水螅的生殖方式-水螅的生殖方式圖片

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最近，發表在《自然》雜誌上的一項研究，得到了令人驚奇的結果：瑞士日內瓦大學的生物學家布裏吉特.加利奧特（Brigitte Galliot）帶領的團隊，讓一種動物長出了多個腦袋，就像希臘神話中的“九頭怪”！科學家是怎麽做到這一點的？這項研究對於我們理解生命的奧秘，對於疾病的治療又有什麽意義呢？讓我們來了解一下。

這是一種什麽樣的動物？

瑞士日內瓦大學的科學家用作研究對象的動物其實非常小，是一群“身高”不到1厘米的異形小動物——水螅（Hydra）。水螅是一種無脊椎腔腸動物，它們大多生活在含氧量充足的淡水中，例如田間水質清潔的池窪，而池窪中的一些水蚤，正是它們天然的美食。

看似過著閑適生活的水螅，它們的生長和繁殖能力足以秒殺地球上的所有的生物。水螅不僅可以做到“長生不老”，還可以做到“永葆青春”。它們體內的幹細胞可以不斷分裂，也就意味著水螅可以不斷更新自己的體細胞，然後“返老還童”。

與此同時，它們的繁育能力絲毫不受到年齡的影響，並且當外界環境發生較大變化時，水螅甚至可以一反平時無繁殖（出芽生殖）的常態，打開有繁殖的大門，產生更多健康的後代，可謂生存和繁殖能力爆表，因此它們也作為科學家研究長壽和癌症的重要實驗對象。

圖注：自然狀態下的水螅，生存和繁殖能力爆表，圖中可見出芽（無生殖）

水螅是怎樣長出九個腦袋的？

加利奧特長期致力於細胞生物學和發育生物學領域的研究，發表了近百篇高水平論文。早在2009年，加利奧特教授就發現一個名為WNT3的蛋白所參與的信號通路，對於水螅頭部的再生發揮著重要的作用；然而在當時，加利奧特和同事並不清楚，是什麽機製控製上述細胞信號通路的活動，進而調控水螅頭部的再生過程。

於是，在過去近10年中，他們一直致力於探索這個問題。時間一轉，來到2018年，加利奧特團隊終於取得了突破進展。他們在水螅體內找到了一個名為Sp5的基因，並且發現，隻要在一定程度上抑製該基因的表達，就可以讓水螅長出多個腦袋。這是怎麽回事呢？

實際上，從生物學機製上來看，讓水螅長出多個腦袋的過程並不複雜。在WNT3蛋白參與的信號通路中，一個叫做catenin的蛋白在其中起到了很大的作用。catenin這種蛋白可以進入細胞核中，促進細胞源源不斷地生產水螅頭部再生所需要的蛋白。

這也是WNT信號通路對於生物體生長發育常見的作用方式。但是catenin很容易在細胞中被“消滅”（被其他蛋白降解），這時候，WNT3蛋白起到了對catenin“保駕護航”的作用，它將catenin從“消滅”它的蛋白手中解救出來。

這樣，未被降解的catenin就可以繼續留在細胞中發揮它的生物學功能了。

但在正常情況下，水螅頭部的生長和發育並不會肆無忌憚，天然生長的水螅隻有一個頭部。因此，加利奧特團隊猜想，必定存在一個開關一樣的生物機製，可以控製WNT3信號通路的開放和閉合，以保證水螅頭部正常的生長和發育。基於這個想法，他們選取了頭部發育處於旺盛時期的水螅作為研究對象，然後利用生物技術手段，多次篩選，終於找到了Sp5這個基因。

圖注：在水螅體內，WNT3為catenin保駕護航，而catenin可促進水螅頭部再生，但正常情況下這種作用會被抑製

加利奧特團隊在研究中發現，Sp5基因編碼的蛋白可以抑製編碼WNT3蛋白的基因，使其不能產生足量的WNT3蛋白，於是catenin也就失去了為自己“保駕護航”的夥伴。這樣，Sp5基因編碼的蛋白就在一定程度上阻止了catenin進入細胞核內，從而導致細胞不能生產讓水螅頭部再生的蛋白了。

更有意思的是，Sp5基因也會受到catenin的調節。也就是說，編碼WNT3、catenin蛋白的基因，以及Sp5基因，它們三個之間的相互作用組成了一個循環，Sp5可以抑製WNT3蛋白的基因，WNT3蛋白會保護catenin蛋白，catenin蛋白又會促進Sp5基因的表達。當這個循環正常運轉時，水螅頭部就會正常發育。但是，這個循環一旦被打斷，水螅頭部的發育就會出問題。

圖注：水螅體內的調節圈（綠色箭頭代表“促進”，紅色箭頭代表“抑製”）；當循環被打破時，水螅的頭部發育出現問題（右邊展示了三種不同的多頭情況）

為了驗證這一設想，加利奧特團隊分別在不同的水螅中，敲除了編碼catenin的基因和Sp5基因。得到的水螅形態與上述理論猜想十分一致：敲除catenin的基因，水螅頭部的發育會變得遲緩；

而敲除Sp5基因後，則產生了讓人震驚的結果-沒有了抑製因素，水螅頭部的發育變得瘋狂起來，有些水螅甚至長出了九個腦袋！

圖注：電子顯微鏡下長著多個頭部的水螅

那麽，這個令人震驚的結果，對於生物學其他領域有什麽啟示呢？

這項研究有什麽啟示？

要回答這個問題，我們的注意力需要回到WNT3信號通路本身。

實際上，WNT3蛋白是一個蛋白大類中的一員，我們把這一類蛋白叫做WNT蛋白家族。這個蛋白家族在漫長的演化過程中非常保守——保守的意思是，雖然生物體經過了長時間的演化，但這個蛋白家族沒怎麽改變。因此，WNT蛋白家族的成員所在的信號通路，在很多生物體中都存在，並且都與生長發育有關。

更有意思的是，WNT蛋白家族最初是在小鼠的乳腺癌細胞中被發現的——一些科學家發現，當小鼠患有乳腺癌時，WNT蛋白家族成員的活會顯著上升。還有科學家發現，如果在小鼠的胚胎時期敲除編碼WNT蛋白的基因，那麽小鼠的發育就會不健全。後續研究還發現， WNT蛋白家族對神經係統的發育也很重要。

從這些研究可以看出，WNT蛋白家族，以及它們所參與的信號通路，不僅與多種生物體的生長發育有關，還與腫瘤的發生發展存在關聯。打個比方，WNT信號通路就像在戰場中指引士兵衝擊的衝鋒號，給細胞發出“向前衝”的信號和指令。但是，即便是發育中的生物體也不能肆意生長，就像打仗也需要適當的指揮，如果沒有指揮，隻知道衝鋒，最後結果也許隻有壯烈的犧牲。

破壞人類健康的癌症，就是人體細胞生長紊亂導致的，其中一個可能的原因就是WNT信號通路在這些癌細胞中過度活躍，使癌細胞打破了人體內細胞正常的生長節奏，侵占周邊細胞所需要的養料，不受控製地拚命增殖，最後拖垮人體。

既然在水螅中，Sp5基因的存在，可以抑製頭部過度發育的傾向，那麽在其他生物體內，這個基因是否也存在，並且也具有類似作用呢？帶著這個問題，加利奧特教授團隊在研究了水螅後，又對其他物種的細胞進行了分析，結果發現，在人類和斑馬魚細胞中，都存在Sp5基因和WNT信號通路。

加利奧特團隊得到的結果，給我們最重要的一個提示就是，也許科學家可以增強Sp5基因的表達，進而加強它對癌細胞中WNT信號通路的抑製作用，達到抑製或治療癌症的目的。

其實，類似的基因療法，包括最新的基因編輯技術，都在科學家的考慮範圍內，因為相比於傳統的放療、化療手段，基因療法更精確，也能減輕病人的痛苦。但是，因為生物體十分複雜，很多基因的功能及其相互作用我們都沒有研究透徹，是否能利用Sp5基因的抑製作用來治療癌症，還需要科學家繼續研究。

本文到此結束，希望對大家有所幫助呢。