6月27日凌晨2點，中國科學家在《科學》（Science）雜志上線的最新研究成果發(fā)現(xiàn)，Aldh1a2基因的表達不足導致的視黃酸合成不足是高等哺乳動物小鼠耳廓再生失敗的核心機制。在激活該基因后，小鼠耳廓實現(xiàn)了再生。這為深入理解進化過程中哺乳動物的再生能力丟失提供了新的見解，并為再生醫(yī)學和人類受損器官的重建與再生提供了重要靶標。

上述研究由北京生命科學研究所林煒鋒博士研究生、賈小慧博士研究生、北京華大生命科學研究院石小峰副研究員、西北農(nóng)林科技大學赫秋亞副教授、北京華大生命科學研究院張盼玉助理研究員為論文共同第一作者。北京生命科學研究所王偉研究員、北京華大生命科學研究院鄧子卿研究員和西北農(nóng)林科技大學羅軍教授為論文共同通訊作者。

研究截圖

小鼠耳廓為何不能再生？關(guān)鍵在這個基因

“在自然界中，很多低等動物都擁有極強的再生能力，但隨著物種演化，人類、小鼠等高等動物僅保留有限的能力?！北本┥茖W研究所研究員王偉介紹，耳廓雖然結(jié)構(gòu)簡單，但包含多種細胞類型，如肌肉、表皮、皮膚、軟骨和脂肪組織。此外，耳廓在形態(tài)和感知能力上具有多樣性。

“哺乳動物中存在大量可再生耳廓的物種，如果我們在家兔的耳朵上打一個直徑4毫米或8毫米的小洞，在1個月內(nèi)缺失的組織就能恢復如初。而小鼠就不具備這種再生能力，受傷后只能傷口愈合，無法實現(xiàn)再生。通過單細胞組織研究，我們發(fā)現(xiàn)了一些關(guān)鍵的細胞群體，表明再生能力主要與損傷后的細胞行為相關(guān)。”王偉說。

研究團隊選取了哺乳動物特有器官耳廓（外耳）為研究模型，基于單細胞RNA測序和華大自主研發(fā)的時空組學技術(shù)Stereo-seq，描繪了可再生物種（兔子）與不可再生物種（小鼠）耳廓損傷后再生/修復的高分辨率單細胞時空動態(tài)過程，逐時逐步觀察傷口處每個細胞類型的變化和基因表達動態(tài)，精確對比再生過程和普通愈合過程有何不同。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，小鼠耳廓再生失敗與視黃酸合成不足有關(guān)。視黃酸是維生素A的一種代謝產(chǎn)物，與細胞發(fā)育密切相關(guān)。而小鼠視黃酸不足主要是因為視黃酸合成限速酶Aldh1a2的表達不足，以及視黃酸本身的降解加速。

兔子耳廓再生與小鼠耳廓修復過程中視黃酸的合成和降解

關(guān)鍵基因“開關(guān)”的進化丟失

為什么小鼠的Aldh1a2基因表達會不足？科研團隊通過進化生物學比較發(fā)現(xiàn)，在兔子的基因組中，保留了負責調(diào)控Aldh1a2基因的一些關(guān)鍵DNA序列。這些調(diào)控序列被稱為“增強子”，可以理解為基因表達的開關(guān)或加速器。研究人員在兔子Aldh1a2基因附近發(fā)現(xiàn)了6個活躍的增強子（AE1～AE6），其中有兩個增強子（AE1和AE5）在耳廓受傷再生時會被強烈激活，相當于在兔子受傷后及時按下“開關(guān)”，大大提高了Aldh1a2的表達，在兔子傷口處源源不斷地產(chǎn)生視黃酸，幫助組織再生。

可惜的是，研究團隊僅在小鼠對應(yīng)的基因區(qū)域找到了1個活性增強子（AE3），其他與再生相關(guān)的調(diào)控元件都已失活。

研究團隊介紹，換句話說，小鼠體內(nèi)調(diào)控Aldh1a2基因的“按鈕”大都消失了，受傷后想要大幅度開啟Aldh1a2基因表達非常困難。這一進化差異解釋了為什么小鼠耳廓受傷后Aldh1a2“叫不醒”、視黃酸產(chǎn)量提不高，從而無法像兔子那樣再生組織。

激活關(guān)鍵基因，小鼠耳廓再生

如果人為按下這些丟失的“開關(guān)”，是否就能讓失去再生能力的動物實現(xiàn)再生呢？研究團隊進行了探索：他們嘗試直接激活Aldh1a2基因或外源補充視黃酸，發(fā)現(xiàn)都可以使本不具備再生能力的成年小鼠耳廓傷口，出現(xiàn)了多能性細胞（成纖維細胞），從而重建了耳廓的軟骨與神經(jīng)組織。也就是說，小鼠耳朵的傷口不再只是簡單結(jié)疤，而是實現(xiàn)了再生。

此外，研究團隊還將兔子的增強子AE1導入小鼠的基因組，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，受傷后的小鼠耳廓Aldh1a2基因表達顯著提高，視黃酸增加，耳廓的再生能力也得到明顯提升。

王偉表示，此次實驗讓原本不具備再生能力的小鼠，完全獲得了再生能力，這是該領(lǐng)域內(nèi)的重要突破?！把芯拷沂玖似鞴僭偕芰G失的關(guān)鍵因素，為未來解決中樞神經(jīng)系統(tǒng)和內(nèi)臟器官如心臟的功能再生提供了新的解決方案。”