从蝾螈的尾巴到鹿角，一些动物天生具有再生失去的身体部位的能力，这一能力几个世纪以来一直吸引着科学家，并推动了对这种愈合的分子机制的研究，希望有朝一日人类也能做到这一点。

即使在能够再生的生物中，水螅——水螅属的水生动物——也因其能够再生身体任何部分(包括头部)的能力而脱颖而出。上周(12月8日)发表在《基因组生物学与进化》(Genome Biology and Evolution)杂志上的一项研究揭示了使这些动物实现这种再生壮举的遗传和表观遗传机制。

水螅体长1到3厘米，呈管状，是淡水生物，它们附着在棍棒和岩石等物体上，很像它们的亲戚海葵和水母，利用带刺的触手捕猎。他们被认为是“死不了”的。除非有什么东西出现并杀死它们，否则它们会不断地补充失去的组织和身体部位。加州大学欧文分校的细胞生物学家Ali Mortazavi说它们还可以通过一种无性繁殖过程来克隆自己，这种无性繁殖过程被称为“出芽”，在出芽过程中，一只新的水螅从原来的水螅中生长出来，然后分离，“有点像一朵花的花瓣长出来的方式”。

Mortazavi带领一组研究人员着手研究该领域一个长期存在的疑问：指导“生殖性生长”和“再生性生长”的遗传和表观遗传过程是否相似。“这是一个非常有趣的问题，因为这是腔肠动物的谜题之一：它们有所有这些神奇的繁殖模式，它们是不是在重复某些过程?”再生就像出芽吗? Sinigaglia说这个谜团是“人们多年来一直试图从不同角度解决的问题”。“这是非常棘手的，因为你看到相同的基因在这两个过程中反复使用。”

通常，研究水螅再生的研究人员都把注意力集中在一个特定基因或生物过程的活动上。例如，3月份发表在《eLife》杂志上的一项研究强调了Wnt信号通路在水螅被“斩首”后重建口腔中的作用。相比之下，Mortazavi和他的同事们采用了一种更全面的方法，绘制出在出芽和再生过程的不同时间点和不同组织中哪些基因被激活和上调。

科学家们进行了多次实验，他们切掉水螅头部以确定哪些基因是头部再生过程的一部分。他们还使用了染色质免疫沉淀测序ChIp-sequencing—— 一种揭示组蛋白修饰形式的表观遗传变化的技术，以确定在再生和出芽水螅的不同时间点，哪些启动子和增强子区域积极上调不同基因的表达。该团队随后使用ATAC-seq技术，一种识别基因组开放染色质区域的技术，以找出哪些基因可以被候选转录因子访问。研究获得了一个前所未有规模的水螅再生和发育基因表达数据集，为解开水螅再生之谜奠定了基础。

普通水螅的繁殖和头部再生都依赖于它们的头部组织者——位于头部顶端的一组由50到100个细胞组成的细胞簇，它们向附近的细胞发出信号，使其分化成头部或触角的任何一部分。研究人员发现，当头被砍掉时，遗传和表观遗传活动的连锁反应迅速触发了一个新的头组织者从任何剩余的细胞生长，使水螅再生其头部的其他部分。该研究发现了数百个在这一过程中表达不同于生殖过程的基因，以及数千个开放染色质区域(候选基因启动子和增强子样区域)，这些区域似乎在损伤反应中被重塑以驱动再生过程，创造了一个与出芽繁殖时期不同的基因表达景观。

根据这项研究，这些表观遗传变化以及增强子和启动子的动态模型似乎在不同的时间点触发基因，这取决于水螅正在经历的头部生成形式。Sinigaglia说，一个结论是“这两个过程有相同的结果，但是轨迹和时间进程并不相同的。”

正如《eLife》杂志3月份的文章所指出的那样，一头被斩首的水螅会迅速重新组合它的嘴，以此作为一种生存机制。Mortazavi推测，同样的紧迫性是在再生过程中驱使某些基因的表达超过其他基因的原因。相反，正在出芽发育的水螅在正常发育过程中不需要优先考虑伤口愈合或生存，可以按照自己的节奏发展。

“尽管过程不同，它们仍然使用相同的发育因子或基因，只是方式不同，”该研究的主要作者、加州大学欧文分校的进化生物学家Aide Macias-Muñoz说。“这是一个不同的过程，因为需要做得非常快，并在某个时候停止。”

这项研究只能确定可能相关的基因和转录因子，并引出有关哪些基因驱动再生、发芽或两者都驱动的假设。Macias-Muñoz解释说，为了测试和确认基因的作用，以及候选启动子和增强子区域的作用，研究人员将需要进行功能敲除或敲除研究。

其中一些工作已经在进行中。Macias表示，她即将完成后续研究，以单细胞研究补充这一大量分析，希望了解细胞如何在应对斩首和正常发育时发挥不同的作用。她解释说，单细胞分析将使她“更好地追踪我们已经确定的这些联系。”Benham-pyle对单细胞研究特别感兴趣，这些研究将确定不同类型的个体细胞如何相互沟通，从而促进信号级联，从而引出芽生殖和再生——特别是现有的头组织发出信号并招募到头部发育中的细胞类型。

这项新研究生成的热图和数据集提供了关于再生如何在进化史上首次出现的“故事的重要部分”。

水螅的故事已经有很长一段时间了:1744年，亚伯拉罕·特伦布雷首次发现了这种奇怪的特性，研究人员首次开始研究它的再生能力。但是其他生物已经得到了更多的关注和详细的研究，而且关于水螅再生的许多问题仍然没有答案。专家们仍然不知道再生能力是否出现在一些古老的生物中，是一种祖先共有的特征，还是说像水螅、蠕虫、哺乳动物、蝾螈和其他能够再生部分身体部位的生物独立发展了这种能力。

这篇论文指出，一些再生所必需的工具一定是在水螅所属的门——腔肠动物门——从动物王国的其他部分分离出来之前出现的。Sinigaglia补充说，一种潜在的可能性是再生生物和非再生生物都遗传了一个大致相似的工具包——例如，即使是非再生物种，wnt3也在胚胎发育期间表达——再生生物随后独立适应了自己的再生方式。

Benham-pyle说:“我们很高兴看到所有这些不同的生物都有相似之处，因为这使我们更有可能利用这种生物学来帮助人类。”