对于一群被称为水螅的小型水生动物来说，被斩首更多的是一种不便，而不是致命的威胁。由于这些生物拥有令人难以置信的再生能力，所以它们不必因此而死亡。
然而，控制水螅如何重新长出头部的过程一直是个谜。为了了解这一壮举的基因基础，科学家们仔细研究了在再生过程中哪些基因被开启和关闭，以及它们是如何被控制的。
“我们想知道……基因组层面正在发生什么，它告诉这些细胞生长还是停止生长，以及这与正常发育相比如何？”加州大学圣巴巴拉分校的进化生物学家 Aide Macias-Muñoz 说，她在加州大学欧文分校期间进行了这项研究。
她和她的同事们在再生和出芽（水螅和其他一些动物如珊瑚的无性繁殖方式）过程中，发现了头部生长方面的关键差异。该团队还注意到，水螅再生所涉及的一些机制与控制其他动物发育的机制相似。Macias-Muñoz 表示，这可能意味着这些“发育工具”在动物王国中有着古老的历史。她于 12 月 8 日在《基因组生物学与进化》杂志上发表了这些发现。
水螅属于一类名为腔肠动物的无脊椎动物，它们还包括海葵、珊瑚和水母。它们简单的身体呈管状，一端是口器和触手，另一端是连接周围岩石或其他固体表面的“足”。
有些动物，如蜥蜴和蝾螈，可以重新长出失去的肢体。但水螅，以及一些蠕虫和其他动物，将再生能力发挥到了极致。在口器附近，水螅有一个由 50 到 300 个细胞组成的群体，称为头部组织者；顾名思义，它负责头部发育。如果水螅被斩首，一个新的组织者可以形成并促使动物重新长出头部。同时，被砍掉的头部有时也会重新长出身体的下半部分。
科学家们还成功地将水螅的头部嫁接到其他水螅被斩首的身体上。Macias-Muñoz 说，如果将水螅撕成小细胞团，包含头部组织者细胞的细胞团就会长出一个完整的身体。
她和她的团队调查了水螅在再生和出芽（动物长出一个小芽，最终脱离形成一个全新的水螅）过程中是否遵循相似的指令来构建头部。他们分析了在两种过程中水螅的组织样本，并确定了在头部再生和出芽过程中表达不同的 298 个基因。其中包括先前与水螅头部组织者形成相关的基因，以及参与其他动物再生过程的基因。
“再生和出芽，即使结果相同，也会走上不同的轨迹，”Macias-Muñoz 说。
她和她的同事们还研究了控制这些基因指令在再生过程中是否被执行的机制。他们将注意力集中在动物的染色质上，这是由 DNA 和蛋白质组成的紧密缠绕的遗传物质。当一段染色质“关闭”时，称为组蛋白的蛋白质将其包裹起来，使得内部的 DNA 无法被读取；当染色质“打开”时，其他蛋白质可以结合并转录 DNA。
“在再生过程的某些时间，染色质的某些区域是开放的，而在其他时间则是关闭的，”Macias-Muñoz 说。“所以，这不仅仅是基因的开启和关闭，而且是这种开放或关闭染色质的变化有助于调节这些对再生重要的基因的表达。”
研究人员还确定了染色质内已知会结合蛋白质的区域，这些蛋白质在不同动物物种的发育中起着重要作用。Macias-Muñoz 表示，这表明一些潜在的再生遗传机制在腔肠动物与人类等更“复杂”动物的祖先分化之前就已经进化了。
她表示，这些发现引发了一个有趣的问题。组织再生在水螅和其他动物中是否非常相似？还是像蜥蜴和蝾螈这样的动物正在以独特而不同的方式“重新连接”发育基因，以达到与水螅相似的效果？
未来，Macias-Muñoz 将探索她和她的团队识别出的基因和控制过程如何相互作用。“下一步将是实际进行功能性测试，并验证它们在再生过程中确实起作用，”她说。
研究像水螅这样的简单生物中的再生机制，以及它与其他动物的再生过程有多相似，可能有助于深入了解人类的发育是如何出现问题的。
“研究水螅为我们提供了对细胞能做什么以及基因层面的机制的根本性了解，”Macias-Muñoz 说。“如果我们能弄清楚如何破坏它们或修复其他生物中的破坏，那么也许我们可以开始思考那些导致疾病的破坏是如何……以不同的方式得到治疗的。”
