不老的涡虫 | 来实验室上科学课

影视作品中，金刚狼是具有超强再生能力，并且永远不会衰老的代表人物。自然界中，有没有动物和金刚狼一样拥有强大的再生能力，并且长生不老呢？

答案是肯定的，那就是涡虫。

如果将一条涡虫拦腰切断，尾巴一侧的身体会再长出一个新的头，而头部那一侧会再长出一条尾巴来，这样就再生出两条完整的涡虫。而如果把它切成100段，就会重新再生出100条涡虫，而且每条都是第一条的完全复制。

为了研究涡虫的这种再生能力，中国科学院分子细胞科学卓越创新中心的曾安研究组培育了数十万条涡虫，它们都来自第一条涡虫。培养了十几年，这些涡虫不断地繁殖，它们的身体和器官都没有出现衰老迹象。

在实验室里，一条长2厘米的涡虫被切割成两百块，每一块都能重新长成完整个体，如此强大的再生能力从何而来？涡虫如何感知自己丢失了哪部分的组织并完美再生？我们是否有可能将这种再生能力运用到人体中，重建老化或受损的器官和组织？这些都是我们在实验室里想回答的问题。

涡虫是什么

涡虫是扁形动物门涡虫纲的动物之一，广泛分布于世界各地。大多数涡虫生活在温暖的海水或淡水河流中，也有部分是陆生的，可以在潮湿的土壤或树根中发现。涡虫虽小，却是首次出现两侧对称、具有三胚层的动物，在进化史上具有极为重要的地位。此外，涡虫还具有强大的再生能力，有近乎永生的生命周期，是研究再生机制的模式生物之一。

大卸七块的涡虫：涡虫切割前（左）和切割后（中)；切割伤口再生头部的过程（右；Newmark，2002）

涡虫的再生及“永生”能力从何而来？

自然界的生物早已进化出不同的策略来修复损伤的器官。斑马鱼心脏损伤后心肌细胞会再次启动分裂和增殖，修复缺失的器官。而被切成微小片段的涡虫，利用组织内干细胞的增殖，参与损伤器官和组织的修复。

涡虫是少数几种能在胚胎发生后仍能维持体内多能干细胞的生物之一，这个多能干细胞群能不断分化成所有三胚层来源的细胞类型，用于生长、再生和替换凋亡细胞。

当涡虫受到损伤后，多能干细胞会迅速响应并迁移至受损部位，启动分化进程，诱导新芽基产生。一周内，受损的涡虫就能重新长出新的神经、排泄、消化和生殖系统，甚至是整个大脑。塔夫斯大学的研究团队训练断头前的涡虫克服强光恐惧寻找食物，待它们的新头长出后，它们依旧能记住这些技能，说明涡虫再生出的新头能继承“前生”的记忆，它们的记忆可能储存在身体的其他部分中。而未受损伤的涡虫，也可以通过调节自身稳态，保持身体健康而不衰老或死亡。

那么，成体多能干细胞是如何受到调控并起始分化成不同细胞类型的？这种多能性调控和组织器官再生机制之间的联系究竟是什么？

干扰Wnt信号通路，会导致涡虫再生出“三头六臂”（Beane lab）

我们能从涡虫中获得什么信息？

细胞命运的决定机制一直是生物学领域中的一个基本问题。多能干细胞的调控机制在体外培养系统中研究较多。但在大多数生物中，内源性的多能干细胞只在早期胚胎发育过程短暂存在，其在体内数量稀少且存在时间短、难分离。

曾安研究组的前期工作运用单细胞转录组测序技术鉴定并分离了涡虫中成体多能干细胞类群，并找到其分子标记TSPAN-1。将TSPAN-1+的单细胞移植到致死剂量照射后的涡虫体内，可以重建整个涡虫三胚层来源的所有组织和器官，显示TSPAN-1+细胞是其体内成体多能干细胞。

以往的研究认为在再生过程中，多能干细胞通过有序的自我更新和定向分化产生不同细胞类型，再利用细胞之间的相互作用和自组织形成特定结构和功能单元。这一过程受到时间和空间上的精确调控，其调控源于组织和细胞内外多种信号分子浓度梯度及分子间交叉互作。

涡虫可以从微小片段再生成个体，甚至在单细胞水平重建个体，可以作为一个独特的模型来研究多能细胞参与再生的细胞及分子机制，有助于建立多能干细胞参与再生调控的新范式。

单个注射的TSPAN-1+细胞可以再生出整个涡虫个体(Zeng, 2018)

人体的大部分组织或器官中都有干细胞的身影，它们参与组织内损伤细胞的更新和替换。涡虫中80%的基因与人类高度同源。但与能够再生出几乎所有器官和组织的涡虫不同的是，人类只有少数器官具有非常有限的修复能力，并且这种能力随着年龄的增加而削弱。研究涡虫再生过程的分子机制，揭示成体干细胞如何帮助动物再生受损组织，有利于我们理解为什么高等生物丢失了这种能力。

除了再生和“永生”，涡虫还有很多其他独特的特性。它们可以长期抵抗饥饿，并根据营养状况进行生长（Grow）和去生长（Degrow），展现出极强的发育可塑性。当食物充足时，涡虫会一直生长到它们的最大体型，但在饥饿状态下，涡虫会通过缩小体积来维持自身稳态，饥饿数月后，一只完全成熟的2cm涡虫，会收缩至1mm甚至更小。这种de-grow的过程可能是逆转衰老过程的方式之一。揭示这一调控机制并加以运用，或许可以让人类获得和涡虫一样的“返老还童”能力。

涡虫显示出极强的应对饥饿的 “可塑性”(Newmark, 2002)

在漫长的演化过程中，自然界留下了丰富多彩的生命形式。这些不同的物种在亿万年的生存中早已建立了自己应对环境变化的策略。人类今天所遇到的困境，在自然界中可能已经为其他物种所解决。我们相信，对自然界中涡虫这样具有独特生命特质物种的研究将有助于我们提出新的生物学问题和建立新的研究范式，并最终服务到人类健康。