王伟
再生能力一直是科学家想要攻克的难题。壁虎断尾重生、蝾螈肢体自愈，这些低等脊椎动物拥有的“本事”，却是人类、小鼠这类哺乳动物求而不得的“超能力”。近日，北京生命科学研究所、清华大学生物医学交叉研究院研究员王伟实验室与北京华大生命科学研究院研究员邓子卿、西北农林科技大学教授罗军等团队合作，在国际顶级期刊《科学》发表研究论文，揭示了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”。
那么，哺乳动物为什么在进化中丢失了再生能力？中国科学家从耳廓中发现的“分子开关”有何神奇？这一突破将给器官再生研究领域带来哪些启示和贡献？今天我们来聊聊这个话题。
物种越高等再生能力越弱
器官再生是指个体因疾病或受伤后完全自发修复受损的组织结构，并恢复其原有功能的过程。大家较为熟知的例子是壁虎，它在感知到外界危险信号后会断尾求生，经过一段时间后，尾巴的伤口处会重新长出与原先类似的新尾巴。
其实在自然界中，拥有器官再生能力的动物分布非常广泛，在不同的动物门（指具有相似基本身体结构和发育特征的动物群体）中都能找到再生能力极强的动物。表现最为突出的是水螅和涡虫，它们几乎具有无限的再生能力，从身体上切下一个小组织都能完全再生成一个完整个体。这种强大的再生能力（全身性再生）使得其寿命很长，接近永生。然而，另一部分动物的器官在损伤后无法再生，仅能通过伤口愈合进行组织修复，如人类的中枢神经系统、心脏、肾脏等是无法通过再生进行功能恢复的。
整体来看，低等动物表现出较强的再生能力，相对复杂的高等动物再生能力反而较弱。在包括人类在内的后口动物门（指动物界中的一个重要类群，其核心特征为胚胎发育过程中原口形成肛门，而口则在另一端新生）中，处在进化分支中早期的无脊椎动物，如棘皮动物往往可以进行全身性再生。以海星为例，剪去海星的一个触手（共5个），原有个体会再生出丢失的触手，而剪掉的单独触手也会再生出剩下的4个触手，最终形成两个海星个体。
脊椎动物产生后，全身性再生的能力彻底消失了，甚至头部的再生能力也完全消失，只能进行器官及外在结构的再生。鱼类及蝾螈就是典型代表，它们可以进行大脑、脊髓、心脏、肾脏、肢体等器官的再生。但鸟类和哺乳动物的再生能力大大削弱，只有极少部分的器官或组织，如肝脏具有再生能力。
由此可知，随着物种从低等到高等不断演化，再生能力呈现出一种逐渐减弱的趋势。对于导致这一现象的根本原因，科学界有多种假说，尚无统一确切的定论。有观点认为，复杂结构或器官的再生是一个耗能耗时的过程，在面对有限的食物、激烈的竞争、复杂的环境条件时，选择更为快速且低能耗的伤口愈合而非器官再生可能更有利于生存。另外一种观点指出，动物为了更好地适应特定环境需要进化符合这种环境的新性状或者特征，而这一性状的产生可能与再生的实现不能兼容。值得一提的是，动物在幼年期比成年后往往具有更强的再生能力，如刚出生的小鼠具有短暂的心脏修复能力，但随着个体发育，这种再生能力会丧失。无独有偶，蝌蚪具有较强的肢体再生能力，青蛙却没有，这一现象也表明，特定的发育过程会影响成体的再生能力。
目前，国际上的再生研究主要集中于几种重要模式动物，如水螅、涡虫、斑马鱼、蝾螈、小鼠等。自上世纪50年代分子生物学诞生以来，人类已经积累了大量关于器官再生的发生逻辑。比如，不同器官再生的关键细胞来源、组织极性的决定（长头或长尾，长近端还是远端结构等）、细胞的记忆、参与器官再生必需的重要基因或者信号通路等。然而，到现在为止，离实现人类关键器官的完全再生仍然有很长的路要走，有大量的难题没有得到解决。
▲表达Aldh1a2基因，可以让小鼠重新获得耳孔再生能力。 作者供图
耳廓成为再生研究的突破口
器官再生是一个非常复杂的生物学过程。不同的研究团队根据自身兴趣、具体科学问题来选择特定的研究方向。例如，常用的模式生物体系中，硬骨鱼类（如斑马鱼）的再生研究侧重于尾鳍（相当于肢体结构）、心脏、中枢神经系统；两栖类（如蝾螈）的再生研究则因肢体再生这一经典模型备受瞩目。而在哺乳动物层面，因为多数器官都没有再生能力，肝脏、皮肤及细胞水平的再生成为主要的研究重点。此外，基于干细胞的再生和类器官研究也是器官再生领域的重要方向。
长期以来，为了重新激活不可再生器官的再生能力，科学界已尝试多种不同策略，包括干细胞疗法、组织工程技术、强制表达促再生基因、电刺激以及神经组织移植等。这些研究表明，在再生能力有限的哺乳动物中重新激活再生机制具有可能性。然而，由于哺乳动物器官结构的复杂性、基因异位表达或抑制带来的副作用，以及缺乏对再生失败与基因组遗传变化之间关联的认知，目前尚未实现不可再生器官的完全再生。如果能深入理解脊椎动物演化过程中再生能力丧失或获得的关键分子机制，将为再生医学提供新的靶点。
2020年，我们通过比较短寿非洲鳉鱼和斑马鱼的早期再生响应过程，在领域内率先提出基于再生响应增强子（基因组中具有基因调控功能的非编码DNA）的脊椎动物再生能力演化假说。增强子这类DNA不编码基因，但具有很重要的基因调控功能，主要是激活基因转录。再生响应增强子就是能响应损伤或者只有损伤后才会被激活的增强子。因此，这一假说的核心内容是：物种不能再生，主要是因为再生响应增强子发生了变化，从而不能激活再生必需的基因。
然而，由于再生能力强的物种（主要是低等脊椎动物）与哺乳动物之间存在巨大的系统发育距离，使得证实这一假说并解析哺乳动物特定器官再生失败的因果遗传变化具有极大的挑战性。
因此，找到一个具有普遍性、易于获取且再生能力多样的哺乳动物器官，将有利于探索再生能力调控的基本原理。耳廓（外耳）正是符合这个要求的一种哺乳动物特有器官。
耳廓约在1.6亿年前进化形成，由皮肤、软骨、肌肉、外周神经和血管等复杂组织构成。它的产生，极大地提高了哺乳动物收集周围环境声音的效率及方向判断的准确性，对于高效躲避捕食者具有重要意义。在现存哺乳动物中，包括鸭嘴兽在内的单孔目动物缺乏耳廓，而有袋类动物则无法再生损伤的耳廓。胎盘类动物涵盖了绝大多数哺乳动物物种，其中既有可再生物种，也有不可再生物种。兔子、非洲刺毛鼠和刷尾鼠是可以进行耳廓再生的代表性动物，相比之下，小鼠、大鼠、沙鼠等动物无法再生已损伤的耳廓。
可见，耳廓在不同哺乳动物中表现出显著的再生能力差异，而通过研究这种差异，或许能够发现重启再生能力的秘密。
▲研究人员正在进行小鼠及兔子耳孔样品的冰冻切片及样品质量记录。 作者供图
在国际上率先锁定器官再生关键基因
我们根据领域内已有的经验制作了耳廓损伤模型。即用锋利的打孔器在小鼠、兔子的耳廓上分别打一个贯穿的圆孔，对耳廓造成损伤，并观察丢失的孔洞组织是否能再生。
这一模型既简单又复杂。简单之处在于操作简单且易于观察。因为与耳廓损伤相比，许多器官（如心脏、脊髓等）的损伤建模更复杂，需要对小鼠进行深度麻醉和精密的损伤手术，而多数内脏器官是无法通过肉眼直接观察再生或修复情况的，需要辅以复杂的实验。复杂之处在于耳廓的内部结构并不简单，除了最外层的表皮、真皮之外，内部还有软骨、肌肉和外周神经等。
此次研究聚焦于小鼠和兔子在耳廓损伤后的响应程序。兔子耳廓打孔产生的孔洞一个月后被再生的组织填满，并进一步再生出内部的软骨等结构。小鼠则完全相反，耳廓打孔产生的孔洞一直存在，陪伴其走到生命尽头。我们运用了多种前沿技术仔细比较了二者在损伤响应过程中的异同，令人惊讶的是，小鼠耳廓损伤后其实可以正常产生和兔子类似的芽基组织。芽基组织是许多可再生器官于再生早期产生的一群高度异质性的细胞，这类细胞为未来组织再生提供细胞来源。一般认为，芽基组织的出现是器官再生早期阶段的一个标志，也是多种器官再生的必要条件。但是，耳廓损伤后产生的芽基组织（主要由损伤特异性成纤维细胞组成）在小鼠和兔子中表现出显著差异，也就是说，这群细胞的基因表达谱和细胞分化进程在可再生和不可再生的物种中大为不同。
基于这一发现，我们鉴定出9个潜在的关键性差异基因，并通过在小鼠中过表达这些基因的方式，发现激活其中两个基因便可促进再生，但只有视黄酸的限速合成酶Aldh1a2能使小鼠耳廓打孔产生的孔洞像兔子一样完全再生，逆转了小鼠耳廓不能再生的表型。此外，外源直接补充视黄酸也能获得相似效果。值得一提的是，小鼠耳廓内部丢失的组织结构，如软骨、外周神经等也能在外源补充的视黄酸诱导下再生。
视黄酸是一种维生素A的活性代谢物，是维生素A在体内发挥关键生物活性的重要形式之一。它参与了多种重要生物学过程，如胚胎发育、器官再生、免疫调节等。于是，我们在国际上率先报道了视黄酸信号通路的关键合成酶Aldh1a2的表达强弱，是决定哺乳动物耳廓再生能力的关键，这也是目前器官再生领域中发现的首个演化过程中决定再生能力的关键“分子开关”。
这一结果暗示着在其他器官中很有可能也存在类似的“分子开关”，为人体重要器官损伤后的自我修复研究提供了一个全新的思路。
为实现器官修复再生提供全新思路
在发现视黄酸信号通路活性是哺乳动物耳廓再生能力“分子开关”的基础上，还要解析这一“开关”在演化过程中是如何被关闭的。
兔子和鼠的遗传调控元件——增强子存在明显差异。顾名思义，增强子广泛分布于基因组上，共同起到增强基因功能表达的作用。兔子的Aldh1a2基因周围存在多个响应损伤的增强子，而小鼠和大鼠完全相反，绝大部分的增强子都已失活（在损伤后不再响应）。这样显著的差异导致小鼠和大鼠遭受损伤后的Aldh1a2表达量低，进一步导致视黄酸的合成不足，最终使得耳廓无法再生。
研究进展到此，再次印证了我们在2020年提出的假说：动物再生能力的丢失很可能是再生响应增强子的变化导致的。而在小鼠和大鼠基因组中的增强子到底是如何丢失的，是未来需要进一步探索的课题。
我们的研究成果证明了激活哺乳动物再生能力的“分子开关”是真实存在的，甚至可以人为操纵“开关”重启哺乳动物的再生能力。与此同时，这也给再生医学提供了新的研究范式：比较再生能力存在显著差异的物种，并从中找到启动再生的关键物质。这种范式为未来解析其他重要器官再生功能丢失的机制，提供了全新的思路与见解。
通常一个器官的结构越复杂、越重要，想要重新启动再生能力的难度就越大。原因有二：一是理想的损伤模型很难构建，需要保证实验动物在损伤后仍能生存，而重要器官的损伤往往伴随着致命的后果，这个损伤程度的分寸很难把控；二是结构越复杂、精密的器官，其损伤修复越复杂，参与修复过程的细胞类型也越多，可能需要多个“分子开关”的共同作用，才能启动再生。以上种种，皆是器官再生领域面临的难题。
不过，随着越来越多重要“分子开关”被发现，我们相信离实现“一切损伤皆可自愈”的目标已不远了。
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