Stereo-seq揭示小鼠耳廓再生關(guān)鍵基因破解哺乳動(dòng)物再生能力丟失之謎

壁虎斷尾重生，蠑螈大腦自愈……我們常感嘆，人類(lèi)為什么沒(méi)有這樣的“超能力”？其實(shí)，在哺乳動(dòng)物中，像兔子、山羊等也具備一定的再生能力。而人類(lèi)、小鼠這類(lèi)高等哺乳動(dòng)物受傷后，往往只能結(jié)疤愈合，無(wú)法“原裝”再生。為什么高等哺乳動(dòng)物在進(jìn)化過(guò)程中丟失了這些能力？這是生物學(xué)界的一大謎題。

最近，科學(xué)家們?cè)谛∈蠛屯米拥?ldquo;耳朵”上找到了關(guān)鍵線(xiàn)索！

北京時(shí)間6月27日，北京華大生命科學(xué)研究院聯(lián)合北京生命科學(xué)研究所，基于華大自主研發(fā)的時(shí)空組學(xué)技術(shù)Stereo-seq和高通量測(cè)序平臺(tái)DNBSEQ-T10，首次發(fā)現(xiàn)Aldh1a2基因的表達(dá)不足導(dǎo)致的視黃酸合成不足是高等哺乳動(dòng)物小鼠耳廓再生失敗的核心機(jī)制。在激活該基因后，小鼠耳廓實(shí)現(xiàn)再生！這為深入理解進(jìn)化過(guò)程中哺乳動(dòng)物的再生能力丟失提供了新的見(jiàn)解，并為再生醫(yī)學(xué)和人類(lèi)受損器官的重建與再生提供了重要靶標(biāo)。相關(guān)成果發(fā)表于國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊Science。
 

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01 小鼠耳廓為何不能再生？關(guān)鍵在這個(gè)基因
研究團(tuán)隊(duì)選取了哺乳動(dòng)物特有器官耳廓（外耳）為研究模型，基于單細(xì)胞RNA測(cè)序和華大自主研發(fā)的時(shí)空組學(xué)技術(shù)Stereo-seq，描繪了可再生物種（兔子）與不可再生物種（小鼠）耳廓損傷后再生/修復(fù)的高分辨率單細(xì)胞時(shí)空動(dòng)態(tài)過(guò)程，逐時(shí)逐步觀察傷口處每個(gè)細(xì)胞類(lèi)型的變化和基因表達(dá)動(dòng)態(tài)，精確對(duì)比再生過(guò)程和普通愈合過(guò)程有何不同。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，小鼠耳廓再生失敗與視黃酸合成不足有關(guān)。視黃酸是維生素A的一種代謝產(chǎn)物，與細(xì)胞發(fā)育密切相關(guān)。而小鼠視黃酸不足主要是因?yàn)橐朁S酸合成限速酶Aldh1a2的表達(dá)不足，以及視黃酸本身的降解加速。

兔子耳廓再生與小鼠耳廓修復(fù)過(guò)程中視黃酸的合成和降解

02 關(guān)鍵基因“開(kāi)關(guān)”的進(jìn)化丟失
為什么小鼠的Aldh1a2基因表達(dá)會(huì)不足呢？科研團(tuán)隊(duì)通過(guò)進(jìn)化生物學(xué)比較發(fā)現(xiàn)，在兔子的基因組中，保留了負(fù)責(zé)調(diào)控Aldh1a2基因的一些關(guān)鍵DNA序列。這些調(diào)控序列被稱(chēng)為“增強(qiáng)子”，可以理解為基因表達(dá)的開(kāi)關(guān)或加速器。研究人員在兔子Aldh1a2基因附近發(fā)現(xiàn)了6個(gè)活躍的增強(qiáng)子（AE1～AE6），其中有兩個(gè)增強(qiáng)子（AE1和AE5）在耳廓受傷再生時(shí)會(huì)被強(qiáng)烈激活，相當(dāng)于在兔子受傷后及時(shí)按下“開(kāi)關(guān)”，大大提高了Aldh1a2的表達(dá)，在兔子傷口處源源不斷地產(chǎn)生視黃酸，幫助組織再生。

可惜的是，研究團(tuán)隊(duì)僅在小鼠對(duì)應(yīng)的基因區(qū)域找到了1個(gè)活性增強(qiáng)子（AE3），其它與再生相關(guān)的調(diào)控元件都已失活。換句話(huà)說(shuō)，小鼠體內(nèi)調(diào)控Aldh1a2基因的“按鈕”大都消失了，受傷后想要大幅度開(kāi)啟Aldh1a2基因表達(dá)非常困難。這一進(jìn)化差異解釋了為什么小鼠耳廓受傷后Aldh1a2“叫不醒”、視黃酸產(chǎn)量提不高，從而無(wú)法像兔子那樣再生組織。

03 激活關(guān)鍵基因，小鼠耳廓再生
問(wèn)題來(lái)了，如果人為按下這些丟失的“開(kāi)關(guān)”，是否就能讓失去再生能力的動(dòng)物實(shí)現(xiàn)再生呢？研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了探索：他們嘗試直接激活A(yù)ldh1a2基因或外源補(bǔ)充視黃酸，發(fā)現(xiàn)都可以使本不具備再生能力的成年小鼠耳廓傷口，出現(xiàn)了多能性細(xì)胞（成纖維細(xì)胞），從而重建了耳廓的軟骨與神經(jīng)組織。也就是說(shuō)，小鼠耳朵的傷口不再只是簡(jiǎn)單結(jié)疤，而是實(shí)現(xiàn)了再生！

此外，研究團(tuán)隊(duì)還將兔子的增強(qiáng)子AE1導(dǎo)入小鼠的基因組，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，受傷后的小鼠耳廓Aldh1a2基因表達(dá)顯著提高，視黃酸增加，耳廓的再生能力也得到明顯提升。

總而言之，研究團(tuán)隊(duì)基于單細(xì)胞時(shí)空組技術(shù)以及跨物種進(jìn)化比較，系統(tǒng)描繪了器官損傷后，可再生物種與不可再生物種的細(xì)胞組成變化以及基因表達(dá)的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化，全面揭示了高等哺乳動(dòng)物器官再生能力丟失的機(jī)制，為探索人類(lèi)受損器官的重建與再生提供了重要靶標(biāo)和理論依據(jù)。

北京生命科學(xué)研究所林煒?shù)h博士研究生、賈小慧博士研究生、北京華大生命科學(xué)研究院石小峰副研究員、西北農(nóng)林科技大學(xué)赫秋亞副教授、北京華大生命科學(xué)研究院張盼玉助理研究員為論文共同第一作者。北京生命科學(xué)研究所王偉研究員、北京華大生命科學(xué)研究院鄧子卿研究員和西北農(nóng)林科技大學(xué)羅軍教授為論文共同通訊作者。該研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目的資助，也獲得了北京生命科學(xué)研究所倫理審查委員會(huì)和華大科技倫理委員會(huì)的批準(zhǔn)。

時(shí)空組學(xué)產(chǎn)品方案全方位賦能再生研究
華大時(shí)空組學(xué)技術(shù)Stereo-seq，憑借高分辨率空間定位、單細(xì)胞水平分析等優(yōu)勢(shì)，為開(kāi)展再生研究提供了有力工具。早前，華大時(shí)空組學(xué)技術(shù)已助力研究人員成功構(gòu)建了首個(gè)蠑螈端腦發(fā)育及再生的時(shí)空單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組圖譜、首個(gè)斑馬魚(yú)心臟再生全過(guò)程高分辨率時(shí)空?qǐng)D譜、小鼠肝臟穩(wěn)態(tài)及再生模型的時(shí)空轉(zhuǎn)錄圖譜等。

依托Stereo-seq，華大時(shí)空組學(xué)推出了適用于新鮮冷凍樣本的時(shí)空轉(zhuǎn)錄組FF V1.3、適用于石蠟包埋樣本的時(shí)空轉(zhuǎn)錄組FFPE、適用于大尺寸組織的時(shí)空轉(zhuǎn)錄組大尺寸芯片，以及時(shí)空蛋白轉(zhuǎn)錄組Stereo-CITE等產(chǎn)品解決方案，幫助科研人員進(jìn)一步提升研究的廣度與深度。