我们之前的文章快速介绍了涡虫的生物学、分类及特性(绰号，“斗鸡眼虫”)。我也简要地谈谈它们非凡的再生能力。然而，关于涡虫的再生还有很多有趣的科学发现，我在前面的文章中没有篇幅了。这就是为什么我想专门写一篇关于这个主题的后续文章。
[在这幅图中]涡虫是扁形动物门中自由生活的扁形虫。
它们有不同的大小、形状和颜色。它们很小(3至15毫米长)，但并不简单;事实上，它们有几个器官系统，包括消化系统、神经系统、生殖系统和排泄系统，就像人类的身体一样。涡虫可以在腹部有许多纤毛的表面上平稳地移动。如果你想了解更多关于涡虫的基础知识，请参见“涡虫-生物学，分类，特征和再生．
[在这幅图中]涡虫的解剖结构显示它的消化系统(紫色)、排泄系统(绿色)和神经系统(黄色)。
图片来源:cuttingclass
本文将介绍
这些扁虫可以从碎片中再生出身体。他们是怎么做到的，我们可以吗?
扁形虫是如何从碎片中重新长出身体的?
这正是许多科学家一直在问的问题，并投入了大量精力进行研究。
100多年前，科学家们发现一些涡虫可以再生身体的某些部分。涡虫的非凡之处就在于它们可以从原来的一小部分再生出一整条蠕虫。例如，一个涡虫被切成三块(头、身、尾)可以再生成三个独立的个体。
在实验室里，科学家们利用涡虫作为模型生物来研究再生机制。最终目标是再生医学。如果我们能找出其机制，并将涡虫的再生能力复制到人类病人身上，他/她可能会通过替换受损的器官或失去的肢体来治愈自己。
[在这幅图中]涡虫的再生:(A)在高中和大学一年级的实验室中最常使用的涡虫是棕色的Girardia tigrina．一个涡虫被切成三块(头、身、尾)可以再生成三个独立的个体。(C)涡虫头上的两个切口可以再生成三头涡虫。
涡虫能感觉到疼痛吗?
由于它们的神经系统简单，涡虫在被割伤时感觉不到疼痛，只有压力。
涡虫全身再生的过程
一个涡虫的碎片可以在大约两周内重新生长成一个新的动物。正如你在下图中看到的，一个涡虫被切成五块变成了五个新的涡虫。头部重新长出身体和尾巴。尾巴部分得到了一个新的头部和身体。最神奇的部分是身体的碎片，它既没有头也没有尾巴，但却可以在短短几天内轻松地再生出一个新动物所需要的一切!
[在这幅图中]科学家证明，一个完整的涡虫(A)被切成五块(B)。5天后，这些碎片处于再生过程(C, D)。涡虫可以在截肢一周内再生所有缺失的组织，包括大脑、眼点和咽(喂食管)。
图片来源:港大医学院
[在这个视频中]看看涡虫是如何从碎片中重生的。
两个谜团-涡虫再生的材料和蓝图是什么
科学家们用涡虫作为模型生物来研究非凡的再生过程。他们正在寻求理解这两个基本问题:
(1)涡虫用什么来再生其缺失或受损的身体部位?
涡虫有干细胞储备(作为再生器官的材料)吗?
我们的身体做不到这一点。例如，受损的脑组织无法修复，因为成年人的神经细胞停止生长，而大脑中的干细胞非常少。
(2)涡虫怎么知道如何以正确的方式重建身体?
涡虫怎么知道只长一个头而不是两个?每个单元格里都有很多份蓝图吗?
如果我们在没有给干细胞正确指令的情况下移植干细胞，这些干细胞就会长成包含多种组织的肿瘤(称为畸胎瘤)。
让我们看看科学家们对这两个谜团了解多少:
超能力(1)-涡虫体内到处都是成体干细胞
涡虫之所以能做到这一点，是因为它们身体的大约25~40%是由成体干细胞组成的，成体干细胞能够再生涡虫需要替换的所有组织。
这些成体干细胞被称为neoblasts它们可以集体分化成涡虫体内40到50种不同的细胞类型中的任何一种。新细胞遍布全身，除了头的前尖和咽部。
[在这幅图中]涡虫体内新细胞的分布。绿色的在分裂，红色的没有分裂。
图片来源:珍妮特·罗森特，eLife, 2014年
单个新细胞被考虑多能这意味着它们可以制造大多数，但不是所有的细胞类型。然而，新细胞的集合可以产生任何类型的细胞，使它们成为一个整体全能的细胞群。
[在这幅图中]细胞是我们身体的基本单位。每种细胞类型都有其专门的功能。”干细胞意味着这些细胞有能力变成其他类型的细胞。
当涡虫被切割时，它的新细胞会繁殖产生更多的干细胞。这些干细胞然后分化为所需的细胞，以取代缺失的身体部位。这些再生能力远远超过人体的再生能力。然而，了解涡虫如何再生失去的身体部位可能为改善人类伤口愈合提供线索。
涡虫新细胞的另一个显著特征是它们的高有丝分裂活性;换句话说，它们几乎一直在分裂。新细胞的频繁分裂导致了所有涡虫组织的快速更替。因此，涡虫很可能缺乏任何长寿细胞，可以在短短几周内将体内的所有细胞都翻转，保持所有器官的“年轻”。涡虫还可以通过改变它们的整体细胞数量来快速增加或减少身体尺寸，这通常是对食物供应的反应。
人类没有那么强大的成体干细胞
现在，我们回过头来看看我们身体的情况。对于人类和其他哺乳动物来说，全能和多能干细胞只存在于早期胚胎阶段。我们确实有“成体”干细胞，但这些细胞的潜能非常有限。例如，我们的骨髓储存造血干细胞(HSCs)．这些造血干细胞可以变成各种血细胞(红细胞、白细胞和血小板)，但不能变成其他血细胞。骨髓移植将健康捐献者的造血干细胞移植到病人体内，重建血液系统。
[在这幅图中]造血干细胞(HSCs)是整个血液系统的根。
另一个例子是肠干细胞(ISCs)．ISCs驻留在我们小肠的上皮层中，它们频繁地复制和替换死亡的细胞。幸运的是，我们的ISCs是活跃的成体干细胞，可以保持较高的周转率。然而，成年人体内的大部分细胞并不会被频繁替换。因此，受损的组织和器官也无法修复。例如，在我们的一生中，我们必须使用相同的神经细胞(大脑)和心肌细胞(心脏)，因为这些细胞类型在出生后停止细胞分裂。这就是为什么中风或心脏病发作后的恢复通常很糟糕。
诱导多能干细胞(iPSCs)给我们带来希望!
诱导多功能干细胞(iPSC)是过去20年来生物医学领域最令人兴奋的发现之一。开云体育全站app下载安装2006年，日本京都大学的山中伸弥(Shinya Yamanaka)教授发现了一种新方法，可以让我们制造自己的多能干细胞。这种技术被称为“诱导多能干细胞”。他发现四个基因——Oct3/4、Sox2、c-Myc和Klf4(我们现在称它们为“山中因子”)可以扭转细胞命运。
这四个基因共同作用可以教会成年细胞“忘记”它们的分化状态，并被重新编程到类似胚胎的状态。这些胚胎样细胞就是我们所说的“诱导多能干细胞”。这些细胞，一旦被给予适当的环境，就可以生长成我们需要的任何类型的细胞。现在，我们可能有无限的细胞来源来补充我们体内的旧细胞和受损细胞。
[在这幅图中]山中伸弥(Shinya Yamanaka)教授因发现成熟细胞可以被重新编程成为多功能细胞而获得2012年诺贝尔生理学或医学奖。
图片来源:nobelprize.org
超能力(2)-重建涡虫身体的基因蓝图
从涡虫身上切下的一块甚至可以形成一个新的涡虫。这种新的涡虫在适当的地方重新长出了头和尾巴。这怎么可能呢?一个小碎片如何知道哪里应该是头或尾?
[在这幅图中]切割的部分决定了在截肢后的第一天(dpa)内重新生长头部的位置。第9天，头又长出来了，露出两个眼点。
图片来源:霍华德·休斯医学研究所/ BioInteractive
我们知道涡虫强大的干细胞可以为其新器官提供功能细胞。然而，许多不同的活动，包括细胞迁移、细胞分裂、基因调控，甚至细胞死亡，都必须在数千个细胞中协调一致，这样一个再生的涡虫最终看起来总是像一个“正常的”涡虫。如果破坏了这种协调，这些新蠕虫可能会变得畸形——头部缩小，甚至出现多个头部!
[在这幅图中]畸形涡虫的一个例子。
图片来自Sánchez阿尔瓦拉多实验室。
有几个基因映射了涡虫的身体结构
科学家发现有几种基因及其蛋白产物可以协调和指导涡虫的再生。请看下面的图片作为示例。基因动物的背部产生“前方因子”，标志着极点，在那里应该再生成新的头部。在另一边，是基因wnt1编码引导新尾巴形成的“后验因子”。有几对这样的基因控制着涡虫的极性。极性是具有不同末端的生物的一种特性，例如，不同的头和尾，它们决定了身体结构的轴线。事实上，同样的基因也存在于我们的身体中。
[在这幅图中]基因及其蛋白质产物控制着涡虫头/尾的再生．
在这项研究中，有两个基因，动物的背部而且wnt1，分别编码前后因子。在未受伤的动物中，动物的背部表达于前极(头部)，而wnt1表达于后极(尾部)。在再生过程中，这两种基因在早期在所有伤口上以分散的“盐和胡椒”模式诱导。然后,动物的背部簇在最前面的尖端和wnt1移动到碎片的最后部尖端。随着复兴的继续，动物的背部而且wnt1表情域拉长，直到头/尾模式恢复。Hpa:截肢后数小时。Dpa:截肢后天数。
该研究的细节可以在这里找到在这里
双头涡虫，而它的基因被打乱了
你可能会问，如果这些基因出现问题，会发生什么?你可以看到下面的图片-它再生成一个双头涡虫!
[在这幅图中]来自同一物种的两个涡虫。
左边的这个是这个物种的典型个体。右边的这个是用RNAi处理过的割伤涡虫再生而来的。
图片来源:霍华德·休斯医学研究所/ BioInteractive
在这项研究中，科学家使用RNA干扰(RNAi)阻止后因子的作用。RNAi是一种利用小片段RNA关闭特定基因功能的技术。由于RNAi的存在，这种涡虫不能再产生维持极性的重要蛋白质。结果，涡虫的干细胞错误地形成了两个头，而不是一个头和一个尾巴。
[在这个视频中]看看科学家是如何找到控制涡虫再生的关键基因的。
生物电控制着涡虫的再生
基因是涡虫再生的强大调节器，但不是全部。事实上，环境暗示也起着重要作用。科学家们对生物电信号如何控制再生过程特别感兴趣。
例如，涡虫失去了H, k - atp酶(一种跨细胞膜运输离子的蛋白质通道)的功能，就不能正常再生。
[在这幅图中]上图:涡虫的正常再生。下:当H, k - atp酶活性被药物阻断时，主干片段在没有头部的情况下再生，不能重塑它们的旧组织。
图片来源:比恩实验室
外加电场也会改变涡虫的再生能力。如果你把(-)阳极放在头部伤口附近，动物将正常生长。然而，如果你扭转电场的方向，低强度的电流会引起双头虫，而高强度的电流会引起反极性虫。
[在这幅图中]电场改变涡虫的再生能力。
修改后的洛博·d等人，公共科学图书馆编译生物学。2012
[在这幅图中]科学家们做了各种各样的实验，包括电场、食物供应和膜电压的变化，以了解涡虫再生的调节。如果您有兴趣了解更多，请参阅原文．
我们能从涡虫身上学到什么?
在自然界中，有许多动物像x战警中的金刚狼一样具有非凡的治愈能力。例如，壁虎可以重新长出失去的尾巴，蝾螈可以重新长出整个手臂。然而，没有人能比涡虫更显著地再生。
人类的再生能力非常有限。我们的肝脏可以在原来的1/3大小上再生。然而，其他主要器官，如大脑、心脏和肺，则完全不能再生。
当我们变老时，我们失去了储备的干细胞库。伤口修复能力下降，这是许多衰老和代谢相关疾病的主要原因，包括心脏病、糖尿病和神经退行性疾病。如果我们能补充我们体内的老细胞和受损细胞，我们可能从根本上治疗许多疾病。这个概念叫做"再生医学在美国，获得这些强大的干细胞进行补充将是成功的关键。
[在这幅图中]干细胞治疗和再生医学的概念。
尽管我们有一种强大的技术，iPSCs，从成熟细胞诱导干细胞，但我们仍在学习如何从一盘iPSCs中制造出功能器官。这就是为什么科学家们对涡虫如此热衷。如果我们能弄清楚涡虫的再生是如何决定的，这将为再生医学的目标提供策略，替换人类病人失去的器官或肢体。
再生医学的未来是充满希望的!随着我们对基因的了解越来越多(人类基因组计划)，科学家们发现我们与涡虫有许多相同的再生基因。有可能我们的再生能力被锁定了。与此同时，我们控制基因功能的能力在过去的几十年里有了很大的进步。像RNAi、CRISPR基因编辑和修饰过的mRNA等惊人的技术使我们能够打开/关闭或替换细胞中任何给定的基因。这些工具可以帮助我们解锁再生的能力。我乐观地相信再生医学的时代不会太远。
参考文献
“来吧，长个脑袋!”涡虫的前叶再生指南"
再生模型系统:涡旋虫
“动物组织再生”
