動物的再生能力一直是一個令人著迷且非常複雜的生物學過程。許多動物的再生能力特別是高等動物受到極大的限制,然而,有趣的是,在自然界中一些動物依然保留強大的再生能力,例如某些脊椎動物(斑馬魚、蠑螈、壁虎等)可以治癒創傷、再生丟失的器官或者附肢(例如:心臟、尾巴、晶狀體);某些無脊椎動物(例如:渦蟲)甚至擁有更強的再生能力,可以從少量組織和細胞再生整個生命體,因此被廣泛用於幹細胞生物學和再生醫學研究。另一類無脊椎動物——蚯蚓,不僅是土壤生態系統中的重要成員,而且具備比渦蟲更為複雜的表型結構(例如:中樞神經系統大腦初步具備記憶雛形)。更重要的是,它擁有極強的前/後部體節再生能力。達爾文在《腐殖土的形成和蚯蚓的作用》一書中寫到:「我們很難找到其他的生靈像它們一樣,雖看似卑微,卻在世界歷史的進程中起到了如此重要的作用」。然而到目前為止,蚯蚓再生的分子細胞學機制還不是很清楚。
中國科學院昆明動物研究所吳東東課題組利用長讀段PacBio平臺+Hi-C輔助組裝等策略,測序並拼裝了準染色體水平的高質量安德愛勝蚓(Eisenia andrei)基因組(Scaffold N50≈111Mb),並通過不同再生時期bulk轉錄組和單細胞轉錄組整合揭示蚯蚓再生的分子細胞學機制。研究發現蚯蚓基因組中重複序列LINE2轉座元件可能在蚯蚓再生中扮演重要調控角色,例如LINE2元件顯著高比例地插入到蚯蚓早期再生相關的差異基因locus中;同時某些差異表達的LINE2元件(位於蛋白編碼基因側翼5Kb區域)和它們的鄰近基因擁有極為相似的表達模式。在高度再生物種(例如:渦蟲)的再生過程中,EGR1是一個核心調控者,而在該研究中,發現EGR1不僅在蚯蚓再生過程中發生差異高表達,而且其側翼的LINE2元件也發生顯著差異表達上調,因此,推測這些顯著差異表達的LINE2元件可能通過調控鄰近基因的表達來參與蚯蚓再生過程。另一方面,在蚯蚓基因組中發現大量基因複製事件(例如:大量潛在擴張的基因家族),這些擴張的基因家族主要富集在發育生物學通路,而發育和再生在某些通路可能往往是共通的。進一步發現某些顯著擴張的基因家族,例如EGFR(epidermal growth factor receptor),可能通過增加其拷貝數劑量效應來調控蚯蚓再生過程(註:12個EGFR家族成員的8個成員在蚯蚓再生早期發生顯著差異表達)。在轉錄激活水平,發現一些應激早期基因在蚯蚓和渦蟲早期再生中共同激活,暗示蚯蚓和渦蟲在早期再生應激反應中可能具有共享的作用機制,進一步發現4個與早期再生顯著相關的共表達網絡模塊和系列hub轉錄調控因子,富集分析顯示它們可能參與再生早期細胞的增殖和分化。同時,蚯蚓再生早期的單細胞轉錄組解析暗示蚯蚓再生早期72h後損傷癒合部位細胞的高比例組分是幹細胞,暗示多能幹細胞在蚯蚓再生早期過程中具有重要作用。該研究提供了一些蚯蚓再生的候選分子細胞學機制,提出蚯蚓能夠作為研究再生生物學或者再生醫學的一個新模型。
該研究以Genome and single-cell RNA-sequencing of the earthworm Eisenia andrei identifies cellular mechanisms underlying regeneration為題,近日已發表在在《自然-通訊》(Nature Communications)上。昆明動物所助理研究員邵永、中國農業科學院(深圳)農業基因組所博士王曉波、昆明動物所博士生張錦錦和李明莉為文章的共同第一作者,昆明動物所研究員吳東東、中國農業科學院(深圳)農業基因組所研究員阮珏、昆明動物所研究員張國捷為文章的共同通訊作者。該研究得到國家自然科學基金委、中科院戰略性先導科技專項、中國西南野生生物種質資源庫動物分庫等的支持。
圖1:a 安德愛勝蚓(用於完成基因組測序物種)。b 安德愛勝蚓的核型分析。2n=22,根據染色體形態,初步分成三個亞類。核型分析源於蚯蚓環帶的分裂中期細胞,該分析由昆明動物所細胞庫完成。c Hi-C互作圖。d circos展示蚯蚓基因組的特徵。
圖2:單細胞RNA-sequencing揭示再生的細胞機制。
論文連結:
https://www.nature.com/articles/s41467-020-16454-8