再生医学研究重大里程碑 ── 蝾螈与真涡虫基因体定序完成

史上定序规模之最 ── 美西蝾螈（axolotl）与真涡虫（Schmidtea mediterranea）基因体之成功解码，将为再生医学研究增添有力工具，相关成果近期皆发表于《Nature》期刊。

再生医学的完美模型 ── 蝾螈

长久以来，蝾螈一直是发育、再生和演化研究的理想生物模型，其中又以墨西哥钝口蝾螈（Ambystoma mexicanum）惊人的再生能力特别受到关注 ── 牠除了能在失去四肢的几周内完美再生，且在正确的地方形成骨骼、肌肉与神经，更神奇的是，受损的脊髓和视网膜组织亦能完整修复。有鉴于上述特性及简易的育种过程，培育超过 150 年的蝾螈，堪称再生医学实验室中最受欢迎的生物模型。

美西蝾螈（axolotl），来源：Wiki。

史上定序规模之最 ── 蝾螈基因体

来自维也纳分子病理学研究所（Institute of Molecular Pathology, IMP）的 Elly Tanaka 团队拥有目前最大的蝾螈复制体，其另于德国德勒斯登工业大学（TU Dresden）再生疗法中心与马克斯‧普朗克分子细胞生物学与遗传学研究所（Max Planck Institute of Molecular Cell Biology and Genetics, MPI-CBG）一同研究肢体与脊髓再生。近年来，该研究团队开发了广泛的蝾螈分子工具组，包含揭露蛋白质编码序列的全方位转录数据库（comprehensive transcriptome data），透过前述工具的辅助，Tanaka 团队成功辨识启动再生的细胞，并能解释其分子机制。

再生特性在多数物种中相当有限，为了了解其调控机制，研究员需要获得充分的基因体数据进行深入研究。然而，由于蝾螈基因体资讯过于庞大（共计 320 亿个碱基对，为人类基因体的 10 倍以上）且存在大量的重复序列，利用现存的定序工具仍不易正确解析。为了克服定序的技术性困难，Tanaka、马克斯‧普朗克分子细胞生物学与遗传学研究所（MPI-CBG）与海德堡理论研究所（Heidelberg Institute for Theoretical Studies, HITS）组成国际研究团队，利用 PacBio 平台（一种能够读取超长序列，且能跨越大型重复区域的定序科技）解析共计 72,435,954 个读序（reads），再借由团队成员 Gene Myers、Siegfried Schloissnig 等共同开发的软件成功组装、注记并分析完整的蝾螈基因体。

针对组装后的基因体进行分析，研究员发现再生组织中的某些基因仅表达于蝾螈或其他两栖类动物，更引人注目的是，一种名为 PAX3 的必要发育基因（essential developmental gene）竟在该基因体中缺失，其功能转由 PAX7 取代，这两个基因皆在肌肉和神经发育中扮演关键角色。

再生医学研究新标的 ── 真涡虫（Schmidtea mediterranea）

真涡虫（Schmidtea mediterranea）是一种非凡的生物，即使被切成小片段，仍可再生为一个完整且比例完美的虫体，此种特性系在于其成人干细胞（adult stem cells），单一细胞即可恢复为完整的个体。但是，Schmidtea mediterranea 如何达成此种惊人的“超能力”，至今仍不甚了解。

真涡虫 (Schmidtea mediterranea)，来源：Wiki。

科学家曾试图针对 Schmidtea mediterranea 的基因体进行定序，然因其大多系由数量庞大及几乎相同的重复序列所构成，故与蝾螈基因体定序面临相似的技术性障碍。就此难题，MPI-CBG 与 HITS 再度携手合作，并利用Pacific Bioscience 公司可直接读取长达 4 万个碱基对的长序列定序技术，使重复延伸序列的读值正确率大幅提高，成功解析基因密码。值得一提的是，研究员发现 Schmidtea mediterranea 缺乏大多生物皆具有的高度保守基因 MAD1 及 MAD2，其功能为确保子代细胞分裂后拥有相同数量的染色体。然而，尽管缺乏 MAD1/2 基因，Schmidtea mediterranea 仍能执行正常的检查点功能，详细原因有望借由定序结果深入探讨。

蝾螈基因体定序的成功是再生医学研究史的重要里程碑，该研究的第一作者 Sergej Nowoshilow 表示，目前公开的基因序列可说是全世界研究组织再生的有力资源，一旦握有“基因地图”，未来将可研究腿部等复杂结构再生的机制。另一方面，真涡虫 Schmidtea mediterranea 的基因体序列对于干细胞生物学及生物资讯领域亦有潜在应用价值。虽然将再生医学应用于人类肢体和器官仍有很长一段路要走，但这些研究成果必将成为未来发展相关医学技术与策略的重要工具。

文 / Angela Chang

延伸阅读：再生医学新视角：从表观遗传调控基因活性，可减少 DNA 受损风险

参考文献：
1.https://www.eurekalert.org/pub_releases/2018-01/m-ang012418.php
2.https://www.eurekalert.org/pub_releases/2018-01/m-dta012418.php

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