啟動再生能力的新開關:早期生長反應基因(EGR)

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蠑螈能在截肢後重新長出肢體,壁虎能重新長出尾巴,而蠕蟲、水母和海葵等生物能在被切成二半後再生,為何牠們的再生能力那麼驚人,一直都是科學極力研究的課題。

近日,由哈佛大學有機和進化生物學系 Mansi Srivastava 助理教授所率領的研究團隊在三帶黑豹蠕蟲(Three-banded panther worm, 學名 Hofstenia miamia, H. miamia )模型中發現再生基因調控開關——早期生長反應基因 (early growth response, EGR),當它被活化後,將透過打開或關閉其他基因來控制許多其他再生過程。該研究刊登於《Science》。

該研究團隊首先使用短讀取定序、一些組裝方法(如 SOAPdenovo、PRICE、SSPACE 和 Dovetail Chicago)和奈米孔長讀取組裝驗證法,為 H. miamia 整理了一個 950 Mb 的基因體草圖,並且在組織轉錄組數據的幫助下,確定 22632 種蛋白質的編碼基因。接著,他們再整合染色質可接觸性圖譜(chromatin accessibility profiles)、轉錄因子結合模式、候選基因的 RNA 干擾(RNA interference)以及其他再生性 H. miamia 的調控線索。在 H. miamia 成千上萬的再生相關區域中,他們確定 EGR 蛋白能調控多達 18000 個變化區域,協調其染色質開放性的變化,並且改變參與再生的轉錄因子模體的可接觸性。

他們也進一步降低 EGR 的活性,然後發現與再生能力相關下游基因都不會被打開,進而使得 H. miamia 無法再生。

訊息傳遞方式不同導致人類和 H. miamia 之間再生能力的差異

該研究團隊也證明其它物種,包括人類中也存在主控基因 EGR 和其它下游的再生調控基因。為何 H. miamia 能再生,那人類為何不能再生? Srivastava 助理教授對此解釋:「雖然人類也有 EGR 這種再生開關,但人類與其他物種的接線是不同的,主要是人類細胞中 EGR 訊息傳遞方向與 H. miamia 不同。所以,我們的研究主要貢獻是找到一種再生調控的連接方法,下一步將其應用於其它動物,例如只能進行有限再生的脊椎動物。」

該研究團隊接著表示,他們希望能了解整個再生調控的基因體動態,並且找出 EGR 和其它基因活化再生過程的精確方式,該研究不僅強調理解基因體的價值,還強調找出所有基因體、非編碼以及編碼調控的重要性。最後,他們也承認,該研究只是觸及再生醫學的表面,未來他們將進一步探討基因體如何在更大範圍內進行交流,而不侷限於如何打開和關閉碎片基因。

延伸閱讀:基因夥伴好壞? 決定脊髓再生或結痂?

參考資料:
1. Science 15 Mar 2019: Vol. 363, Issue 6432, eaau6173
2. https://news.harvard.edu/gazette/story/2019/03/harvard-study-unlocks-a-key-to-regeneration/

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