■本报记者 赵广立
壁虎断尾重生、蝾螈肢体自愈，而人类、小鼠这类哺乳动物受伤后往往只能结疤愈合，无法“原装”再生。是什么原因让高等哺乳动物丢失了这种“超能力”？最近，这个谜题的答案被揭开一角——中国科学家在小鼠和兔子的耳朵上找到了关键线索。
6月27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《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”。
找到关键基因
论文共同通讯作者王伟告诉《中国科学报》，脊椎动物中具有极强再生能力的物种主要是低等动物，如鱼类及蝾螈。因为存在巨大的系统发育差距，直接比较低等动物再生和哺乳动物损伤修复之间的区别难以发现关键的遗传变化，所以团队必须找到更贴近的研究对象。
哺乳动物的耳廓进入了研究团队的视野。王伟介绍，耳廓是哺乳动物所特有、易于观察及操作、具有再生多样性的器官，约于1.6亿年前在哺乳动物中进化产生。
“‘耳廓损伤模型’是一种既简单又复杂的器官再生研究模型，操作简便且易于观察，但同时拥有较为复杂的内部组织结构，包含了表皮、真皮、肌肉、软骨和外周神经等。”王伟说。此外，兔子和非洲刺毛鼠等可以进行耳廓再生，而小鼠和大鼠等不可以。因此，对于这项研究而言，耳廓是理想的研究对象，可以用来阐明动物再生能力调控的基本原理。
为揭开受损器官再生的奥秘，研究团队以耳廓为研究模型，仔细对比了兔子和小鼠的耳廓损伤响应程序。
论文共同通讯作者邓子卿介绍，研究团队基于单细胞RNA测序和华大自主研发的时空组学技术Stereo-seq，描绘了可再生物种（兔子）与不可再生物种（小鼠和大鼠）耳廓损伤后再生/修复的高分辨率单细胞时空动态过程，并逐时、逐步观察伤口处每个细胞类型的变化和基因表达动态，以精确对比再生过程和普通愈合过程有何不同。
具体而言，研究团队首先从损伤组织的形态结构、细胞类型、基因表达等多个维度，详细比较了兔子和小鼠在耳廓损伤后响应程序的异同。结果发现，在损伤愈合的前期，兔子和小鼠损伤部位形成的组织结构和细胞类型高度相似，均存在一群损伤诱导产生的成纤维细胞（WIFs）。通过比较两个物种的WIFs在基因表达层面的差异——兔子WIFs高表达、小鼠WIFs不表达，研究人员鉴定了9个潜在关键差异基因。
随后，通过基因过表达策略，研究人员发现，过表达视黄酸的合成限速酶Aldh1a2可以完全逆转小鼠不能再生的表型。与此同时，直接通过外源补充视黄酸可使小鼠和大鼠重新获得再生能力。
“视黄酸诱导的再生可以完全恢复损伤后丢失的耳廓内部组织结构，包括软骨、外周神经等。”王伟说，这表明，小鼠耳廓再生失败与视黄酸合成不足有关。视黄酸是维生素A的一种代谢产物，与细胞发育密切相关。而小鼠视黄酸不足的主要原因是，视黄酸合成限速酶Aldh1a2的表达不足，以及视黄酸本身的降解加速。
“开关”在进化中丢失
Aldh1a2的表达为何有高有低？研究团队通过进化生物学比较发现，在兔子基因组中，保留了负责调控Aldh1a2基因的一些关键DNA序列。这些调控序列被称为“增强子”，可以理解为基因表达的开关或加速器。研究人员在兔子Aldh1a2基因附近发现了6个活跃的增强子（AE1至AE6），其中有两个增强子（AE1和AE5）在耳廓受伤再生时会被强烈激活，相当于在兔子受伤后及时按下“开关”，大大提高了Aldh1a2的表达，在兔子伤口处源源不断产生视黄酸，帮助组织再生。
小鼠就没那么好运了。研究团队在小鼠对应的基因区域仅找到1个活性增强子——AE3，其他与再生相关的调控元件都已失活。
“换句话说，小鼠体内调控Aldh1a2基因的‘按钮’大都消失了，受伤后想要大幅度开启Aldh1a2基因表达非常困难。”王伟说，这一进化差异解释了为什么小鼠耳廓受伤后Aldh1a2“叫不醒”、视黄酸产量不升高，从而无法像兔子那样再生组织。
由此，研究团队得出结论，Aldh1a2基因表达不足导致的视黄酸合成不足，是高等哺乳动物小鼠耳廓再生失败的核心机制。这一发现属学界首次公开报道。
小鼠耳廓再生
如果人为按下这些丢失的“开关”，能否让失去再生能力的动物恢复再生能力？
研究团队通过直接激活Aldh1a2基因或外源补充视黄酸，都可以使本不具备再生能力的成年小鼠耳廓伤口出现多能性细胞WIFs，从而重建耳廓的软骨与神经组织。“这意味着，小鼠耳朵的伤口不是简单结疤，而是实现了再生。”王伟说。
为了“固定证据”，研究团队还将兔子的增强子AE1导入小鼠基因组。结果发现，受伤后的小鼠耳廓Aldh1a2基因表达显著提高，视黄酸增加，耳廓的再生能力也得到明显提升。王伟说，这表明重新激活视黄酸信号可以使不能再生的小鼠重新获得再生能力。
研究团队基于单细胞时空组技术及跨物种进化比较，系统描绘了器官损伤后可再生物种、不可再生物种的细胞组成变化和基因表达的时空动态变化，揭示了高等哺乳动物器官再生能力丢失的机制。
“这项研究鉴定了领域内第一个参与哺乳动物再生能力演化的‘分子开关’。”王伟总结道，这项成果为进化过程中哺乳动物的再生能力丢失提供了新见解，并为探索人类受损器官的重建与再生提供了重要靶标和理论依据。
相关论文信息：
10.1126/science.adp0176
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