的肝臟,剩下的那1/3也可以在幾個月之內再生,恢復到正常的大小。

但可惜的是,對人來說至關重要的心臟,卻不能再生。

我們的心臟由心肌細胞組成。這些細胞維持著心臟的跳動,它們一旦受損,心臟的功能就會被永久性地損傷,嚴重的情況下甚至會導致死亡。目前,心血管疾病是全世界死亡原因的首位;在中國,也有約3.3億人被心血管疾病困擾。

重要的心臟沒有再生能力,要是能讓心臟再生,可以拯救不少生命|Giphy

要是能讓心臟也獲得再生能力,也許能找到攻克心血管疾病的辦法。

為了揭開心臟再生能力的秘密,美國生物學家肯尼斯·波斯(Kenneth Poss)和他的團隊通過研究再生能力極強的斑馬魚,在它的大腦和腎臟中找到了警戒心臟創傷的哨兵。受損心臟利用激素通知大腦和腎臟中的哨兵,與遠端器官一起協同作戰,調控心臟再生,並協調這個過程里的各種生理變化,這一研究發表在《自然細胞生物學》上。

神奇的斑馬魚

器官再生的現象在自然界中並不罕見,比如水螅和渦蟲只需要保留非常小的一部分組織,就可以重新長出完整的身體,不過斑馬魚才是科學家研究再生能力的寵兒。

一對成年雌性斑馬魚|Azul

首先,斑馬魚有許多的重要的器官都可以再生,比如心臟、脊髓、魚鰭(對應人類的四肢),了解這些器官的再生過程,可以幫助人們更好地研究相關疾病,並開發治療方案。

作為脊椎動物,斑馬魚也擁有許多和哺乳動物相同的主要器官,因此研究者不僅能研究特定器官的再生能力,還能了解在再生的過程中,不同的器官是如何溝通、協作的。

再從進化的角度來看,斑馬魚和人類的相似度也並不算低,超過70%的人類基因在斑馬魚中都有所對應。所以,研究斑馬魚,可以很好地作為人類的參考。

跟人相近,又有強大的再生能力,斑馬魚拿來做研究最合適不過。

心臟是怎麼再生的?

成年人的心肌細胞沒有再生能力。當人類的心臟受損之後,會出現一些纖維化疤痕組織,影響心臟的跳動。

人的心臟受損時,腎臟也會出問題。腎臟是我們身體里的「血液過濾器」,它會把血液里多餘的水分和廢料過濾出來,形成尿液,同時調節我們身體的水鹽平衡、控制血壓。當心臟受損後,可能會導致腎臟血流不足、腎靜脈血壓升高、腎臟受損、甚至腎衰竭等一系列問題。

而斑馬魚的心臟再生能力就強多了,當它的心臟受到損傷後,剩下的心肌細胞會開始自我繁殖,重新長出損失的部分;與此同時,腎臟也能迅速進行自我調節,高效地進行液體交換。

從上至下分別是斑馬魚的大腦,心臟,腎臟|參考文獻[1]

人類心臟受損後,腎臟只能坐等災難降臨;而斑馬魚的心臟和腎臟已經高效聯通了,對它們來說,遠方的腎臟是怎麼得到心臟受損的消息,並及時應對的呢?

腎臟哨兵協同作戰

論文的研究者發現,當心臟受傷的時候,腎臟中的一個哨兵CEN,會喚醒它的應戰機制,來主動地控制液體平衡,以應對心臟受傷所造成的危害。

心臟:救救我…… |Giphy

這個哨兵CEN是一段DNA序列,學名叫做「組織再生增強子」(TREE,tissue regeneration enhancer elements)。

一個生物的每一個細胞里都有一樣的遺傳物質DNA,但為什麼同樣的基因,細胞表現出來的模樣和功能卻不同呢?

因為在不同情況下,細胞可以通過表達不同的基因,來行使不同的功能。「增強子」就是細胞控制基因表達的方式之一。增強子是一些特定的DNA序列,可以通過和蛋白質的結合來控制基因的表達。

當「增強子」開張迎客的時候,就可以和蛋白結合,促進基因的表達;而它們閉門歇業的時候,基因的表達量就會比較低。所以,組織再生增強子,就是一些控制組織再生過程的DNA序列,而CEN就是其中之一。

CEN開張迎客的時候,就可以和蛋白結合,促進基因的表達|Giphy

當心臟受傷時,CEN會張開懷抱迎接蛋白們的結合,從而直接和間接地控制許多基因的表達,激活並調動各種心臟細胞,達到心臟再生的目的。

不過和其它的組織再生增強子不同,在心臟再生的過程中,CEN的作用範圍並不局限於心臟——腎臟里的CEN也會打開。同時,體內的激素會到達腎臟,激活它們的受體,進而和開張的CEN結合,促進腎臟特定基因的表達,主動調節液體平衡,應對心臟受傷所帶來的危機。

沒了CEN,斑馬魚的心臟再生還能那麼順利嗎?

研究者們通過基因編輯的技術從斑馬魚的DNA里刪除了CEN的序列。它們發現,失去了這個哨兵的斑馬魚,依舊可以重新長出心臟,但是卻無法正常地調節液體交換了。這也許是因為心臟里還有其它的「哨兵」可以控制心肌細胞的再生,而在腎臟里,CEN的功能不可替代。

如果人類能更好地利用再生能力,人類的健康將提升一大步|Giphy

再生並不是受傷器官單獨在戰鬥,沒有受到直接傷害的器官也會做出反應,可謂牽一髮而動全身。如果人類能更好地利用再生能力,修復受損的器官——不論是心臟、腎臟、肝臟,還是手和腳,就能挽救無數生命,改善無數人的生活質量。

參考文獻

[1] Sun, F., Ou, J., Shoffner, A.R. et al. Enhancer selection dictates gene expression responses in remote organs during tissue regeneration. Nat Cell Biol (2022). https://doi.org/10.1038/s41556-022-00906-y

[2]Cardiac regeneration strategies: Staying young at heart https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5614484/

[3] 面對「頭號殺手」,如何才能不「傷心」 http://www.news.cn/mrdx/2021-09/30/c_1310219361.htm

[4]斑馬魚細胞教我的再生知識|The amazing regenerative capabilities of zebrafish | 陳振輝 Chen-Hui Chen | TEDxTaipeihttps://www.youtube.com/watch?v=PGx3i9_vhZ0

作者:Hazel

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