Science 重大发现：哈佛大学的科学家研究揭示了控制全身再生过程的基因开关
2019/3/17 2:35:58 世界医疗科技资讯
研究人员正在揭示动物如何进行全身再生，并揭示了许多似乎控制过程中使用的基因的DNA转换。
当谈到再生时，一些动物能够展现惊人的能力： 如果你从蝾螈身上割下腿，它会重新长出来。当受到威胁时，一些壁虎会将它们的尾巴作为分散注意力，并在以后重新生长。
其他动物也有更进一步的再生能力。苍蝇蠕虫，水母和海葵实际上可以在切成两半后再生整个身体。
在哈佛大学有机和进化生物学助理教授Mansi Srivastava的带领下，一个研究小组正在揭示动物如何实现这一壮举，并发现了一些似乎控制全身再生基因的DNA转换。这项研究发表在3月15日的“ 科学”杂志上。
为什么这些动物似乎可以永远不死呢？其中的分子机制是什么呢？
主控基因EGR
他们采用的是three-banded panther worms，一种研究再生的模式动物，研究发现一段非编码DNA可以调控一种被称为早期生长反应(early growth response，EGR)的“主控基因”，一旦EGR被激活，就可以调控其它基因，打开或关闭许多生理过程。
Srivastava表示，“观察自然界经常会提出这样一个问题，那就是为什么壁虎能做到，为什么我们不能？有许多物种可以再生，也有许多物种不能再生，事实证明，如果你比较所有动物的基因组，就会发现我们大多数的基因其实都差不多，因此我们认为这其中的答案可能并不是说某些基因是否存在，而是它们如何连接在一起的，也就是答案来自于基因组的非编码部分。”
“要使这个过程起作用，细胞中的DNA通常需要被紧密折叠和压实，”文章的另外一位作者，Andrew Gehrke说，“基因组中许多包装非常紧密的区域实际上变得可以更开放，因为那里有监管开关，打开或关闭基因。因此，本文的一个重要发现就是基因组实际上处于一种非常动态的状态中，在再生过程中真正发生变化的是不同的区域。”
新一代再生研究模式动物
为了清楚的了解这个过程，Gehrke和Srivastava必须重新组装动物的序列，这个过程并不简单。
“这也是本文的重要组成部分，我们发布了这个物种的基因组，这很重要，因为这是这个门被测序的第一个物种，”Srivastava说。
“以前关于其他物种的研究有助于我们学习很多有关再生的知识，”她说，“但是我们为什么要挑选它来作为研究对象的，原因之一是这些动物处于一个非常重要的系统发育位置，它们与其他动物的关系能帮助我们提出一些与进化有关的观点。”
“另一个原因是它们确实很适用于实验，几年前博后阶段，我从百慕大找到了这些虫子，把它们带回了实验室，事实证明它们比其它系统更适用于一些研究工具。”
最终，Gehrke确定了多达18,000个变化区域，研究证明EGR就像一个再生的电源开关——一旦打开，就可以激发其它生理过程，没有它，就没有任何反应。
而且，研究人员也证明其它物种，包括人类中也存在主控基因EGR和其它下游打开或关闭的基因。
为何人类不能再生？
“但问题是：如果人类可以打开EGR，而且不仅能打开它，还可以在细胞受损时打开它，那么为何我们不能再生呢？”Srivastava说，“答案可能在于，如果EGR是电源开关，我们认为人体的接线是不同的。人体细胞中EGR信号指令指向的方向与three-banded panther worm不同。我们这项研究找到了一种弄清楚这种连接的方法，因此我们想要找到这种连接，然后将其应用于其它动物，比如其它只能进行有限再生的脊椎动物。”
Srivastava和Gehrke说，我们希望能了解整个基因组动态，了解EGR和其它基因激活再生过程的精确方式，而且这些研究不仅强调了理解基因组的价值，还强调了解所有基因组，非编码以及编码部分的重要性。
“我认为我们只是触及了表面，”Gehrke说，“我们已经研究了这些开关中的一些，但是基因组如何在更大范围内进行交流呢？不仅仅是如何打开和关闭碎片基因，而是所有的这一切对于打开和关闭基因都很重要，因此我认为这种监管性质有多层次。”
使用三带黑豹蠕虫来测试这个过程，Srivastava和她实验室工作的博士后研究员Andrew Gehrke发现，一段非编码DNA可以控制一种叫做早期生长反应的“主控制基因”的激活，或EGR。一旦激活，EGR通过打开或关闭其他基因来控制许多其他过程。
“我们发现这个主基因正在发生......并且正在激活在再生期间开启的基因，”Gehrke说。“基本上，正在发生的事情是非编码区域正在告诉编码区域打开或关闭，所以考虑它的好方法就好像它们是交换机一样。”
Gehrke说，要使这个过程起作用，蠕虫细胞中的DNA通常会被紧密折叠和压实，必须改变，使新的区域可用于激活。
“基因组中许多非常紧密的部分实际上变得更加开放，因为那里有监管开关必须打开或关闭基因，”他说。“因此，本文的一个重要发现是基因组非常动态，并且在再生过程中真正发生变化，因为不同的部分是打开和关闭的。”
但是在Gehrke和Srivastava能够理解蠕虫基因组的动态性质之前，他们必须组装它的序列 - 这本身并不是一件简单的壮举。
“这是本文的重要组成部分 - 我们正在发布这个物种的基因组，这很重要，因为它是这个门的第一个，”斯里瓦斯塔瓦说。“到目前为止，还没有完整的基因组序列。”
她说，这也是值得注意的，因为这三只带状黑豹代表了一种新的模型系统来研究再生。
“以前关于其他物种的研究有助于我们学习很多有关再生的知识，”她说。“但是有一些理由可以使用这些新蠕虫，其中之一就是它们处于一个重要的系统发育位置，所以它们与其他动物的关系......让我们能够对进化做出陈述。
“另一个原因是他们真的很棒的实验室老鼠，”她继续道。“几年前我在博士后期间在百慕大收集了它们，自从我们将它们带入实验室后，它们可以使用比其他系统更多的工具。”
虽然这些工具可以在再生过程中展示基因组的动态性质 - 但Gehrke能够确定多达18,000个变化的区域 - 重要的是她说的是他能够从研究它们获得多少意义。
她说，结果显示EGR就像一个再生的电源开关 - 一旦打开，其他过程就可以发生，但没有它，没有任何反应。
“我们能够降低这种基因的活性，我们发现，如果你没有Egr，没有任何事情发生，”Srivastava说。“动物不能再生。所有这些下游基因都不会打开，所以其他开关不起作用，整个房子基本上变黑了。”
虽然该研究揭示了该过程如何在蠕虫中发挥作用的新信息，但它也可能有助于解释为什么它不适用于人类。
“事实证明，主要基因Egr和其他正在下游打开和关闭的基因存在于其他物种中，包括人类，”Gehrke说。
“我们在蠕虫Egr中称这种基因的原因是因为当你观察它的序列时，它类似于已经在人类和其他动物中研究过的基因，”Srivastava说。“如果你在盘子里放入人体细胞并对它们施加压力，无论是机械还是毒性，他们都会马上表达Egr。
“但问题是：如果人类可以打开Egr，不仅打开它，而且在我们的细胞受伤时这样做，为什么我们不能再生呢？” 斯里瓦斯塔瓦说。“答案可能是，如果EGR是电源开关，我们认为接线是不同的。人体细胞中与人们谈论的EGR可能与它在三带黑豹中所说的不同，以及安德鲁所做的事情。通过这项研究得出了一种方法来获得这种连接。所以我们想弄清楚这些连接是什么，然后将其应用于其他动物，包括脊椎动物只能进行更有限的再生。“
继续前进，Srivastava和Gehrke说，他们希望研究再生过程中激活的遗传开关是否与开发过程中使用的相同，并继续努力更好地理解基因组的动态性质。
“现在我们知道了用于再生的开关，我们正在研究开发中涉及的开关，以及它们是否相同，”Srivastava说。“你刚刚重新开发，还是涉及不同的过程？”
该团队还致力于了解EGR和其他基因激活再生过程的精确方式，包括三带黑豹和其他物种。
最后，Srivastava和Gehrke说，该研究不仅强调了理解基因组的价值，还强调了解所有基因组 - 非编码以及编码部分。
“只有大约2%的基因组会产生类似蛋白质的东西，”Gehrke说。“我们想知道：全身再生过程中其他98%的基因组是做什么的？人们早就知道导致疾病的许多DNA变化都在非编码区域......但它一直被低估像全身再生这样的过程。
“我认为我们只是触及了表面，”他继续道。“我们已经研究了这些开关中的一些，但是基因组如何在更大范围内进行交互还有另外一个方面，而不仅仅是如何打开和关闭碎片，所有这一切对于打开和关闭基因都很重要，所以我认为这种监管性质有多层次。“
“观察自然界是一个非常自然的问题，并认为，如果壁虎可以做到这一点，为什么我不能，”斯里瓦斯塔瓦说。“有许多物种可以再生，有些物种不能再生，但事实证明，如果你比较所有动物的基因组，我们所拥有的大部分基因也都存在于三只带状黑豹中...所以我们认为其中一些答案可能不是来自某些基因是否存在，而是来自它们如何连接或联网在一起，而答案只能来自基因组的非编码部分。“
一些动物，包括某些类型的蠕虫，可以进行全身再生，并取代几乎任何缺失的细胞类型。Gehrke 等人对Hofstenia miamia的基因组进行了测序和组装，这是一种再生的蚯蚓物种(参见Alonge和Schatz的Perspective)。他们鉴定了一个可变基序，对应于参与再生的早期生长反应(egr)基因的调节。RNA干扰实验和第二个物种的验证表明蛋白质Egr是刺激再生的先驱因子。
虽然所有动物都可以治愈伤口，但是有些动物能够从原始生物的小碎片重建它们的整个身体。全身再生需要伤口信号，干细胞动力学和位置同一性的相互作用，所有这些都已经在基因组的蛋白质编码水平上进行了研究。关于基因组的非编码部分如何响应受伤以控制基因表达并启动全身再生过程知之甚少。了解这些控制点(调节区域)如何被激活然后在再生期间运行将揭示基因如何连接到网络，最终重建整个身体轴。转录调控基因网络可以揭示动物如何培养新皮肤，肌肉甚至整个大脑的重要机制。
为了鉴定参与全身再生的调节区域，我们测定了高度再生的霍夫斯替尼(Hofstenia miamia)的基因组，通常称为三带黑豹。配备这个基因组，我们推断使用测序(ATAC-seq)应用转座酶可接触的染色质的测定将识别响应于截肢和全身再生期间变化的调节区域。此外，通过分析这些调节区域内包含的序列基序，我们试图预测哪些转录因子(TF)控制再生基因网络。
所述Hofstenia基因组装配总计序列的950兆碱基，具有足够的邻接功能基因组学。ATAC-seq数据显示数千个染色质区域在再生过程中动态响应。这些区域中TF结合基序的全基因组扫描确定EGR(早期生长响应)基序是最具活力的。通过结合RNA干扰(RNAi)和RNA-seq，我们预测了Hofstenia中的一组Egr靶基因。我们发现大多数这些靶基因在再生响应染色质的邻近区域中含有EGR结合基序，其在egr下未能响应-RNAi。这种功能验证使我们能够建立基因调控网络(GRN)，Egr作为下游再生基因的直接主调节因子。最后，通过量化各个基序上TF的结合概率，我们确定了Egr下游TF的靶标，扩展了再生GRN。
使用我们的监管数据，我们推断出GRN在acoel发动全身再生H. miamia，其中主调节器的Egr 作为一个公认的先驱因素直接激活的伤口诱导的基因。该网络包括参与其他物种再生的基因同源物，表明它可以作为直接比较远缘动物的再生途径的模板。我们将染色质可及性的全基因组测定与功能研究相结合的方法可用于在Hofstenia再生中及时扩展网络并构建GRN以在其他系统中再生。
对H. miamia的基因组进行了测序，并使用ATAC-seq鉴定了数千个染色质的再生反应区。结合基序分析，ATAC-seq和RNAi，确定Egr是Hofstenia中再生的主要调节因子，并推断出Egr控制的GRN用于再生。
全身再生伴随着复杂的转录组学变化，但介导这种动态反应的染色质调节环境仍未得到探索。为了破译协调再生的监管逻辑，我们对霍布斯特氏菌(Hofstenia miamia)的基因组进行了测序，这是其他双子宫的姊妹血统的高度再生成员。表观遗传学分析揭示了数千个再生响应染色质区域并鉴定了动态结合的转录因子基序，早期生长反应(EGR)结合位点是霍夫替尼再生期间最易变的。结合egr用染色质谱分析表明，Egr是直接调节早期伤口诱导基因的先驱因子。通过这种方法推断的遗传连接允许构建用于全身再生的基因调控网络，从而能够基于基因组学比较跨物种的再生。
这项研究得到了哈佛大学米尔顿基金会，塞尔学者计划，史密斯家庭基金会，国家科学基金会，海伦·艾伦尼基金会，人类前沿科学计划，国立卫生研究院，生物医学大学的资助。培训项目，加州大学伯克利分校，Marthella Foskett Brown生物科学教席和霍华德休斯医学研究所。
文章来源
Acoel genome reveals the regulatory landscape of whole-body regeneration
Science 15 Mar 2019:
Vol. 363, Issue 6432, eaau6173
DOI: 10.1126/science.aau6173
http://science.sciencemag.org/content/363/6432/eaau6173
www.sciencedaily.com/releases/2019/03/190314151546.htm
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