兩棲類肢體再生和魚類尾鰭再生過程的比較

1、魚類尾鰭再生和兩棲類肢體再生過程的比較魚類尾鰭再生和兩棲類肢體再生過程的比較曹逸涵摘要：摘要：硬骨魚的尾鰭和有尾兩棲動(dòng)物的肢體都具有完全形態(tài)再生能力，作為進(jìn)化上同源的兩種附屬肢體，其再生機(jī)制也具有一定的保守性。本文將從再生原基細(xì)胞來源、位置信息的記憶與確定、再生相關(guān)基因及其表觀遺傳修飾等角度，分析兩種再生過程的異與同，為認(rèn)識(shí)肢體再生的保守機(jī)制及物種特有機(jī)制提供參考。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：肢體再生硬骨魚有尾兩棲動(dòng)物形態(tài)重建位置信息表觀遺傳肢體的

2、再生是在部分硬骨魚和有尾兩棲類動(dòng)物具有的特殊能力。當(dāng)對(duì)斑馬魚的尾鰭進(jìn)行截肢后，可重新形成尾部的簡單組織，其再生干細(xì)胞可以重建原有尾鰭的形態(tài)，即側(cè)視圖中的M形結(jié)構(gòu)。同樣能夠進(jìn)行形態(tài)重建的典型系統(tǒng)是兩棲類的肢體再生。當(dāng)有尾兩棲動(dòng)物的前肢或后肢被截止后，可以再生出四趾的前肢和五趾的后肢。而當(dāng)其前肢分別在腕部、肘部、上臂等不同部位截肢時(shí)，再生的肢體分別為端骨、結(jié)合骨和端骨，以及柱骨、結(jié)合骨和端骨。[1]尾鰭作為硬骨魚的附屬肢體，與四肢動(dòng)物的肢體

3、具有進(jìn)化同源性。魚類尾鰭的再生與兩棲動(dòng)物肢體再生過程也具有一定的保守性。本文將選取兩類能夠進(jìn)行完整肢體形態(tài)重建的生物——硬骨魚和有尾兩棲動(dòng)物，討論兩者在肢體再生，特別是在完整形態(tài)重建方面的異同，為認(rèn)識(shí)肢體再生的保守機(jī)制及物種特有機(jī)制提供參考。保守性因素保守性因素再生原基細(xì)胞的來源再生原基細(xì)胞的來源動(dòng)物的肢體大都經(jīng)歷相同的過程，即（1）傷口愈合（2）傷口表皮的形成（3）形成具有分裂增殖能力的再生原基，以及（4）細(xì)胞的分化和肢體形態(tài)發(fā)生。其

4、中再生原基的形成是關(guān)鍵性步驟，它由一些分化程度較低、具有多能性的間質(zhì)細(xì)胞組成，并且保存有原來的位置信息。目前普遍認(rèn)為，魚類和有尾兩棲動(dòng)物的再生原基均來自于細(xì)胞的去分化。在兩棲動(dòng)物中，它們來源于傷口附近的細(xì)胞；而在魚類中，它們從截肢面近端的廣泛區(qū)域被招募來。[2]這些細(xì)胞可能經(jīng)歷了與iPS細(xì)胞類似的分子機(jī)制，盡管它們的多能性還在爭議中。3個(gè)iPS細(xì)胞的關(guān)鍵基因——Sox2、Klf4和cmyc被發(fā)現(xiàn)在蠑螈的再生肢體中上調(diào)表達(dá)。[3]在魚類中

5、，再生原基會(huì)表達(dá)的msx基因族，它們可能指導(dǎo)細(xì)胞的去分化。[2]另一些與獲得多能性的基因也被發(fā)現(xiàn)表達(dá)，其中幾個(gè)基因甚至是啟動(dòng)再生過程所必須的。[3]位置信息的記憶位置信息的記憶魚類和有尾兩棲動(dòng)物的再生原基的細(xì)胞均能記憶截面處的位置信息。在蠑螈中，肢體再生符合經(jīng)典的遠(yuǎn)端替代原則，即肢體細(xì)胞能夠記憶自己所在處的位置信息，當(dāng)截肢發(fā)生后，再生原基可以識(shí)別截面近端處的位置信息，重建遠(yuǎn)端的肢體結(jié)構(gòu)。而在斑馬魚中，截部，以及（4）當(dāng)將細(xì)胞置于不同位置

6、的環(huán)境中時(shí)，這種位置信息也不能被抹除或修改。這表明，有尾兩棲動(dòng)物再生原基的發(fā)育命運(yùn)是確定的（determined），而與其近端所接的殘肢組織無關(guān)，再生原基細(xì)胞從截肢發(fā)生處的肢體母細(xì)胞處得到位置信息。硬骨魚尾鰭再生原基的位置信息則表現(xiàn)出一定的可塑性。實(shí)驗(yàn)表明，截肢部位越靠近端，尾鰭再生的速度越快，顯示再生原基沿PD軸線不同地組織再生過程。然而，若將尾鰭按兩齒的鋸齒狀截肢，確保最背部端和最腹部端的截點(diǎn)位于PD軸線的同一水平，可發(fā)現(xiàn)兩端的生長

7、速率不同，最背部端的區(qū)域較最腹部端的區(qū)域生長快速。這顯示其再生原基的生長是受周圍再生原基或殘肢細(xì)胞影響的（notdetermined）。這種記憶的可塑性同樣可以被鰭條的異位抑制試驗(yàn)佐證。當(dāng)側(cè)面的鰭條片段被移植至中間時(shí)，其可根據(jù)新的位置生長為有分支的中間鰭條形狀，顯示鰭條具有依賴于環(huán)境的形態(tài)發(fā)生可塑性。在Murciano等人的實(shí)驗(yàn)（2007）中，沿PD軸線的可塑性也同樣被證明。這種可塑性并沒有在有尾兩棲動(dòng)物的再生原基中發(fā)現(xiàn)，顯示兩者的形態(tài)

8、再生機(jī)制并不完全相同，其位置信息的儲(chǔ)存也有所差異。[1]再生相關(guān)基因的調(diào)控再生相關(guān)基因的調(diào)控一系列證據(jù)顯示，表觀遺傳修飾在肢體位置信息記憶和再生基因的調(diào)控中起重要作用，但硬骨魚和有尾兩棲動(dòng)物在表觀遺傳修飾上存在差異。[1]在斑馬魚中，DNA甲基化狀態(tài)與尾鰭再生過程有相關(guān)性，其可作為表觀遺傳標(biāo)記區(qū)分激活的染色質(zhì)（低水平甲基化）和失活的染色質(zhì)（高水平甲基化）。在Thummel等人的研究（2006）中，分析了一些轉(zhuǎn)基因組件中的啟動(dòng)子的甲基化狀

9、態(tài)。盡管在斑馬魚早期發(fā)育中，ef1alpha啟動(dòng)子驅(qū)動(dòng)了普遍分布的EGFP表達(dá)，EGFP信號(hào)在包括尾鰭在內(nèi)的許多成年斑馬魚組織中消失。檢測這些組織的甲基化狀態(tài)，可發(fā)現(xiàn)啟動(dòng)子序列被高度甲基化，顯示出基因沉默與DNA甲基化的較好關(guān)聯(lián)。當(dāng)尾鰭截肢后，這些EGFP信號(hào)又可在尾鰭再生原基中重新被檢測到，原基處表現(xiàn)出低甲基化狀態(tài)，顯示再生原基細(xì)胞將轉(zhuǎn)基因元件啟動(dòng)子去甲基化。實(shí)驗(yàn)顯示，斑馬魚在啟動(dòng)肢體再生時(shí)，可將原有沉默的再生相關(guān)基因去甲基化而使之激

10、活。然而，DNA甲基化修飾在有尾兩棲動(dòng)物中有異。在蠑螈的再生原基中，存在表達(dá)Shh的細(xì)胞，且Shh肢體特異性增強(qiáng)子的甲基化水平足夠低。然而，有尾兩棲動(dòng)物的成年肢體中，Shh肢體特異性增強(qiáng)子的甲基化水平也一直維持在很低水平，這使得其啟動(dòng)肢體再生過程時(shí)，不需要對(duì)某些再生相關(guān)基因去甲基化。[1]單從這一研究來看，有尾兩棲動(dòng)物中某些再生相關(guān)基因可能一直處于激活狀態(tài)。其可能通過其它上下游基因的抑制或拮抗劑的表達(dá)維持穩(wěn)態(tài)，或存在甲基化以外的表觀遺傳