【Science最新】什么，头和眼睛可以自己长出来?

时间：2020-09-08 13:48

　　许多动物受到严重的损伤之后能进行自我修复或再生，这个功能要归功于受损组织内存在一类休眠的成体干细胞。当受到外界严重损伤时，这类干细胞会被重新唤醒，其定向分化、补偿性增生等干细胞的功能被激活；一些成年动物的神经系统在损伤后也能重塑神经元连接，恢复其正常的生理功能。如切断蛙、鱼或无脊椎动物的视神经后，纤维重新长回脑，动物又能看得见。

　　组织和神经系统的再生，是生物在千万年进化过程中应对外界的突发危险情况而保留下来的一种生存策略。然而，机体不同的组织，尤其是成年动物大脑和眼睛这样拥有大量精密、复杂且高度分化神经元的器官，损伤之后如何被引导神经环路精确重建的机制，很大程度上尚不清楚。

　　2020年6月26日，致力涡虫再生功能研究的Peter W. Reddien团队成员Scimone等人在著名期刊《科学》上发表一篇文章，通过研究涡虫损伤后的视觉神经系统再生的过程，精确鉴定出一群与视觉神经环路的重建密切相关的肌肉细胞，阐述了涡虫头和眼再生的机制。

　　涡虫是一种用于研究动物中枢神经系统起源和演变的模式生物，其中枢神经系统由头部区域的一团头神经节和一对腹神经索组成，头神经节独立于腹神经索，在背外两侧形成一个“倒U型”的结构，每侧具有9个分支。涡虫的两只眼睛位于第3个分支头神经节的背侧（图1绿色箭头所指区域），视觉轴突束在倒U型脑的背内区形成视交叉[2]，然后抵达更高级的中枢，与腹侧的脑区相连构成涡虫的视觉神经系统。

图1，planarian头神经节和腹神经索的结构（用RNA原位杂交技术在暗场显微镜下观察神经元轴突束），图源于文献2

　　研究者们利用原位杂交结合免疫染色等技术，在涡虫的视神经系统中发现了一群罕见的路标样肌细胞群 notum⁺和frizzled 5/8-4⁺，这群细胞表达肌细胞特异性的蛋白，但不表达视觉神经元特异性蛋白。因此，可以采用不同类型细胞表达特异性蛋白的标记方法，将这些细胞与其他细胞区分开来，实现可视化追踪。

图2，箭头指向notum⁺肌细胞群，

原文图注：notum⁺ cells associated with visual axons do not express eye-specific markers，图源于文献3

　　依据这些肌细胞群的空间定位分为三组，第一组位于眼睛附近，与感光轴突紧密结合，被命名为NME（眼睛附近的notum+肌肉细胞）；第二组靠近轴突选择点（choice points）腹侧的位置，称为NMC；第三组细胞群NBC，位于视神经叉（optic chiasm）腹侧，靠近脑内侧。研究表明，这些罕见的肌细胞不仅具有收缩功能，而且还分泌一些胞外基质蛋白（本文未提到分泌蛋白中是否含有导向因子），并储存着用于组织修复更新和受损后再生的定位信息。在切除涡虫的头或眼睛之后，新生视神经轴突总会朝着这些肌肉细胞群分布的方位生长和定向延伸，最终形成正确的神经环路连接。这些肌细胞亚群好比高速公路上的“路标牌”一样，引导受损后神经轴突向指定的路径“行进”，并最终建立起眼-脑之间视觉神经环路。

图3，NME、NMC和NBC在涡虫头部不同轴面上的位置, 图源于文献3

　　“路标样细胞”的概念是在十几年前研究蚂蚱胚胎发育过程时被提出来。以往的实验表明，在许多生物体中，履行路标样细胞职责的是一群特殊的神经元和胶质细胞，只有在胚胎时期或受伤条件下才会被激活而短暂的存在，分泌信号分子引导轴突成束和投射到指定方向，帮助神经元连接形成神经环路。

　　而涡虫的路标样细胞不来自于神经系统，且一直存在于涡虫体内。本文研究者构建了抑制视觉神经元（光感神经元和视杯细胞）生成的核心转录调控因子ovo（ovo RNAi）涡虫模型，该模型下的涡虫无法正常生成视觉神经元。在移除涡虫两只眼睛之后，光感轴突与下游视神经元建立的连接全部消失无法再生，而路标样细胞依然能再生，即便数量上相对有所减少，说明涡虫路标样细胞与视觉神经元之间存在紧密的联系，但其作为一类特定的肌肉细胞独立于神经系统存在。

　　试想如果路标样细胞的分布和数量是随机的，那么其引导光感轴突成束和投射的进程必然是无序的，也无法建立正常的视觉通路，所以路标样细胞很可能受到严格的调控，它们会受到上游哪些通路和因子的调节呢？

　　
　　a，定位调节：以往的研究发现涡虫体内存在一系列对体轴结构和方位起重要调控作用的定位控制基因（PCGs），如slit, wnt5等，并广泛表达于涡虫体轴不同的位置。通过PCGs定向干扰实验，发现在slit, wnt5, ndk 等多个RNAi组中涡虫路标样细胞定位分布异常，而且形成了不正常的轴突投射。这表明涡虫体内路标样细胞的分布受PCGs系统的调节。

图4，完整的涡虫在不同PCGs RNAi条件下的视觉神经轴突异常投射，图源于文献3

　　b，数量调节：研究人员通过对涡虫视觉神经系统中存在的28个细胞群进行单细胞转录组测序，筛选出在路标样细胞NMCs和NMEs中特异性表达的候选转录因子soxP-5。进一步研究发现，在大部分被切除头或眼的涡虫（soxP-5 RNAi）中出现了NMCs和NMEs相对数量的减少；其中约20%的soxP-5 RNAi组（soxP-5* RNAi）NMCs和NMEs剧烈减少甚至缺失，并出现了异常的轴突投射。这表明soxP-5是NMCs和NMEs维持所需数量的重要调节因子。

图5，soxP-5 RNAi组出现了NMCs和NMEs的减少或缺失以及轴突投射的异常, 图源于文献3

　　NBCs受一类决定细胞分化方向（cell-fate specification）的转录因子调节，如arrowhead，编码lim同源结构蛋白，广泛表达于头部神经节。在头被切除的涡虫arrowhead RNAi模型中，NBCs路标样细胞无法再生，导致视觉轴突向腹侧脑区投射的异常。以上的各种研究表明，NMEs, NMCs, NBCs的再生和定位对视神经环路再生和功能的恢复非常重要，并且受多个上游通路和基因的调控。

　　总体来说，本文通过研究涡虫神经系统从头（de novo）再生的模型，发现了一类能协助视觉神经系统精确再生的肌肉细胞群及其上游调控因子，扩展了生物在受到外界损伤时神经系统重建的策略。在成年动物组织细胞高度分化的情况下，重造神经元可能是未来克服再生医学难题的关键。

【参考文献】
1, K. Agata et al., Structure of the planarian central nervous system (CNS) revealed by neuronal cell markers. Zool. Sci. 15, 433–440 (1998). DOI: 10.2108/zsj.15.433;

2, Joan Font-Burgada et al., Hybrid Periportal Hepatocytes Regenerate the Injured Liver without Giving Rise to Cancer. Cell 162, 766–779, August 13, 2015. DOI: 10.1016/j.cell.2015.07.026;

3, M. Lucila Scimone et al., Muscle and neuronal guidepost-like cells facilitate planarian visual system regeneration. Science 26 Jun 2020. DOI: 10.1126/science.aba3203;

4, Paola Squarzoni et al., Neuronal and microglial regulators of cortical wiring: usual and novel guideposts. Front. Neurosci., 17 July 2015. DOI: 10.3389/fnins.2015.00248

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