Science:失去的眼睛竟然还能重新长出来!
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发布时间：2023-07-27 02:56
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时间：2024-11-25 11:28
如果在淡水中生活的小型真涡虫地中海圆头涡虫（Schmidtea mediterranea）的眼睛有发生什么意外，它们可以在几天内让眼睛长回来！但是它们是如何做到的呢？美国Whitehead研究所的Peter Reddien实验室多年来持续在研究它们的机制。
路标细胞带领轴突将神经元连接大脑
近期在《Science》杂志上发表的一篇论文，Reddien实验室的研究人员发现了一种新型细胞，在这种真涡虫完成它神经回路的重建时，该种新型细胞很可能可以作为一种“路标(guidepost)”，帮助它们将轴突从眼睛传递到大脑。
地中海圆头涡虫的眼睛由捕捉光线的感光神经元组成，这些神经元透过的长而刺状的突起（称为轴突）连接到大脑。它们利用眼睛对光线的反应来帮助他们在环境中导航。
真涡虫是研究再生的常用模型，它们可以在身体的几乎任何部位再生。眼睛是一个有趣的研究部位，因为再生视觉系统需要真涡虫重新连接它们的神经元以将它们连接到大脑。
一般路标细胞只在发育中作用，成年后就失去功能
当神经系统在胚胎中发育时，第一条神经纤维（称为先锋轴突）蜿蜒穿过组织，形成感知和解释外部 *** 所需的神经回路。轴突在称为「路标细胞(guidepost cell)」的特殊细胞的帮助下得以发展。这些特殊的细胞被安置在选择点（轴突的路径可能会在不同的方向发生分叉）的位置。
在许多生物中，一旦完成发育，这些路标细胞就不再重要，且通常成年后也不再更新。这就是为什么当人类遭受大脑或神经损伤时，伤害通常是永久性的原因之一。
论文作者、同时也是麻省理工学院生物学教授、Howard Hughes研究所的研究人员Reddien说：「这是我们从未思考过的再生之谜。当神经系统的原始发育通常涉及许多被认为是短暂的提示时，成年动物要如何才能再生功能性的神经系统？」
真涡虫身上的神秘细胞具有肌肉组织中才有的标记
在2018年，Reddien实验室的科学家Lucila Scimone在成年的真涡虫身上发现了一群令人惊讶的神秘细胞：它们看起来像是在引导生长中的轴突发挥作用。她之所以注意到这组细胞，是因为它们共同表现了两个不经常同时见到的基因，其中一些明显靠近眼睛。
Lucila Scimone说：「我被这些细胞吸引住了。」在她检查过的每只涡虫中，有观察到这些神秘细胞的数量很少（普通的真涡虫可能约有5个；较大的真涡虫可能多达10个）。它们被分为两个不同的组：一些在扁虫的眼睛周围，另一些沿着通往大脑中心的路径隔开。当她追踪从涡虫眼到大脑的现有轴突的路径时，它们毫无例外地与这些细胞的位置重合。
当研究人员对细胞进行表征时，他们发现它们并没有表现任何作为感光神经元标志的基因。相反地，它们具有经常在肌肉组织中发现的标记。Scimone说：「这非常令人惊讶，因为这不是肌肉细胞在大多数动物中的作用。」
似路标的肌肉细胞(红色) 与真涡虫视觉系统内的轴突(*) 的连接。
肌肉细胞充当路标，可能吗？
在其他生物中，路标细胞通常是神经元或神经胶质细胞。肌肉细胞充当路标的作用是不寻常的。但是Reddien实验室过去的研究已发现，真涡虫肌细胞还扮演着其他特殊角色，例如分泌细胞外基质。现在，研究人员想知道他们是否可以将路标的作用添加到真涡虫肌细胞的一长串功能中。
为了检验他们的假设，研究人员设计了一系列实验。Reddien实验室的博士后研究员Kutay Deniz Atabay说：「我们开发了一种眼睛移植方法，你可以将一只动物身上取下的眼睛移植到另一只动物中。如果你移植的位置合适的话，那只眼睛的轴突投影，基本上可以正确地将自己连接到大脑中，进而转变为有功能状态。」
图片来源：Science, 2020, doi:10.1126/science.aba3203。
肌肉细胞独立于视觉
研究人员还透过基因工程改造，创建了具有肌肉细胞但没有眼睛的涡虫，然后将眼睛移植到他们的没有眼睛的头上。果然，神经元正常生长，向肌肉细胞弯曲，然后在遇到肌肉细胞后再调整它们的轨迹。
如果没有这些肌肉细胞，情况就不同了。当研究人员将眼睛移植到没有这些肌肉细胞的真涡虫其他较远的部位时，感光神经元就不会连接到大脑中枢。同样地，当他们将眼睛移植到经过修饰而没有这些肌肉细胞的涡虫中时，它们的感光神经元仍在生长，但它们无法正确布线以到达大脑。
这些发现综合起来显示，这些肌肉细胞完全独立于视觉系统－它们并不是因为眼睛或感光神经元而形成的，而是可能在这些神经元生长之前就已经建立了－这为它们具有路标作用提供了更多证据。
细胞与轴突之间的信号交流目前尚不清楚
然后，这些细胞的类似路标的活动引出了一个问题：细胞本身如何知道应该在哪里？Reddien说：「我们发现肌肉中存在一种信号分子的模式，会决定这些细胞的位置。如果我们干扰系统的全局位置信息，这些细胞将可能被放置在错误的位置，然后轴突将也会被延伸在错误的位置，因此我们认为有一个位置信息框架可以在再生过程中放置这些细胞，进而使它们能够在正确的位置上发会路标的作用。」
目前研究人员还不完全知道这些细胞是如何与不断增长的轴突进行交流，以充当路标的作用。它们可能正透过释放某种吸引轴突的信号分子，或者可能通过使用跨膜蛋白进行交流。
未来可基于这项研究的基因列表，更深入研究再生医学领域
Reddien说：「这将是未来的一个令人兴奋的研究方向。我们现在已经鉴定出了细胞的转录组，这意味着我们知道了这些细胞表现的所有基因。这提供我们一个有趣的基因列表来进行功能探测，以利我们查看哪些基因在介导这些细胞的功能。」
这项研究的结果让扩大再生医学领域又往前迈了一步。研究作者之一Atabay说：「想像一下有人遭受脊髓损伤、眼部损伤或中风导致神经回路丧失的情况。我们至今无法完全治愈这些病例的原因是，我们缺乏有关这些系统如何再生的基本信息。研究具有再生能力的生物提供了很多见解。就这项研究而言，我们观察到光了解再生丢失的系统可能还远远不够，还需要正确地对该系统进行模式化的再生系统。」
