墨西哥钝口螈。
本栏均为华大生命科学研究院供图
墨西哥钝口螈脑再生时空图谱。
人类大脑在受伤之后，很难自行恢复，但墨西哥钝口螈不仅能再生四肢、尾巴、眼睛、皮肤以及肝脏等器官，甚至还可以再生大脑。
为什么墨西哥钝口螈可以再生大脑？在这个过程中，发生了哪些关键的变化？有哪些重要的细胞参与？它们又分别行使了哪些功能？
为解答上述问题，由华大生命科学研究院、广东省人民医院等来自3个国家的18个单位的科学家共同组成的研究团队分析比较了墨西哥钝口螈脑发育和再生过程，构建了全球首个墨西哥钝口螈脑再生时空图谱。
通过研究，科学家找到了墨西哥钝口螈脑再生过程中的关键神经干细胞亚群，描绘了此类干细胞亚群重构损伤神经元的过程，同时还发现其脑再生与发育过程具有一定的相似性，为认知脑结构和发育过程提供助力，为神经系统的再生医学研究和治疗提供新的方向。9月2日，相关成果以背靠背封面文章的形式发表于国际顶级学术期刊《科学》（Science）。相关研究成果已通过伦理审查，严格遵循相应法规和伦理准则。实验中使用的墨西哥钝口螈为实验室培养而来。
关键神经干细胞亚群
重构脑损伤神经元
墨西哥钝口螈是蝾螈亚目钝口螈属的一类两栖动物，成体体长在20—25厘米，头大口裂大扁平头部的两侧分布着六根羽状的粉红色外鳃，形似龙的犄角，因而也被称作“六角恐龙”。其具有强大的再生能力，被科学家们作为重要的模式生物来研究再生的相关难题。
要了解墨西哥钝口螈大脑如何再生，科学家首先要了解大脑是如何发育来的。据悉，科学家们利用堪称超广角百亿像素“生命照相机”的时空组学技术Stereo-seq，在墨西哥钝口螈脑发育的6个重要时期，分别拍摄照片，这组照片就构成了墨西哥钝口螈的脑发育时空图谱。
通过时空图谱，科学家们能够看到墨西哥钝口螈脑在发育的过程中，各类神经元的分子特征以及空间分布动态变化。结果发现，墨西哥钝口螈脑从青少年时期就开始特化出具有空间区域特征的神经干细胞亚型。
据悉，神经干细胞是一种具有分裂潜能和自我更新能力的母细胞，在神经系统疾病修复中扮演重要角色。
那大脑受到损伤后再生的过程是如何的呢？研究团队对墨西哥钝口螈脑的皮层区域进行机械损伤手术，并在损伤后的第2、5、10、15、20、30及60天，利用时空组学技术Stereo-seq对大脑样本进行拍照，得到各个时间点的脑再生图集，完整记录了墨西哥钝口螈大脑从损伤到再生修复完成的过程。
据了解，脑再生需要以时间和区域特定的方式协调复杂的反应，确定参与这一过程的细胞和分子将促进科学家对大脑再生的理解。
通过对比7个时期再生照片和过程中的伤口状态，研究团队发现，伤口区域在损伤早期就出现了新的神经干细胞亚群，这群重要的细胞由损伤区域附近的其他神经干细胞亚群在受到损伤刺激后激活转化而来。“在后续损伤修复的过程中，我们看到这一群重要的激活态的神经干细胞亚群能够增殖，并且逐步分化。它们首先分化成中间态的神经祖细胞，进而分化成了未成熟的神经元，最后形成了成熟的神经元。经过这样的分化过程，来填补损伤造成的神经元缺失，最后实现了损伤后脑部的神经再生。”论文的共同通讯作者、杭州华大生命科学研究院顾颖博士表示。
此外，虽然伤口处在修复早期便开始逐步被新生组织填充，但直到损伤后的第60天，照片才显示损伤区域的细胞类型及空间分布恢复到了未损伤侧的状态。
纳米级时空组学技术
实现原位细胞观察
由于墨西哥钝口螈的基因组巨大，科学家需要进行大量基因测序和海量数据分析。
技术的发展让本研究的推进成为可能。“本研究主要基于华大自主研发的时空组学技术Stereo-seq进行，其达到了纳米级亚细胞分辨率，结合墨西哥钝口螈细胞体积大的优势，使得研究人员可以在时空单细胞分辨率上解析墨西哥钝口螈脑再生这一过程的重要细胞类型，并追踪其细胞谱系变化的空间轨迹。”论文的第一作者、杭州华大生命科学研究院魏小雨博士介绍说。
相较于过去的显微镜、测序技术，时空组学技术能同时观察到细胞形态和组织形态，并且能在分子层面对基因转录组进行全面检测，实现了从高精度结构的角度去理解细胞功能。“因此，我们利用时空组学技术在研究墨西哥钝口螈脑再生的过程中，实现了对大脑损伤再生中，损伤位置附近真正参与再生的关键干细胞动态变化的原位观察和分析。”文章通讯作者、广东省人民医院教授费继锋说。
“如在墨西哥钝口螈脑损伤后的第2—15天，一类高表达的小胶质细胞和一类激活态的神经干细胞亚群高度富集，前者可能与损伤后的免疫反应有关，而后者可能对再生过程有促进作用。”魏小雨说。
“这也提示了我们墨西哥钝口螈脑损伤可能会诱导损伤部位重启发育程序。”顾颖说。
通过精尖技术对墨西哥钝口螈脑发育、脑损伤后7个时期的完整观测，科研人员发现墨西哥钝口螈脑发育和再生过程的神经元形成过程高度相似。
或为人类神经系统损伤
或退行性疾病的修复提供指导
“墨西哥钝口螈脑再生时空图谱的发布是神经元损伤再生领域的重要进展。”中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心研究员李澄宇表示。
选择墨西哥钝口螈进行研究，不只是因为它强大的再生能力。顾颖表示：“墨西哥钝口螈在进化上相较于其他硬骨鱼类更高等，与哺乳动物脑结构具有更高的相似度。同时，它的基因编码序列与人类极其相似，研究墨西哥钝口螈脑再生的启动机制，发现其中的关键基因，或将为人类神经系统损伤或退行性疾病的修复提供重要指导。”
墨西哥钝口螈脑再生过程中的关键基因，在人类的基因序列中也存在。那为什么其没有像在墨西哥钝口螈脑中一样发挥再生的作用？这或许是科学家下一步研究的课题。
“墨西哥钝口螈脑发育及再生时空细胞图谱的构建，对于我们理解两栖类动物脑结构以及大脑结构的演化具有重要意义，为我们寻找有效的临床治疗方法，促进人类组织器官自我修复与再生提供了新的方向，也为物种进化研究提供了宝贵的数据资源。”论文的共同通讯作者、华大生命科学研究院院长徐讯表示。
未来，华大生命科学研究院还将通过时空多组学技术去探究更多器官、更多物种的发育和再生过程，找到再生过程中的关键调控机制，助力人类再生医学的发展。“如在再生相关研究方向，我们还针对蝾螈的其他器官，如脊髓、肢体等进行研究。通过多个器官的损伤研究，希望能找出蝾螈再生的一些共性调控机制和系统的反应机制。”顾颖说。
除蝾螈外，研究人员还对其他的物种进行再生相关的研究，如涡虫、一些鱼类等。“还将实验成果跟小鼠、灵长类的损伤修复进行对比，希望能找到物种在进化的过程中损伤修复能力会逐步减退的原因，也希望借此找出一些能够提升哺乳动物乃至人类损伤修复能力的机制和靶标。”顾颖说。
更为重要的是，针对肿瘤、心脏类疾病、感染类疾病等，科学家们已将时空组学工具应用在疾病的致病机理和干预机制的挖掘上，以为未来医学诊疗提供更多线索。
南方日报记者 张秀娟
统筹：张志超
