两栖类肢体再生和鱼类尾鳍再生过程的比较

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1、鱼类尾鳍再生和两栖类肢体再生过程的比较曹逸涵摘要：硬骨鱼的尾鳍和有尾两栖动物的肢体都具有完全形态再生能力，作为进化上同源的两种附属肢体，其再生机制也具有一定的保守性。本文将从再生原基细胞来源、位置信息的记忆与确定、再生相关基因及其表观遗传修饰等角度，分析两种再生过程的异与同，为认识肢体再生的保守机制及物种特有机制提供参考。关键词：肢体再生硬骨鱼有尾两栖动物形态重建位置信息表观遗传肢体的再生是在部分硬骨鱼和有尾两栖类动物具有的特殊能力。当对斑马鱼的尾鳍进行截肢后，可重新形成尾部的简单组织，其再生干细胞可以重建原有尾鳍的形态，即侧视图中的M形结构。同样能够进行形态重建的典型系统是两栖类的肢体再生。

2、当有尾两栖动物的前肢或后肢被截止后，可以再生出四趾的前肢和五趾的后肢。而当其前肢分别在腕部、肘部、上臂等不同部位截肢时，再生的肢体分别为端骨、结合骨和端骨，以及柱骨、结合骨和端骨。[1]尾鳍作为硬骨鱼的附属肢体，与四肢动物的肢体具有进化同源性。鱼类尾鳍的再生与两栖动物肢体再生过程也具有一定的保守性。本文将选取两类能够进行完整肢体形态重建的生物——硬骨鱼和有尾两栖动物，讨论两者在肢体再生，特别是在完整形态重建方面的异同，为认识肢体再生的保守机制及物种特有机制提供参考。保守性因素再生原基细胞的来源动物的肢体大都经历相同的过程，即（1）伤口愈合（2）伤口表皮的形成（3）形成具有分裂增殖能力的再生原基

3、，以及（4）细胞的分化和肢体形态发生。其中再生原基的形成是关键性步骤，它由一些分化程度较低、具有多能性的间质细胞组成，并且保存有原来的位置信息。目前普遍认为，鱼类和有尾两栖动物的再生原基均来自于细胞的去分化。在两栖动物中，它们来源于伤口附近的细胞；而在鱼类中，它们从截肢面近端的广泛区域被招募来。[2]这些细胞可能经历了与iPS细胞类似的分子机制，尽管它们的多能性还在争议中。3个iPS细胞的关键基因——Sox2、Klf4和c-myc被发现在蝾螈的再生肢体中上调表达。[3]在鱼类中，再生原基会表达的msx基因族，它们可能指导细胞的去分化。[2]另一些与获得多能性的基因也被发现表达，其中几个基因甚至

4、是启动再生过程所必须的。[3]位置信息的记忆鱼类和有尾两栖动物的再生原基的细胞均能记忆截面处的位置信息。在蝾螈中，肢体再生符合经典的远端替代原则，即肢体细胞能够记忆自己所在处的位置信息，当截肢发生后，再生原基可以识别截面近端处的位置信息，重建远端的肢体结构。而在斑马鱼中，截肢的尾鳍能再生出原有的M形形状，显示尾鳍细胞也能储存位置信息。[1]这意味着，再生原基细胞应由之前经历过位置信息的细胞产生，并在分裂中继续保持。再生原基细胞虽然可能经历了与iPS细胞类似的过程，但不可能与高度去分化的iPS细胞完全相同。调控信号一系列在再生原基形成和生长过程中有潜在重要作用的基因被鉴定出，它们部分具有物种间保

5、守性，包括TGFβ、activin、BMP、IGF、FGF、Wnt、MMP，以及胞外基质组分和凝血因子等。当阻断这些通路时，再生过程在早期阶段即被阻止。[4]研究显示，很多因子在不同的组织再生过程中普遍地被激活，这些组织和器官包括尾鳍、心脏、视网膜等。这种重叠性表明一些核心机制，如感知创伤、细胞周期调控以及形态发生程序的激活等，在不同的再生系统中具有共性。[2]神经支配作用再生原基需要神经支配进行增殖和生长。如果在截肢前将肢体基部的神经切断，再生原基将生长不良，再生过程被阻断。而若在再生原基形成后再切断神经，增殖会受到抑制，但已再生部分仍可继续增长和分化。再生原基的增殖和生长的维持需要神经营养

6、因子的释放，这一现象在硬骨鱼和有尾两栖动物中都得到证实。例如，克鲤鱼属硬骨鱼的尾鳍再生需要支配。对神经组织的手术补充甚至能帮助肢体未受伤的蝾螈长出异位肢体。[5]特殊性因素再生组织硬骨鱼和有尾两栖动物截肢后可再生出的组织有差异，前者为部分再生，后者则可完全再生。硬骨鱼的鳍由两部分骨骼组成，来源于不同个体发育过程。外层骨骼（鳞质鳍条和角质鳍条，由皮骨构成）在多种硬骨鱼中均可再生，但内层骨骼（软骨内成骨）不可再生。[1]有尾两栖动物肢体的各种组织，包括表皮、真皮、骨骼、肌肉、神经组织等均可再生。位置信息的确定硬骨鱼和有尾两栖动物截肢部位位置信息的可调性不同。有尾两栖动物肢体再生符合远端替代模型，其

7、最经典的实验是Butler（1958）的P-D轴线颠倒再生实验。首先，肢体被从腕部截肢，并将残肢缝入后侧侧面体壁的口袋中。这一桥形肢体可同时从近端和远端由神经和血管支配。设原肢体最近端位置信息为10，最远端为1，截肢处近端为5，则现在此肢体具有位置信息“10-9-8-7-6-5”。之后，桥形肢体又被从中部在“7”、“8”间再次切断。实验结果显示，正常的近端残肢再生出具有位置信息“7-6-5-4-3