水螅可以重新长出头部。科学家想知道它们是如何做到的。

对于一群名为水螅的小型水生动物来说，斩首是最麻烦的事情。由于这些生物拥有惊人的再生能力，斩首并不一定致命。

然而，水螅如何再生头部的过程仍是一个谜。为了了解这一壮举的遗传基础，科学家们仔细研究了再生过程中哪些基因被打开和关闭，以及这些基因是如何被控制的。

“我们想知道......在基因组水平上发生了什么，决定这些细胞生长或停止生长，以及这与正常发育相比如何？”加州大学圣巴巴拉分校的进化生物学家艾德·马西亚斯·穆尼奥斯 (Aide Macias-Muñoz) 说道，他在加州大学欧文分校期间进行了这项研究。

她和同事们发现了水螅再生和出芽过程中头部生长的关键差异，这是水螅和珊瑚等其他一些动物使用的无性繁殖形式。研究小组还指出，水螅再生所涉及的一些机制与控制其他动物发育的机制相似。这可能意味着这些“发育工具”在动物界有着悠久的历史，Macias-Muñoz 说，他于 12 月 8 日在《基因组生物学与进化》杂志上发表了这一研究成果。

水螅属于一种更大的无脊椎动物，称为刺胞动物，其中还包括海葵、珊瑚和水母。它们简单的身体呈管状，一端有口器和触手，另一端有一只附着在周围岩石或其他固体表面上的“脚”。

蜥蜴和蝾螈等一些动物可以重新长出失去的肢体。但水螅以及一些蠕虫和其他动物将再生能力发挥到了极致。水螅的口器附近有一簇 50 到 300 个细胞，称为头部组织器；顾名思义，它控制着头部的发育。如果水螅被斩首，一个新的组织器就会形成，促使它重新长出头部。同时，被砍掉的头部有时会重新长出身体的下半部分。

科学家还成功将水螅的头部移植到其他水螅被斩首的身体上。Macias-Muñoz 表示，如果水螅被撕成小块细胞，那些包含头部组织细胞的细胞块将重新长出完整的身体。

她和她的团队调查了水螅在再生和出芽过程中是否遵循类似的指令来构建头部（在再生和出芽过程中，水螅会长出一个小芽，最终脱落形成一个全新的水螅）。他们分析了水螅在这两个过程中的组织样本，并确定了 298 个在头部再生和出芽过程中表达不同的基因。这些基因包括之前与水螅头部组织器形成有关的基因，以及参与其他动物再生过程的基因。

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“即使得到相同的结果，再生和发芽也会采取不同的轨迹，”Macias-Muñoz 说。

她和她的同事还研究了控制这些基因指令在再生过程中是否执行的机制。他们把注意力集中在动物的染色质上，染色质是由 DNA 和蛋白质组成的紧密堆积的遗传物质。当一段染色质“闭合”时，一种叫做组蛋白的蛋白质会将其包裹起来，这样里面的 DNA 就无法读取；当染色质“打开”时，其他蛋白质可以结合并转录 DNA。

“染色质的某些区域在再生的某些时候是开放的，而在其他时候则是关闭的，”Macias-Muñoz 说。“因此，不仅仅是基因被打开和关闭，染色质开放或关闭的变化也有助于调节这些对再生很重要的基因的表达。”

研究人员还发现了染色质中已知能结合在不同动物物种发育过程中发挥重要作用的蛋白质的区域。Macias-Muñoz 表示，这表明再生背后的一些遗传机制在刺胞动物与人类等更“复杂”的动物祖先分离之前就已经进化了。

她说，这些发现提出了一个有趣的问题。水螅和其他动物的组织再生机制是否非常相似？还是蜥蜴和蝾螈等动物以独特而不同的方式“重新连接”发育基因，以实现与水螅类似的效果？

未来，Macias-Muñoz 将探索她和她的团队发现的基因和控制过程如何相互作用。“下一步将是对它们进行实际的功能测试，并验证它们在再生过程中是否发挥了作用，”她说。

研究水螅等简单生物的再生过程及其与其他动物的再生过程的相似性，可能会让我们了解人类发育为何会出现问题。

“研究水螅让我们从根本上了解了细胞的功能以及基因层面的机制，”Macias-Muñoz 说。“如果我们能弄清楚如何破坏它们或修复其他生物体内的破坏，那么也许我们可以开始思考如何……以不同的方式治疗那些发生并导致疾病的破坏。”