[Science]论文 视黄素与细胞修复

Reactivation of mammalian regeneration by turning on an evolutionarily disabled genetic switch

好奇心+控制变量的研究方法

链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adp0176

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 王伟教授发布，通过对比兔子和老鼠耳朵穿孔后的复原，控制变量法发现了 视黄素对细胞修复的影响

该研究发现视黄酸(Retinoic Acid, RA)信号通路的活性强弱是决定哺乳动物耳廓再生与否的分子开关。可再生物种高表达视黄酸限速合成酶Aldh1a2，而不可再生物种低表达Aldh1a2、同时高表达视黄酸降解酶Cyp26a1。重新激活视黄酸信号可以使不能再生的小鼠重新获得再生能力。该研究鉴定了领域内第一个参与哺乳动物再生能力演化的分子开关。

器官再生在自然界中广泛存在，但是不同物种间再生能力的强弱分布不均。部分动物在遭受急性损伤后，可以通过再生实现组织结构及功能的完全恢复。例如硬骨鱼及蝾螈的肢体、心脏、脊髓、肾脏等器官在损伤后可以通过再生恢复原有功能；而鸟类及哺乳动物的多数器官再生能力十分有限。以人类为例，心脏及中区神经系损伤后因无法自我修复会造成严重的器官功能丧失，进而导致个体失去生活能力或者致死。器官再生作为一个显而易见的对物种生存有利的性状，在物种形成及演化过程中为何部分动物会丧失再生能力以及如何重新获得这一能力是生物学及再生医学领域的亟待解决的核心科学问题之一。

脊椎动物中具有极强再生能力的物种主要是低等动物(如鱼类及蝾螈)，因为存在巨大的系统发育距离(Phylogenetic distance),直接比较低等动物再生和哺乳动物损伤修复之间的区别难以发现关键的遗传变化。为克服这一核心困难，作者选用了一个哺乳动物特有的、易于观察及操作的、具有再生多样性的器官—外耳(耳廓，ear-pinna)来阐明再生能力调控的基本原理。

外耳约于1.6亿年前在哺乳动物中进化产生，其主要作用是高效收集周围环境的声音并传递到内耳以加强声音来源方向判断的准确性、进而提高个体躲避捕食者的效率。耳廓损伤模型是一种既简单又复杂的器官再生研究模型，它操作简便且易于观察，但同时拥有较为复杂的内部组织结构：包含了表皮、真皮、肌肉、软骨和外周神经等(图1)。除此之外，兔子和非洲刺毛鼠(African spiny mice)等可以进行耳廓再生，而小鼠和大鼠等无法再生损伤的耳廓。

图1 小鼠耳廓的内部结构，从上到下分别为：表皮(Epidermis)、真皮(Dermis)、肌肉(Muscle)、软骨(Cartilage)、真皮(Dermis)、表皮(Epidermis)

该研究首先从损伤组织的形态结构、细胞类型、基因表达等多个维度详细地比较了兔子(可再生)和小鼠(不可再生)在耳廓损伤后响应程序的异同。

作者发现在损伤愈合的前期，可再生和不可再生物种损伤部位形成的组织结构和细胞类型高度相似，均存在一群损伤诱导产生的成纤维细胞(Wound-induced fibroblasts, WIFs)。

通过比较两个物种的WIFs在基因表达层面的差异，研究人员鉴定了9个潜在关键差异基因(在兔子WIFs高表达，小鼠WIFs不表达)。随后，通过AAV介导的基因过表达策略，作者发现过表达视黄酸的限速合成酶Aldh1a2可以完全逆转小鼠不能再生的表型，与此同时，直接通过外源补充视黄酸也可以使小鼠和大鼠重新获得再生能力。视黄酸诱导的再生可以完全恢复损伤后丢失的耳廓内部组织结构，包括软骨、外周神经等。

进一步通过结合表观组学和三维基因组学技术，研究人员发现兔子Aldh1a2基因的附近存在多个损伤响应的增强子，共同调控该基因损伤后的表达。这一现象在小鼠和大鼠中则正好相反，绝大部分的增强子都已丢失或不再响应损伤，进而导致Aldh1a2在损伤后表达不足。这一发现证实了王伟博士在此前工作中提出的“动物再生能力的丢失很有可能是通过再生响应增强子的变化实现的”这一理论假说(Wang et. al., Science, 2020)。

进一步，作者利用兔子的增强子在小鼠耳廓中驱动Aldh1a2的表达可以显著促进再生。综上所述，该研究首次揭示了视黄酸信号通路在动物再生能力演化过程中的重要地位(图2)。这一重要发现为通过再生医学手段实现人体重要器官损伤后的自我修复提供了新思路，同时为解析其他重要器官再生能力丢失的分子机制提供了新的研究范式。

图2 再生能力演化模型。在小鼠和大鼠中，Aldh1a2基因关联的增强子活性的丢失导致视黄酸限速合成酶在损伤后表达不足，进而引起视黄酸信号通路活性较低、无法诱导WIFs进行形态发生产生新的组织。激活RA信号通路让小鼠及大鼠重新获得再生能力。