墨西哥鈍口螈。
本欄均為華大生命科學研究院供圖
墨西哥鈍口螈腦再生時空圖譜。
人類大腦在受傷之後，很難自行恢復，但墨西哥鈍口螈不僅能再生四肢、尾巴、眼睛、皮膚以及肝臟等器官，甚至還可以再生大腦。
為什麼墨西哥鈍口螈可以再生大腦？在這個過程中，發生了哪些關鍵的變化？有哪些重要的細胞參與？它們又分別行使了哪些功能？
為解答上述問題，由華大生命科學研究院、廣東省人民醫院等來自3個國家的18個單位的科學家共同組成的研究團隊分析比較了墨西哥鈍口螈腦發育和再生過程，構建了全球首個墨西哥鈍口螈腦再生時空圖譜。
通過研究，科學家找到了墨西哥鈍口螈腦再生過程中的關鍵神經幹細胞亞群，描繪了此類幹細胞亞群重構損傷神經元的過程，同時還發現其腦再生與發育過程具有一定的相似性，為認知腦結構和發育過程提供助力，為神經系統的再生醫學研究和治療提供新的方向。9月2日，相關成果以背靠背封面文章的形式發表於國際頂級學術期刊《科學》（Science）。相關研究成果已通過倫理審查，嚴格遵循相應法規和倫理準則。實驗中使用的墨西哥鈍口螈為實驗室培養而來。
關鍵神經幹細胞亞群
重構腦損傷神經元
墨西哥鈍口螈是蠑螈亞目鈍口螈屬的一類兩棲動物，成體體長在20—25厘米，頭大口裂大扁平頭部的兩側分布著六根羽狀的粉紅色外鰓，形似龍的犄角，因而也被稱作「六角恐龍」。其具有強大的再生能力，被科學家們作為重要的模式生物來研究再生的相關難題。
要了解墨西哥鈍口螈大腦如何再生，科學家首先要了解大腦是如何發育來的。據悉，科學家們利用堪稱超廣角百億像素「生命照相機」的時空組學技術Stereo-seq，在墨西哥鈍口螈腦發育的6個重要時期，分別拍攝照片，這組照片就構成了墨西哥鈍口螈的腦發育時空圖譜。
通過時空圖譜，科學家們能夠看到墨西哥鈍口螈腦在發育的過程中，各類神經元的分子特徵以及空間分布動態變化。結果發現，墨西哥鈍口螈腦從青少年時期就開始特化出具有空間區域特徵的神經幹細胞亞型。
據悉，神經幹細胞是一種具有分裂潛能和自我更新能力的母細胞，在神經系統疾病修復中扮演重要角色。
那大腦受到損傷後再生的過程是如何的呢？研究團隊對墨西哥鈍口螈腦的皮層區域進行機械損傷手術，並在損傷後的第2、5、10、15、20、30及60天，利用時空組學技術Stereo-seq對大腦樣本進行拍照，得到各個時間點的腦再生圖集，完整記錄了墨西哥鈍口螈大腦從損傷到再生修復完成的過程。
據了解，腦再生需要以時間和區域特定的方式協調複雜的反應，確定參與這一過程的細胞和分子將促進科學家對大腦再生的理解。
通過對比7個時期再生照片和過程中的傷口狀態，研究團隊發現，傷口區域在損傷早期就出現了新的神經幹細胞亞群，這群重要的細胞由損傷區域附近的其他神經幹細胞亞群在受到損傷刺激後激活轉化而來。「在後續損傷修復的過程中，我們看到這一群重要的激活態的神經幹細胞亞群能夠增殖，並且逐步分化。它們首先分化成中間態的神經祖細胞，進而分化成了未成熟的神經元，最後形成了成熟的神經元。經過這樣的分化過程，來填補損傷造成的神經元缺失，最後實現了損傷後腦部的神經再生。」論文的共同通訊作者、杭州華大生命科學研究院顧穎博士表示。
此外，雖然傷口處在修復早期便開始逐步被新生組織填充，但直到損傷後的第60天，照片才顯示損傷區域的細胞類型及空間分布恢復到了未損傷側的狀態。
納米級時空組學技術
實現原位細胞觀察
由於墨西哥鈍口螈的基因組巨大，科學家需要進行大量基因測序和海量數據分析。
技術的發展讓本研究的推進成為可能。「本研究主要基於華大自主研發的時空組學技術Stereo-seq進行，其達到了納米級亞細胞解析度，結合墨西哥鈍口螈細胞體積大的優勢，使得研究人員可以在時空單細胞解析度上解析墨西哥鈍口螈腦再生這一過程的重要細胞類型，並追蹤其細胞譜系變化的空間軌跡。」論文的第一作者、杭州華大生命科學研究院魏小雨博士介紹說。
相較於過去的顯微鏡、測序技術，時空組學技術能同時觀察到細胞形態和組織形態，並且能在分子層面對基因轉錄組進行全面檢測，實現了從高精度結構的角度去理解細胞功能。「因此，我們利用時空組學技術在研究墨西哥鈍口螈腦再生的過程中，實現了對大腦損傷再生中，損傷位置附近真正參與再生的關鍵幹細胞動態變化的原位觀察和分析。」文章通訊作者、廣東省人民醫院教授費繼鋒說。
「如在墨西哥鈍口螈腦損傷後的第2—15天，一類高表達的小膠質細胞和一類激活態的神經幹細胞亞群高度富集，前者可能與損傷後的免疫反應有關，而後者可能對再生過程有促進作用。」魏小雨說。
「這也提示了我們墨西哥鈍口螈腦損傷可能會誘導損傷部位重啟發育程序。」顧穎說。
通過精尖技術對墨西哥鈍口螈腦發育、腦損傷後7個時期的完整觀測，科研人員發現墨西哥鈍口螈腦發育和再生過程的神經元形成過程高度相似。
或為人類神經系統損傷
或退行性疾病的修復提供指導
「墨西哥鈍口螈腦再生時空圖譜的發布是神經元損傷再生領域的重要進展。」中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心研究員李澄宇表示。
選擇墨西哥鈍口螈進行研究，不只是因為它強大的再生能力。顧穎表示：「墨西哥鈍口螈在進化上相較於其他硬骨魚類更高等，與哺乳動物腦結構具有更高的相似度。同時，它的基因編碼序列與人類極其相似，研究墨西哥鈍口螈腦再生的啟動機制，發現其中的關鍵基因，或將為人類神經系統損傷或退行性疾病的修復提供重要指導。」
墨西哥鈍口螈腦再生過程中的關鍵基因，在人類的基因序列中也存在。那為什麼其沒有像在墨西哥鈍口螈腦中一樣發揮再生的作用？這或許是科學家下一步研究的課題。
「墨西哥鈍口螈腦發育及再生時空細胞圖譜的構建，對於我們理解兩棲類動物腦結構以及大腦結構的演化具有重要意義，為我們尋找有效的臨床治療方法，促進人類組織器官自我修復與再生提供了新的方向，也為物種進化研究提供了寶貴的數據資源。」論文的共同通訊作者、華大生命科學研究院院長徐訊表示。
未來，華大生命科學研究院還將通過時空多組學技術去探究更多器官、更多物種的發育和再生過程，找到再生過程中的關鍵調控機制，助力人類再生醫學的發展。「如在再生相關研究方向，我們還針對蠑螈的其他器官，如脊髓、肢體等進行研究。通過多個器官的損傷研究，希望能找出蠑螈再生的一些共性調控機制和系統的反應機制。」顧穎說。
除蠑螈外，研究人員還對其他的物種進行再生相關的研究，如渦蟲、一些魚類等。「還將實驗成果跟小鼠、靈長類的損傷修復進行對比，希望能找到物種在進化的過程中損傷修復能力會逐步減退的原因，也希望藉此找出一些能夠提升哺乳動物乃至人類損傷修復能力的機制和靶標。」顧穎說。
更為重要的是，針對腫瘤、心臟類疾病、感染類疾病等，科學家們已將時空組學工具應用在疾病的致病機理和干預機制的挖掘上，以為未來醫學診療提供更多線索。
南方日報記者 張秀娟
統籌：張志超
