全 文 ：第25卷 第7期
2013年7月
Vol. 25, No. 7
Jul., 2013
生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
文章编号：1004-0374(2013)07-0639-04
实现组织和器官再生不是梦
曾　安
(中国科学院上海生命科学研究院健康科学研究所，上海 200025)
收稿日期：2013-07-02
基金项目：国家自然科学基金项目(81130005，3097-
1615)；科技部重大科学研究计划(2010CB945600，
2011CB811304)
通信作者：E-mail: azeng@sibs.ac.cn
∙ 发现的历程 ∙
由于干细胞具有应用于修复损伤或衰老组织的
巨大潜力，对其“干性”维持及调节的机制的研究
已逐渐成为当今生物医学研究的热点和前沿。体外
成功建立的干细胞系为利用可移植的细胞类群再生
出新的功能性细胞提供了可能，但现有的再生医学
研究主要还是在体外培养系统中解析干细胞调节的
机制。一个不容忽视的问题是，尽管再生需要足够
量的新生细胞，但它还涉及体内其他的细胞类型和
生物学过程，例如需要平衡细胞增殖和分化进程；
协调新产生细胞和原本存在细胞之间的关系；重塑
所需要的组织或细胞的结构等。而内源存在的成体
(组织 )干细胞通过合适的动员、增殖和定向分化，
直接参与到再生过程，应用于再生医学可能会更有
潜力 [1]。并且，自身成体干细胞的应用避免了免疫
学和伦理方面的问题，具有相对定向的多能性，避
免了分化不当带来的隐患。因此，选择合适的在体 (in
vivo)研究模型，揭示再生信号在正常情况下是如何
被起始的，鉴定再生过程中重要的调控因子，深入
探讨再生增殖及组织形态建成的细胞及分子机理，
必然是未来再生医学的重要方向 [2]。
再生在自然界是一个非常广泛的生物学现象，
例如水螅可以从很小的细胞团再生出一个成体；涡
虫在被切成 200多块后依然能再生出完整的个体；
蝾螈可以再生出切割掉的附肢 [3]。为什么有些物种
能再生而另外一些不能？再生的细胞和分子生物学
编者按：如何让衰老或损伤的组织再生出新的功能性
细胞是发育生物学和再生医学研究中一个重要问题。
为了研究再生的生物学机制，上海生命科学研究院健
康科学研究所荆清课题组选择淡水涡虫(Planarian)作为
研究模型。涡虫具有强大的再生能力，其身体被切割
至1/279份时，依然能再生出完整的个体。涡虫再生潜
能由其体内丰富的成体干细胞所介导，它们在涡虫损
伤后启动增殖、迁移、定向分化等过程参与再生。尽
管涡虫的再生能力在一个世纪前就引起了生物学家的
兴趣，但人们对其再生的机制依然知之甚少。在荆清
研究员的指导下，博士生曾安等系统性地研究了205个
表观遗传因子在涡虫再生中的作用及功能，发现了12个新的涡虫干细胞调节因子，并揭示了涡虫的成体干
细胞的表观遗传学调控机制与高等生物高度近似。有趣的是，他们发现异染色质蛋白HP1-1特异地表达在
涡虫成体干细胞，并维持了干细胞的自我更新。而在损伤后，HP1-1促进了干细胞的再生增殖。与以往报
道的主要参与异染色质形成和基因沉默不同的是，涡虫HP1-1参与再生的分子机制主要是通过促进转录延
伸，而Mcm5是其下游一个重要靶基因。这项研究提示，对转录延伸的调控可能是再生过程中基因表达调
控和干细胞活化的一种重要方式，相关研究为理解染色质调控机制如何调节干细胞进而参与到再生过程提
供了重要参考。
生命科学 第25卷640
机制是怎样的？这些问题是发育生物学中存在上百
年的重要问题，但限于技术的局限、模型的缺乏——
经典模式生物大多不具有很强的再生能力——再
生的机制一直像谜一样困扰着生物学家。
1　涡虫是富有前景的用于再生研究的新兴模式
生物
涡虫是最典型的利用干细胞介导再生的生物。
早在 1889年，摩尔根就发现将涡虫切割至 1/279部
分时，其仍可再生出完整的个体。涡虫强大的再生
能力来源于其体内大量存在的未分化干细胞，这些
细胞具有较大的核 /质比，约占细胞总数的 25%~
30%。作为涡虫体内唯一具有增殖活性的细胞群体，
它们促进涡虫体内各种衰老细胞的更新以维持机体
的平衡，并在涡虫受到缺失损伤的时候，迅速被动
员参与到芽基的形成，分化形成40余种类型的细胞，
使涡虫快速地完成身体的修复。涡虫是最简单的三
胚层起源的生物，其 80%基因在高等生物中有同
源基因，并且具有较低的冗余性 [4]，解析这些基因
的功能有利于理解高等生物成体干细胞的调节及其
再生机制。
尽管涡虫令人惊奇的再生能力很久以来就吸引
了生物学家的兴趣，但由于分子和细胞生物学工具
的缺乏，前人的研究基本上都是描述性的。直到近
年来，随着地中海涡虫单克隆品系的建立，以及一
系列工作使得涡虫逐渐成为非常富有前景的研究干
细胞和再生的模式生物：基因组测序工作搭建了其
基因序列框架；RNAi基因敲低为分析基因功能提
供了工具 [5]；特异性标记成体干细胞及子代细胞类
群的基因得到鉴定，为研究特定基因对干细胞的行
为的影响提供了可能 [6]；基于流式细胞分选的成体
干细胞的分离、纯化，为分析干细胞的行为提供了
方法 [7]；基因芯片和生化工具为分析相关的信号通
路和调控机理提供了工具 [8]。
借助这些工具，涡虫再生研究经过近十年的发
展取得了令人瞩目的进展。单细胞移植实验证明了
涡虫成体干细胞具有一定的全能性 [9]。大规模
RNAi筛选鉴定了涡虫中 240个影响再生的基因，
其中包括在高等生物干细胞中广泛使用的 RNA代
谢相关的基因、参与细胞分裂的基因等 [10]，提示在
涡虫的再生过程中存在一套关键干细胞调控元件精
确地调节着成体干细胞的增殖和分化。尽管如此，
涡虫成体干细胞如何维持其自我更新和分化潜能之
间的平衡，以及损伤信号如何动员干细胞等问题依
然不清楚。
2　保守的染色质调节因子在涡虫再生中起着
重要作用
染色质调控因子代表着一类重要的干细胞调节
因子，在时空上精确调控基因表达和发育的进程，
维持干细胞的自我更新和多能性，操控细胞命运的
决定 [11]。但是染色因子在干细胞参与再生中的功能
及机制研究并不清晰。为了系统性地鉴定涡虫再生
相关的关键染色质因子，我们利用喂食针对特异染
色质因子的双链 RNA去发现能够影响再生的基因。
通过涡虫基因序列比对分析，我们鉴定了 210个潜
在的染色质蛋白编码基因，其中 205个基因被成功
克隆，而 12个基因的敲低明显抑制了再生。为了
进一步确认这些基因是否通过调节干细胞行为而参
与再生，我们分析这些基因在涡虫内的表达谱式。
首先，我们利用流式细胞技术分选了涡虫的成体干
细胞所在的类群。采用定量 PCR方法，我们发现
这 12个基因都富集表达在涡虫成体干细胞类群。
原位杂交证实，这些基因呈现明显的干细胞表达谱
式。双色荧光原位杂交进一步确认，这些基因都能
够定位到干细胞中，说明这些基因对再生的影响主
要是通过调节其成体干细胞所实现。
进一步我们逐个敲低这些基因并检测干细胞及
分化细胞的分子标记的表达，结果显示虽然这些
基因的敲低最终都降低了干细胞标记的表达，但
是它们的动态并不一致。例如，NuRD复合体组分
MBD3和 HDAC-1的敲低首先导致干细胞标志基因
表达的增加，而分化细胞分子标记的表达减少了，
提示它们主要参与分化过程。而 CAF-1复合体基因
敲低首先降低了干细胞分子标记的表达，而后才降
低了其分化细胞分子标记的表达，提示它对于干细
胞维持很重要。有趣的是，这些基因在涡虫中的功
能与其在哺乳动物干细胞中的角色非常类似。通过
整合筛选获得的结果，我们构建了一个涡虫成体干
细胞内的表观调控网路，重要的是，这些关键的染
色质调节复合体都参与了哺乳动物干细胞的调控，
提示涡虫的成体干细胞使用与高等哺乳动物干细胞
高度保守的染色质调控机制，这些结果或许对于高
等生物的干细胞研究有着借鉴意义。
3　HP1-1促进成体干细胞自我更新和再生增殖
从这些筛选获得的 12个影响涡虫再生的基因
中，我们着重研究了异染色质蛋白 HP1-1对涡虫成
曾　安：实现组织和器官再生不是梦第7期 641
体干细胞的调控功能和机制 [8]。尽管异染色质蛋白
(HP1)是从酵母到人中都保守存在的染色质结合蛋
白，但对它的研究过去一直比较局限在果蝇和酵母
中进行，而且主要关注它介导的异染色质调节机制，
其在干细胞中功能和机制并不清楚。
通过基因组分析，我们发现涡虫中存在两个明
显的 HP1同源蛋白。体外生化实验表明，这两个蛋
白也具有 HP1家族蛋白非常保守的生化特性。我们
进一步制备了涡虫特异性的HP1-1抗体。有趣的是，
免疫荧光实验显示，涡虫的 HP1-1蛋白散发定位在
常染色质区域，而只有少量分布在异染色质区域。
为了进一步研究这两个 HP1同源基因的功能，我们
采用 RNAi敲低技术分析它们对再生的影响。有趣
的是，这两个 HP1同源基因中，只有 HP1-1敲低
会抑制涡虫的再生。原位杂交结果显示，HP1-1基
因呈现明显的干细胞表达谱式，而 HP1-2基因呈现
泛在表达。进一步，我们采用双色荧光原位杂交分
别比较了 HP1-1基因与干细胞及分化细胞分子标记
的共定位，结果显示接近 97%的 HP1-1阳性细胞
同时表达干细胞分子标记，而只有 4%同时表达分
化细胞分子标记，提示其表达呈现比较特异的干细
胞表达谱式。重要的是，HP1-1阳性细胞具有增殖
和分化的潜能。这些结果说明，HP1-1基因是一个
新的涡虫成体干细胞分子标记。
那么 HP1-1是否参与调控干细胞呢？当我们敲
低 HP1-1时，发现干细胞标志基因 Smedwi-1的表
达在 13 d时明显降低，15 d时基本消失殆尽。用流
式细胞定量分析增殖的干细胞类群，发现 HP1-1敲
低逐渐降低了涡虫干细胞数目。干细胞的减少可能
是因为细胞凋亡的增加，或者增殖和分化能力的失
衡。TUNEL染色结果显示，HP1-1敲低并不引起
凋亡增加，那么是否是由于增殖和分化失衡引起的
呢？ BrdU在 8 h时主要标记增殖的涡虫干细胞，
而由于被标记的干细胞会持续分裂，导致掺入的
BrdU会随着细胞分裂进行而进入分化细胞中。利
用此特征，我们在涡虫体内进行干细胞谱系追踪实
验，结果显示在 BrdU注射 8 h后，HP1-1敲低导
致了 BrdU和早期子代细胞分子标记 NB32.1g双阳
性的细胞有近两倍的增加，而这种增加一直持续到
标记以后的 24 h，提示敲低 HP1-1导致涡虫干细胞
的过早分化。与此结果一致的是，敲低 HP1-1降低
了涡虫干细胞的增殖能力，而使得原本靠近外侧的
分化细胞异位定位到涡虫身体内侧。基于以上结果，
我们认为 HP1-1在干细胞中的主要作用是促进涡虫
干细胞的自我更新，而抑制其过早分化。自我更新
的干细胞对于涡虫身体的稳态维持比较关键。当
HP1-1敲低后，涡虫的头部出现萎缩，并最终在一
个月内裂解死亡，出现明显的稳态维持缺陷。因此，
HP1-1通过促进自我更新而参与到干细胞介导的涡
虫稳态维持。
那么 HP1-1的敲低又是如何抑制涡虫再生能力
的呢？我们在分析再生过程中 HP1-1的表达时，发
现其蛋白的水平呈现两个波峰的变化。这种变化让
我们想到涡虫干细胞在损伤后会被迅速激活，启动
两个增殖的高峰。因此，我们检测了再生过程中干
细胞的增殖情况，结果显示损伤的确导致干细胞增
殖水平的增加，而 HP1-1敲低明显抑制这种增殖上
升。当对 HP1-1敲低的不能再生的涡虫进行干细胞
谱系追踪时，我们发现 HP1-1敲低导致更多的分化
细胞分子标记的表达，而且早期分化基因也异位表
达在原本干细胞分布的区域。这些结果提示，
HP1-1的敲低导致干细胞的加速分化。因此，我们
的结果表明，涡虫正常再生需要启动增殖以提供足
够的细胞来源，而 HP1-1的敲低导致干细胞再生增
殖的缺陷及加速分化 (图 1)。
HP1家族蛋白通常作为一个接头蛋白主要识别
甲基化的 H3K9，进而招募其他蛋白，如组蛋白甲
基化转移酶，从而参与异染色质形成。当我们把两
个 HP1同源基因敲低时，组蛋白甲基化水平都降低
了，说明 HP1-1的功能可能并不依赖于通常的异染
色质调节。与此推测一致的是，敲低 H3K9me3甲
基化转移酶基因也不影响涡虫再生。那么 HP1-1是
否可能通过调节基因表达来调节涡虫再生呢？我们
进一步自主设计了涡虫的基因表达谱芯片，通过针
对再生第三天的涡虫进行基因表达谱式分析，结果
图1 HPI-1促进涡虫成体干细胞再生增殖
生命科学 第25卷642
显示下调的基因主要是干细胞中富集的基因，而上
调的主要是参与到代谢过程的基因，这些基因主要
表达在分化细胞中。由于 HP1家族蛋白的功能比较
多样化，其对基因的影响可能是直接，也有可能是
间接的。那么涡虫HP1-1的分子机制到底是怎样呢？
考虑到 HP1家族蛋白的不同功能是由其结合
蛋白所决定，我们筛选了一些在其他物种中已知的
与 HP1有相互作用的蛋白，试图寻找在敲低后出现
与 HP1-1相似表型的基因。有趣的是，FACT复合
体的两个基因的敲低呈现与 HP1-1敲低类似的表
型，其组分基因在再生过程中也定位到芽基的边缘，
并和 HP1-1共表达在同一细胞中。我们进一步制备
了其重要组分 SSRP1蛋白的抗体，免疫沉淀显示
SSRP1蛋白在涡虫体内的确能够与 HP1-1结合。
FACT复合体主要参与基因的转录延伸，而转录延
伸的一个重要标志是磷酸化的 RNA 聚合酶。我们
发现 HP1-1和磷酸化的 RNA聚合酶在涡虫再生中
有比较强的相互作用，而在未损伤涡虫中基本检测
不到相互作用，提示 HP1-1的确是通过调节转录延
伸进而参与再生过程。
转录延伸是转录进行的一个限速步骤。为了进
一步研究 HP1-1下游的靶基因，我们选择同样的时
间点进行 FACT复合体两个基因敲低后的转录谱式
研究，结果显示它们敲低后与 HP1-1影响的基因高
度类似。因为转录延伸参与基因激活，因此我们关
注了 195个下调的基因，从中选取了下调比较明显
的 85个基因进行敲低。结果发现，5个基因的敲
低明显抑制再生，而且它们都参与细胞分裂或增殖。
其中，Mcm5基因是下调最为明显的基因之一。
Mcm5敲低抑制了涡虫再生，并且也抑制了涡虫干
细胞的再生增殖。Mcm5基因高度富集表达在涡虫
干细胞类群中。重要的是，正常涡虫中，损伤会导
致Mcm5的上调，而 HP1-1或 FACT复合体基因的
敲低抑制这种上调。为了进一步确认 HP1-1是否能
直接调控Mcm5，我们建立了整虫染色质免疫沉淀
技术，结果显示HP1-1能像活化型RNA聚合酶一样，
在损伤后结合到Mcm5的近段启动子区域。基于这
些结果，我们提出一个模型：损伤导致 HP1-1参与
到转录延伸，进而活化增殖相关基因的表达，促进
干细胞的再生增殖。
这项工作首次深入细致地研究了染色质调控机
制在再生中的重要作用，为理解干细胞调控及再生
机制提供了重要参考，同时也带来诸多新的科学问
题值得进一步深入探讨。例如，损伤信号如何传递
到染色质上；HP1-1是否会通过非自主性方式调控
干细胞；HP1-1促进再生增殖时，除了Mcm5外还
有无其他靶基因；HP1-1对干细胞的调控是否在进
化上有保守性等。
致谢：感谢荆清研究员对我起始涡虫研究的支持、
以及在课题进行中前瞻性的指导。感谢实验室涡虫
小组的同学：李永芹、韩晓帅、王晨、张振超、茅
春燕等在涡虫平台建设上的贡献和合作。感谢美国
伊利诺伊大学香槟分校的汪宇盈和郭婷夏博士，以
及Stowers研究所的雷凯博士在实验上的指导、意见
和宝贵建议。
[参　考　文　献]
[1] Gurley KA, Sanchez Alvarado A. Stem cells in animal
models of regeneration. StemBook [Internet]. Cambridge
(MA): Harvard Stem Cell Institute, 2008
[2] King RS, Newmark PA. The cell biology of regeneration.
J Cell Biol, 2012, 196(5): 553-62
[3] Poss KD. Advances in understanding tissue regenerative
capacity and mechanisms in animals. Nat Rev Genet,
2010, 11(10): 710-22
[4] Newmark PA, Sanchez Alvarado A. Not your fathers
planarian: a classic model enters the era of functional
genomics. Nat Rev Genet, 2002, 3(3): 210-9
[5] Sanchez Alvarado A, Newmark PA. Double-stranded RNA
specifically disrupts gene expression during planarian re-
generation. Proc Natl Acad Sci USA, 1999, 96(9): 5049-
54
[6] Eisenhoffer GT, Kang H, Sanchez Alvarado A. Molecular
analysis of stem cells and their descendants during cell
turnover and regeneration in the planarian Schmidtea
mediterranea. Cell Stem Cell, 2008, 3(3): 327-39
[7] Hayashi T, Asami M, Higuchi S, et al. Isolation of plana-
rian X-ray-sensitive stem cells by fluorescence-activated
cell sorting. Dev Growth Differ, 2006, 48(6): 371-80
[8] Zeng A, Li YQ, Wang C, et al. Heterochromatin protein 1
promotes self-renewal and triggers regenerative prolifera-
tion in adult stem cells. J Cell Biol, 2013, 201(3): 409-25
[9] Wagner DE, Wang IE, Reddien PW. Clonogenic neoblasts
are pluripotent adult stem cells that underlie planarian
regeneration. Science, 2011, 332(6031): 811-6
[10] Reddien PW, Bermange AL, Murfitt KJ, et al. Identificati-
on of genes needed for regeneration, stem cell function,
and tissue homeostasis by systematic gene perturbation in
planaria. Dev Cell, 2005, 8(5): 635-49
[11] Orkin SH, Hochedlinger K. Chromatin connections to
pluripotency and cellular reprogramming. Cell, 2011,
145(6): 835-50