不老的渦蟲 | 來實驗室上科學課

影視作品中，金剛狼是具有超強再生能力，並且永遠不會衰老的代表人物。自然界中，有沒有動物和金剛狼一樣擁有強大的再生能力，並且長生不老呢？

答案是肯定的，那就是渦蟲。

如果將一條渦蟲攔腰切斷，尾巴一側的身體會再長出一個新的頭，而頭部那一側會再長出一條尾巴來，這樣就再生出兩條完整的渦蟲。而如果把它切成100段，就會重新再生出100條渦蟲，而且每條都是第一條的完全複製。

為了研究渦蟲的這種再生能力，中國科學院分子細胞科學卓越創新中心的曾安研究組培育了數十萬條渦蟲，它們都來自第一條渦蟲。培養了十幾年，這些渦蟲不斷地繁殖，它們的身體和器官都沒有出現衰老跡象。

在實驗室裏，一條長2釐米的渦蟲被切割成兩百塊，每一塊都能重新長成完整個體，如此強大的再生能力從何而來？渦蟲如何感知自己丟失了哪部分的組織並完美再生？我們是否有可能將這種再生能力運用到人體中，重建老化或受損的器官和組織？這些都是我們在實驗室裏想回答的問題。

渦蟲是什麼

渦蟲是扁形動物門渦蟲綱的動物之一，廣泛分佈於世界各地。大多數渦蟲生活在温暖的海水或淡水河流中，也有部分是陸生的，可以在潮濕的土壤或樹根中發現。渦蟲雖小，卻是首次出現兩側對稱、具有三胚層的動物，在進化史上具有極為重要的地位。此外，渦蟲還具有強大的再生能力，有近乎永生的生命週期，是研究再生機制的模式生物之一。

大卸七塊的渦蟲：渦蟲切割前（左）和切割後（中)；切割傷口再生頭部的過程（右；Newmark，2002）

渦蟲的再生及“永生”能力從何而來？

自然界的生物早已進化出不同的策略來修復損傷的器官。斑馬魚心臟損傷後心肌細胞會再次啓動分裂和增殖，修復缺失的器官。而被切成微小片段的渦蟲，利用組織內幹細胞的增殖，參與損傷器官和組織的修復。

渦蟲是少數幾種能在胚胎發生後仍能維持體內多能幹細胞的生物之一，這個多能幹細胞羣能不斷分化成所有三胚層來源的細胞類型，用於生長、再生和替換凋亡細胞。

當渦蟲受到損傷後，多能幹細胞會迅速響應並遷移至受損部位，啓動分化進程，誘導新芽基產生。一週內，受損的渦蟲就能重新長出新的神經、排泄、消化和生殖系統，甚至是整個大腦。塔夫斯大學的研究團隊訓練斷頭前的渦蟲克服強光恐懼尋找食物，待它們的新頭長出後，它們依舊能記住這些技能，説明渦蟲再生出的新頭能繼承“前生”的記憶，它們的記憶可能儲存在身體的其他部分中。而未受損傷的渦蟲，也可以通過調節自身穩態，保持身體健康而不衰老或死亡。

那麼，成體多能幹細胞是如何受到調控並起始分化成不同細胞類型的？這種多能性調控和組織器官再生機制之間的聯繫究竟是什麼？

干擾Wnt信號通路，會導致渦蟲再生出“三頭六臂”（Beane lab）

我們能從渦蟲中獲得什麼信息？

細胞命運的決定機制一直是生物學領域中的一個基本問題。多能幹細胞的調控機制在體外培養系統中研究較多。但在大多數生物中，內源性的多能幹細胞只在早期胚胎髮育過程短暫存在，其在體內數量稀少且存在時間短、難分離。

曾安研究組的前期工作運用單細胞轉錄組測序技術鑑定並分離了渦蟲中成體多能幹細胞類羣，並找到其分子標記TSPAN-1。將TSPAN-1+的單細胞移植到致死劑量照射後的渦蟲體內，可以重建整個渦蟲三胚層來源的所有組織和器官，顯示TSPAN-1+細胞是其體內成體多能幹細胞。

以往的研究認為在再生過程中，多能幹細胞通過有序的自我更新和定向分化產生不同細胞類型，再利用細胞之間的相互作用和自組織形成特定結構和功能單元。這一過程受到時間和空間上的精確調控，其調控源於組織和細胞內外多種信號分子濃度梯度及分子間交叉互作。

渦蟲可以從微小片段再生成個體，甚至在單細胞水平重建個體，可以作為一個獨特的模型來研究多能細胞參與再生的細胞及分子機制，有助於建立多能幹細胞參與再生調控的新範式。

單個注射的TSPAN-1+細胞可以再生出整個渦蟲個體(Zeng, 2018)

人體的大部分組織或器官中都有幹細胞的身影，它們參與組織內損傷細胞的更新和替換。渦蟲中80%的基因與人類高度同源。但與能夠再生出幾乎所有器官和組織的渦蟲不同的是，人類只有少數器官具有非常有限的修復能力，並且這種能力隨着年齡的增加而削弱。研究渦蟲再生過程的分子機制，揭示成體幹細胞如何幫助動物再生受損組織，有利於我們理解為什麼高等生物丟失了這種能力。

除了再生和“永生”，渦蟲還有很多其他獨特的特性。它們可以長期抵抗飢餓，並根據營養狀況進行生長（Grow）和去生長（Degrow），展現出極強的發育可塑性。當食物充足時，渦蟲會一直生長到它們的最大體型，但在飢餓狀態下，渦蟲會通過縮小體積來維持自身穩態，飢餓數月後，一隻完全成熟的2cm渦蟲，會收縮至1mm甚至更小。這種de-grow的過程可能是逆轉衰老過程的方式之一。揭示這一調控機制並加以運用，或許可以讓人類獲得和渦蟲一樣的“返老還童”能力。

渦蟲顯示出極強的應對飢餓的 “可塑性”(Newmark, 2002)

在漫長的演化過程中，自然界留下了豐富多彩的生命形式。這些不同的物種在億萬年的生存中早已建立了自己應對環境變化的策略。人類今天所遇到的困境，在自然界中可能已經為其他物種所解決。我們相信，對自然界中渦蟲這樣具有獨特生命特質物種的研究將有助於我們提出新的生物學問題和建立新的研究範式，並最終服務到人類健康。