爪蟾附肢再生的细胞原理，再生动物的“神奇之处”，大自然的奥妙

前言

再生医学旨在识别新的方法来诱导修复，并通过利用干细胞和替代方法来替代丢失或损伤的器官。

人类已经有能力再生他们失去的肝脏和皮肤的大部分，但有一定的限制，然而人类不能再生一个完整的器官或附属物。

当然，这种“天赋”并不是人类特有的，但一般来说，高等脊椎动物的再生能力受到高度限制，例如，鹿可以每年再生一次鹿角，啮齿动物可以再生指尖，但这些动物不能进行完全的肢体再生，尽管文献也证明了一些人类的指尖再生，但哺乳动物中没有完整的附件再生现象。

两栖动物是明显完全再生的显著例子，大多数被调查的前火蜥蜴和青蛙可以重新繁殖它们失去的尾巴和四肢，同时，火蜥蜴在达到成年时这些功能受损，蝌蚪在达到变态前阶段时这些功能受损，这些研究确定了再生的三个基本步骤：

特化的伤口表皮形成

芽基诱导

生长

非洲爪蟾作为尾巴再生的模型系统

非洲爪蟾螺再生是附件再生的主要模型之一，在非洲爪蟾的发育过程中，人们在受精后的一天内就开始形成尾巴，其形成过程和后续生长过程已经在组织水平上进行了研究。

对这些过程的详细总结可以在其他地方找到尾巴有以下主要的组织类型：

脊髓、脊索、体细胞、脉管系统和表皮。

此外，早期的爪蟾蝌蚪具有功能性免疫系统，主要由髓系依赖的先天免疫组成。

重要的是，这些组织的细胞组成在很大程度上是不特征的，被认为与其他物种相似，例如，在鸡和小鼠中，脊髓的细胞类型，包括特定的中间神经元和背腹轴的祖元已经在鸡和小鼠中被发现。

然而非洲爪蟾在早期阶段的组成是否有相同的成分，以及这些特定的亚种群何时出现仍不清楚。

尽管如此，非洲爪蟾脊髓中有底板细胞表达Shh，同样，在早期蝌蚪脊髓的底板细胞中也可以看到Bmp4的表达。

早期爪蟾蝌蚪皮肤的特征有更详细的描述，因为它是研究与人类肺发育和病理相关的纤毛细胞的流行模型。

这些研究表明，在非洲爪蟾的皮肤中，存在一些皮肤亚细胞类型，如：

黑素细胞、纤毛细胞、小分泌细胞、杯状细胞和离子细胞。

这些种群主要是通过在其他物种中看到的标记基因表达来识别的，然而这些种群的分子特征在很大程度上是无法获得的。

非洲爪蟾蝌蚪可以再生他们的尾巴包括所有不同的组织类型，如脊髓、脊索、肌肉和血管在大多数的发展阶段直到变形当尾巴吸收。

在实验室中，这种现象可以通过从尾巴尖端切除多达50%的尾巴来模拟，早期蝌蚪的尾巴再生大约需要一周，而较老的蝌蚪的尾巴再生可能需要更长的时间。

再生的尾巴几乎与未切割的尾巴相同，除了体细胞组织再生而没有分割的事实，虽然人类没有尾巴，但非洲爪蟾是一种脊椎动物，它可以在完全的尾巴再生过程中再生其失去的脊髓和肌肉。

与此同时，人类无法再生失去的脊髓或肌肉，因此识别非洲爪蟾的细胞和分子线索可能转化为人类的治疗干预。

与其他再生模式相比，非洲爪蟾的尾巴再生有几个优点。

首先，非洲爪蟾蝌蚪很容易产生，在受精后需要3-4天才能达到可以评估尾巴再生的阶段。

一天内可以产生成百上千个胚胎。

许多分子和发育生物学方法，包括转基因，可用于非洲爪蟾。

如上所述，非洲爪蟾是一种与人类有许多共同基因的脊椎动物。

最关键的优势是，非洲爪蟾具有尾巴再生的时间能力，这使得比较研究能够揭示再生的原理。

在非洲爪蟾的发育过程中，有一段很短的时间内它们无法再生失去的尾巴，相反在截肢平面上保留一个钝端切口，形态变化很小，这些动物都是健康的，可以进入蜕变阶段。

有趣的是，如果在不应期过去时，截肢平面再被切除，这些被切除的蝌蚪就可以长出尾巴。

这种显著的时间损失本身是值得注意的，因为它可能表明在开发过程中有一个小的变化，这可能足以关闭整个再生程序。

实际上，出于研究目的，这种能力提供了独特的优势，首先，在大多数附属物再生模型中，没有截肢控制来区分哪些组织、细胞和分子的变化是特定于再生的，而不仅仅是对损伤的反应。

例如，由于火蜥蜴总是可以再生，这种辨别是无法做到的，在这些动物中，再生能力可以通过干扰特定的基因来被阻断，但这将阻止研究人员区分这种影响是由于截肢本身还是由于基因的扰动。

可以进行功能获得或丧失实验来恢复再生能力，事实上，特定的基因可以在再生不正常的阶段被激活，以揭示哪些信号通路和细胞机制对再生很重要，这些发现可以激发再生能力不佳的物种的附属物再生。

观察到的有再生能力和无再生能力的发育阶段非常接近。

因此，影响再生能力的发育变化可能很小，与不应期相一致的是，蝌蚪改变了它们的摄食行为，随着淋巴系统谱系的丰富，它们的免疫系统变得更加专业化，随着蝌蚪的尾巴变得更加透明，形态也发生了变化。

特殊的伤口表皮形成

早期蝌蚪在截肢后1天内形成特殊伤口表皮，该组织覆盖了整个截肢平面，并表达了Wnt5a、Fgf10和Msx1等基因。

除了这些基因外，伤口表皮被证明存在TP63表达和SMAD2激活，然而，TP63和SMAD2都没有在截肢平面上看到。

基于批量rna测序方法，Es1的表达被认为是晚期蝌蚪特化伤口表皮的标记物，并利用Es1启动子驱动的EGFP表达的转基因株系来进一步表征表达该报告基因的细胞。

然而该基因的表达并不与先前报道的特异性伤口表皮基因的表达重叠，而只是标记了截肢平面上轴向组织上方的部分表皮组织。

尽管如此，用Es1使用的晚期蝌蚪和非洲爪蟾蝌蚪进行的研究可能显示了尾巴再生的阶段特异性机制。

关于尾巴特化伤口表皮的细胞组成知之甚少，对于识别这种特定群体的标记基因也没有达成共识。

一般来说，仍存在一些问题：特殊伤口表皮的细胞组成是什么；它们的细胞形态是什么；哪些配体从特殊的伤口表皮中表达出来；它们是如何在截肢平面上形成的；最后，它们如何指导底层组织的生长？

布拉斯坦马诱导

在胚基中，在特殊的伤口表皮下的细胞会产生一条新的尾巴，在尾巴截肢后，在特殊的伤口表皮下观察到一些组织事件，并被认为有助于芽基的诱导，这些过程包括：

肌肉组织变性，(2)脊索突出，(3)由脊髓细胞组成的球状结构的形成，(4)免疫细胞的吸引，以及(5)间充质细胞的积累。

然而这种形态变化的功能相关性尚不清楚。

例如，当肌肉组织退化时，新的肌肉是否从某些保留的干细胞类型中形成，或从其他一些谱系中转分化，以在再生的尾巴中重新填充肌肉细胞。

特别是，美西螈的脊髓细胞被认为可以转分化为肌肉或软骨谱系，这表明在再生过程中可能出现一种多能芽基细胞类型。

但是在尾巴再生中存在多能芽基细胞类型受到质疑，Gargioli等人利用一系列的嫁接方法表明，在非洲爪蟾的尾巴再生过程中，没有最丰富的组织类型的转分化：脊髓系重组脊髓，脊索系重组脊索，黑素细胞系重组黑素细胞，肌肉系由卫星细胞形成。

由于这些发现，Gargioli等人认为爪蟾尾巴没有芽基，但特殊伤口表皮下面的组织是一个“再生芽”，由现有的谱系限制性组织类型组成。

尽管如此，在同一谱系中也可能存在去分化事件，例如，目前尚不清楚终末分化的神经元是否会去分化为更多的祖细胞类型来重新填充丢失的组织。

虽然在特殊的伤口表皮下有间充质细胞，但没有与之相关的常用标记基因表达，此外，特殊伤口表皮下的大多数基因表达与可观察到的组织类型直接相关，而不是间充质细胞。

虽然非洲爪蟾尾部再生中的芽基仍被用于指特殊伤口表皮下的组织，但对其细胞和分子特性尚未达成共识。

自然结果

尾巴再生的最后一步，也是最不被了解的一步是生长，在这个过程中，胚基中的细胞产生了具有正确大小和模式的新附属物。

对于非洲爪蟾的尾巴再生，关于动物如何决定它们的尾巴应该再生多少，或者它们如何保持尾巴的形态，几乎没有报道，在大小控制方面，抑制许多促进增殖的途径，如FGF，可以导致更短的尾巴再生。

一个有趣的观察结果是，蝌蚪显示出不同的生长动力学，这取决于截肢的水平，如果在类似的时间框架内，蝌蚪的尾巴更接近于截肢（50%），则比远端截肢（25%）生长更多。

此外，参与Hippo通路的基因Tead4的显性负型的过表达消除了这种差异，近端和远端截肢导致了相似水平的生长。

然而当另一个参与Hippo通路的基因Yap1的显性负性形式过表达时，并没有检测到同样的结论。

因此，目前尚不清楚Hippo通路是否直接对这一惊人的现象起作用，或者与Tead4相关的这些发现是否可能来自于依赖的特定作用。

这些令人兴奋的结果，以及总体上的结果现象，留下了许多悬而未决的问题。

总结

尾部组织是否有位置信息，例如，前后脊髓细胞不同，它们如何检测空间组织；哪些特定种群负责决定多少组织生长回来；更大组织的丢失会导致剩余组织中更多的增殖吗？动物如何识别组织丢失的数量？

这些还都属于未知，但相信以现在的科学技术，不久我们就能掌握“再生的秘密”，到那时将会是整个医学界和生物界的新篇章。

参考文献

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