棘皮动物再生研究进展

棘皮动物再生研究进展 棘皮动物再生研究进展 第37卷第4期 2007年7月 中国海洋大学 PERIODICALOFOCEANUNIVERSITYOFCHINA 37(4):563,568 July,2007 综述 棘皮动物再生研究进展 ,丛日山,于苗苗 樊廷俊,杜玉堂 (中国海洋大学海洋生命学院海洋生物系,山东青岛266003) 摘要:棘皮动物具有极强的再生能力,在进化上和发育上与脊椎动物具有许多相似性,是在器官,组织,细胞和分子水平 上研究后口动物再生过程与再生机理的理想模式动物.本文综合该领域的研究现状并结合作者的研究成果,对棘皮动物再 生的研究进展进行综述. 关键词:棘皮动物;再生;再生机理;变态再生;变形再生 中图法分类号:Q2文献标识码;A文章编号:1672—5174(2007)04—563—06 再生现象在动物界广泛存在,且不同动物的再生 能力不同,一般无脊椎动物的再生能力要强于脊椎动 物[.棘皮动物是一类再生能力极强的后口无脊椎动 物,它们常通过无性繁殖再生出因受伤,捕食或自割而 丢失的器官,如腕,外附属物(棘和叉棘)及内脏(消化 管和生殖腺等)等.大量的研究结果表明,棘皮动物不 仅可以快速再生出丢失或损伤的器官,而且还具有后 口动物的典型发育特征,是在器官,组织,细胞和分子 水平上研究后口动物再生过程与再生机理的理想模式 动物一. 对棘皮动物的再生研究开始于20世纪中叶.此 后,学者们先后对海盘车,海百合,海参,海胆,海蛇尾 等的再生过程与再生机理进行了研究.取得了许多重 要研究成果.本文就棘皮动物腕,内脏,肌肉,外附属 物以及幼虫再生的研究进展进行综述. 1棘皮动物腕再生的研究进展 腕的再生是长腕棘皮动物的典型特征之一.这些 棘皮动物的腕在自身诱导或外部因素(如高温,缺氧, 污染,大浪等)作用下常常发生自割l4],然后迅速再生 出所丢失部分.如1种砂海星(Linckiasp.),其腕在 截断后不仅可长时间存活,而且还能再生出1个完整 的新个体【.对棘皮动物腕的再生研究,主要集中在 海盘车,海百合和海蛇尾等棘皮动物中【I5_. 11海盘车 海盘车以其惊人的再生能力而闻名,且易得, 易于饲养,因此是棘皮动物再生研究的理想模式动 物[,].将砂海星(L"idiaclathrata)的腕从基部截 断后,约380d便能从基部重新再生出1个完整的腕 来,且前60d的再生速度很快,约能再生出腕的40% , 50%,此后生长速度逐渐变慢【7].樊廷俊等在国内 率先通过断腕创伤诱导技术对海盘车腕的再生过程, 再生方式及其再生机理进行了研究,发现罗氏海盘车 (Asteriasrollestoni)残腕的整个再生过程需要数月才 能完成,其再生过程可分为伤口愈合,早期再生和晚期 再生3个阶段,并在国际上首次揭示了罗氏海盘车腕 独有的再生方式,即残腕顶端新生腕芽的再生延长和 残腕的再生延长同时进行,合理地诠释了海盘车惊人 的再生速度【8J. 关于海盘车腕再生机理的研究.Mladenov等人报 道,在六腕细海盘车(Leptasteriashexactis)腕尖端再生 中没有发现原基样细胞团,认为其再生是变形再生样 (morphallactic—like)再生l9J.而在罗氏海盘车中,脱分 化的干细胞参与了残腕的再生,并形成了干细胞原基 (blastema),其再生是表变态再生(epimorphosis)和变形 再生(morphallaxis)联合作用的结果【8_,进一步解释了 海盘车惊人的再生能力. Huet首次研究了神经系统在海盘车腕再生中的作 用[10],研究结果显示,去除辐神经的海盘车在切去腕 尖后不能再生,表明腕的再生依赖于来自口面神经环 的刺激.Piscopo等研究了切除神经后海盘车行为的改 变与恢复,发现其摄食能力在前40d中逐渐减弱,然后 才逐渐增强,到第60天时完全恢复,表明海盘车腕功 能的恢复也依赖于神经系统的恢复l1.可喜的是, Eliseikina等从海盘车辐神经中分离出了1种32kDa 大小的组织特异性蛋白,并制备了其单克隆抗体,该抗 体只与海盘车辐神经细胞中的蛋白反应,暗示此抗体 可作为神经细胞1种分子标记用于海盘车神经系统的 基金项目:青岛市科技发展计划项目自然科学基金(04—2一JZ-82)资助 收稿日期:2006—12—15;修订日期:2007—0l一16 作者简介:樊廷俊(1964一),男,博士,教授,博导.E—mail:tjfan@OUC.edu.cn 中国海洋大学 再生研究,为研究神经系统在海盘车腕再生中的作用 以及全面揭示腕的再生机理创造了条件_1. 近年来,海盘车腕再生的分子生物学研究也取得 了一定的成果.Thorndyke等在欧洲海盘车(Asterias rs)腕再生过程中鉴定出了在后口动物模式形成和 神经发生中起调节作用的Hox基因,命名为ArHox1 基因_1.ArHox1的表达产物是1个25kDa的蛋白 质,与其它物种中Hox1的编码产物大小相近.该基 因在未创伤海盘车的辐神经索中持续表达,约于细胞 增殖前2天表达量开始增加,表明ArHox1基因可能 在细胞脱分化和/或细胞增殖中发挥作用_1.此外, 深入研究Hox基因在海盘车腕再生中的时空表达模 式将有助于查清它们在棘皮动物再生中的作用,为从 分子水平上研究棘皮动物再生开辟了道路. 1.2海百合 棘皮动物中的海百合亦具有非凡的再生能力El,引. 意大利学者Carnevali等在海百合再生研究中做了大量 的工作,他们通过实验诱导对地中海海羊齿(Antedon mediterranea)腕的再生过程进行了深入研究,证实海 百合的确具有惊人的再生能力,且其腕的再生过程与 罗氏海盘车腕的再生过程相似,也分为伤口愈合,早期 再生和晚期再生3个阶段,仅需约4周便可完成整个 腕的再生【14-15]. Carnevali等对地中海海羊齿腕再生机理的研究结 果表明,臂神经和体腔上皮在各个再生阶段均具有关 键作用,它们是细胞增殖和迁移的主要部位,其细胞大 量增殖后向残腕末端迁移,参与了伤口愈合及腕的再 生.在地中海海羊齿残腕的再生过程中,既有未分化 细胞(变形细胞和体腔细胞)又有分化细胞(吞噬细胞 和颗粒细胞)的参与,未分化细胞主要参与了伤口愈合 和腕的再生,而分化细胞则主要参与了伤口愈合[14-15]. 此外,Carneva|i等还对成体地中海海羊齿再次切割下 腕尖后的离体断腕的再生进行了研究,这也是目前对 棘皮动物离体断腕再生进行的唯一研究.结果表明, 这种断腕在体外可存活2周左右,且仍然具有较大的 再生潜能,其再生过程与在体残腕的再生过程相似,但 二者的再生机理明显不同,包括再生时细胞的来源不 同等n引.与在体残腕相比,除臂神经和体腔上皮在再 生过程中同样具有关键作用外,离体断腕在再生过程 中还发生了肌肉组织重排,脱分化和增殖[14-15j.地中 海海羊齿离体断腕的再生是1种变形再生,而在体残 腕的再生则是1种典型的表变态再生_1引.且在不同 生理状态下海羊齿腕的再生机理又不相同,既可利用 表变态再生或变形再生,又可同时利用2种再生机 理[. 对海百合腕再生的分子生物学研究主要集中在生 长因子于再生过程中的表达及其作用研究,尤其是关 于TGF一8家族成员的表达及其在再生中的作用研究. 2001年,Patruno从海百合(Antedonbifida)中成功克隆 出了成骨蛋白的同源基因A融2/4,通过分析该基因 在腕再生过程中的表达情况发现,A础2/4在创伤后 立即开始表达,在伤口愈合阶段(创伤后第20小时)的 表达依次出现在基底膜和体腔上皮中,在早期再生阶 段则主要位于近创伤端的体腔管(coelomiccana1)和原 基中[j.Thorndyke等["j综合现有研究结果认为 ABMP2/4在海百合腕再生中可能有以下3个方面的 作用:(1)在原基中能维持多能性原基细胞的性质; (2)在小骨形成时发挥骨骼形成调节因子的作用, (3)可能在新生腕分化中起重要作用.但至今对 ABMP2/4的具体作用及其作用机理仍无定论. 1.3海蛇尾 海蛇尾具有长而易断的腕,亚致死性的捕食行为 是海蛇尾腕丢失和诱导再生的主要原因_1.1个成体 分裂为2,3部分之后每部分都可再生成1个完整的 新个体_5j.对海蛇尾的现有研究主要集中在种群水平 上的再生发生率及其重要生物学作用上[17-18],而对其 腕的再生研究则主要集中在不同环境下腕的再生速度 方面[19-20].最近,又开始了盐度和钙离子浓度[], 溶解态的有机质浓度[和缺氧[j等外部因素对海蛇 尾腕再生的影响作用研究. Stancyk等发现,在海蛇尾残腕再生时,首先是残 腕顶端的生长和延长,然后才是新生腕芽的增宽生 长_1引.Bannister等在细胞和分子水平上研究海蛇尾 (Amphiurafiliformis)腕的再生机理时克隆出1个新 的成骨蛋白(BMP)基因afuni,发现该基因主要在晚 期再生(创伤后第3周和第5周)时腕的近创伤端和远 仓l』伤端的辐水管体腔细胞中表达,表明辐水管可能是 腕再生的重要细胞源,且该基因在成体腕的发育和再 生中具有多种功能[23j,这为从细胞和分子水平上揭示 海蛇尾腕的再生机理奠定了基础. 2棘皮动物内脏再生的研究进展 对棘皮动物内脏的再生研究较少,且主要集中在 海参中.海参在遇到天敌或有害刺激(如高温,低含氧 量,污染等)时,即可发生吐脏(evisceration)反应[,随 后便可重新再生出所丢失的内脏[,25]. 1930年代,意大利学者Bertolini首次研究了海参 消化道再生的组织学特征,并确定了参与再生的各种 组织,开辟了海参内脏再生研究的先河.此后,Dawbin 和Kille等学者又对海参血管系统和性腺的再生过程 及其再生方式进行了研究[26-27].郑法新等在国内率先 对刺参(Apostichopusiaponicus)吐脏后内脏再生的组 4期樊廷俊,等:棘皮动物再生研究进展 织学特征进行了研究_2. 现有的研究结果表明,海参吐脏后首先再生的内 脏为消化道.其再生时间随物种的不同而不同,最短 的7d即可完成再生[,最长的可达145dE27].郑法 新等报道,仿刺参(A,japonicus)肠管从吐脏后便可开 始再生.约2周便可再生出具有消化功能的新生肠管, 并将其再生分为伤口愈合,肠组织膜形成,管状肠管形 成和再生组织成熟4个阶段_2]. 对海参消化道再生机理的研究结果显示,肠系膜 在消化道的再生中具有关键作用,是内脏再生的中 心[6,25].在海参消化道的再生过程中,肠系膜的游离 端增厚,出现了由多种细胞形成的原基,这些细胞包括 壁体腔上皮细胞,肌细胞,神经细胞,以及变形细胞,血 细胞,淋巴细胞和桑椹胚细胞等分散于结缔组织中的 细胞_6J.Garcla—Arrar6s和Greenberg报道,各种海参 的原基均是由迁移细胞形成的,来源于体腔上皮的干 细胞在再生初期可能参与了原基形成,但这些细胞究 竟本身是未分化的于细胞还是由细胞脱分化所形成 的,仍有待于进一步证实E2s].有关体腔上皮在棘皮动 物再生中的作用,在海参Stichopusjaponicus,Hol~Churia forskali和罗氏海盘车(A.rollestoni)等棘皮动物中也有 类似的报道[,0. 海参其它内脏的再生常开始于消化道原基形成之 后[a5】.呼吸树再生时其细胞可能为中胚层来源. Dawbin指出,刺参(Stichopusmollis)呼吸树的再生过 程与该种的消化道再生相类似,其血管系统和性腺 再生的细胞可能来源于体腔上皮[2..与海参消化道 再生相类似,肠系膜在海盘车幽门盲囊再生时可能也 发挥着关键作用.此外,体腔上皮和内脏上皮作为细 胞来源在海盘车幽门盲囊再生中也具有重要作用[z5]. 对棘皮动物内脏再生的分子生物学研究仅仅集中 在海参中.Santiago等首次从海参(Holothuriaglaber一 n)再生肠cDNA文库中克隆出了1个971bp的基 因,其编码产物为血清淀粉样蛋白A(SerumAmyloidA Protein,SAA)的同源物,其表达主要在体腔上皮中,且 其表达量在吐脏后第3天开始上升,到第15天时达到 顶峰,推测该SAA同源物可能参与了抗炎症反应,在 海参肠的形态发生中具有重要作用_3. 3棘皮动物肌肉再生的研究进展 海参和海盘车是棘皮动物中肌肉发育较为完善的 物种,其肌肉再生与损伤个体的功能修复关系密切,故 对棘皮动物肌肉再生的研究主要集中在海参和海盘车 中. 对海参体壁肌肉的再生研究主要集中在Eupen— tactafraudatrix和Apostichopusjaponicus2种海参 中.Dolmatov等发现,这2种海参体壁肌肉的再生分 为创伤愈合,初级再生和体壁纵向肌肉束生长3个阶 段,其再生主要是通过体腔上皮细胞的脱分化和再分 化进行的[30].肌肉再生时,来源于体腔上皮的肌原细 胞首先从体腔上皮迁移到肌上皮处,然后迁移到肌肉 的预定发育部位,最终分化成肌肉组织,且在此过程中 并未出现明显的细胞增殖_33l.而对海参(H.glaber— rima)内脏肌肉再生的研究结果显示,其体腔上皮中存 在有成肌细胞(myoblast)前体,分裂增殖后产生新的成 肌细胞,远离体腔上皮后形成初始单细胞肌肉层,肌肉 层最终发育和分化成环肌和纵肌_3引. 海盘车体壁肌肉再生时,其肌细胞前体来源于体 腔上皮和顶端表皮层,且均发生了活跃的细胞增殖. 现有研究结果表明,海盘车体壁肌肉的再生方式主要 有2种,一是顶端表皮层中的成肌细胞向下方的结缔 组织迁移,进而分化为新生肌肉组织,用于顶端再生 arm—tipregeneration);二是体腔上皮中近肌肉组织的 成肌细胞在原位增殖,发生部分再分化后通过分层方 式脱离体腔上皮而形成新生肌肉组织,用于残腕的延 长arm—stumpelongation)(樊廷俊等,待发表),此方式 与海参(H.glaberrima)内脏肌肉的再生方式相似. 4棘皮动物外附属物再生的研究进展 棘(spines)和叉棘(pedicellaria)是海胆和海盘车用 于防御的体壁附属物,经常也会发生自割,其再生发生 的频率比腕还要高.目前,虽已对棘和叉棘再生的形 态学进行了部分研究,但对海胆棘再生的形态学研究 仅限于几种常见海胆[35-37].在海盘车中,仅仅研究了 欧洲海盘车(A.rubens)侧步带板处棘的再生_3J. Heatfield和Mischor分别对Strongylocentrotus purpuratus,Diademaantillarum和Echinothrixdi— adema3种海胆棘的再生过程进行了详细研究,发现这 3种海胆棘的再生过程十分相似:棘于中部断裂后,首 先是从残棘中央形成锥形的微棘(microspines),微棘通 过次生矿物质的沉积逐渐生长至原长[35-37].Politi等 还明确指出,海胆棘的再生首先是1个短暂的无定形 碳酸钙的沉积阶段[38],其再生过程也可分为伤口愈 合,早期再生和晚期再生3个阶段.在伤口愈合阶段, 棘于断裂后1,2d内便完成表皮层的再生,然后通过 受损部位部分表皮层细胞的分裂,向创伤处迁移来完 成棘的再生[39-40].超微结构研究结果显示,至第15天 左右(再生的晚期阶段),新生表皮层在结构上已经具 有与对照棘相同的特征.此时,磨齿环(milledring)附 近的真皮层细胞进行着活跃的分裂,然后迁移到再生 部位参与了棘的再生[39].对海胆棘再生机理的研究 结果表明,海胆棘从中部断裂后的再生过程中没有原 中国海洋大学 基的形成,而是在断裂部位通过不断积累和补充分化 细胞完成其再生的,属于变形再生[37].而海胆棘从基 部切除后的再生,则涉及到了未分化的细胞及原基的 形成,其再生属于表变态再生l4. 对棘皮动物叉棘再生的研究较少,仅限于几种常 见的海胆中,且研究主要集中在功能方面,对其形态发 生过程研究的很少【37].现有研究结果显示,所有类型 的叉棘被切除后都可在40,50d内完成再生【4.再 生开始时,先是从体壁上长出1个芽状生长物(9d以 后),15d后壳板开始分化,第25天时完成颚片的生 长,然后茎部开始生长延长,最终完成整个叉棘的再 生.有趣的是,除球形叉棘往往在自割处可再生出同 种类型的叉棘外,其它一些类型的叉棘,如三叶叉棘, 蛇首叉棘和三叉叉棘,其自割后并不一定在原处再生, 即使在原处再生的话,也不一定能再生出同种类型的 又棘来42l. 5棘皮动物幼虫再生的研究进展 与成体相比,棘皮动物幼虫组织和器官的再生能 力更强,对其进行再生研究具有诸多优越性,因此学者 们也开展了一些有关幼虫再生过程及其再生能力的研 究工作[43-47].现有研究结果显示,海胆长腕幼虫[, 海盘车羽腕幼虫和短腕幼虫[45,47]以及海蛇尾长腕幼 虫l4]在纵切为二后,每个部分均能再生出1个完整的 新幼虫.海参早期五触手幼虫的触须在断掉后10d内 也能完全再生出来l43l. 2001年,Vickery等利用cDNA扣除杂交在纵 切为二的海盘车(L.foliolata)羽腕幼虫中克隆出了9 个特异性表达基因,其中的1个基因与蛋白激酶样受 体蛋白的基因具有部分同源性,1个基因是与丝氨酸蛋 白酶同源性很高的蛋白酶基因——胰岛素样丝氨酸蛋 白酶基因srap,另外7个基因与现有已知基因均没有 明显的同源性.推测该胰岛素样丝氨酸蛋白酶可能在 海盘车幼虫伤口愈合后的再生过程中起作用,其它7 个基因很可能是幼虫伤口愈合和后续再生中特异性表 达的基因,但这些基因编码产物的具体功能仍需进一 步验iiE[6l. Casano等研究去除纤毛后海胆(Paracentrotus lividus)胚胎纤毛再生过程中分子伴侣的表达情况,发 现Hsp60和Hsp70家族成员在去除纤毛后的表达量没 有变化,而Hsp40的表达量增加了4倍左右,表明 Hsp40可能在纤毛再生中具有重要作用l4. 6棘皮动物再生机理的新认识 phosis)和变形再生(morphallaxis)2种[1,49].其中,在 表变态再生中,未分化细胞(干细胞或脱分化细胞)通 过增殖形成增殖活跃的不连续中心——干细胞原基, 为再生所需细胞的"干细胞库",用于形成新生组织;而 变形再生则是残存组织通过细胞的脱分化和/或迁移 并发生局部增殖,经再分化后形成新生组织,且常会发 生组织重排l3].传统的观点认为,1种动物的再生机理 一 般只涉及上述2种机理中的1种.近年来的研究结 果证实,在有些棘皮动物的再生过程中同时发生了表 变态再生和变形再生.如地中海海羊齿(A.mediter— ranea)的腕,在胁迫状态或受到极度损伤时可同时发生 表变态再生和变形再生,而在没有胁迫或损伤程度较 小时则仅发生表变态再生l4J.此外,罗氏海盘车在断 腕后的再生过程中也同时发生了表变态再生和变形再 生l8J.在海羊齿和罗氏海盘车中,2种再生机理同时运 用,大大加快了创伤腕的愈合和再生速率,使我们更容 易理解它们所具有的卓越再生能力.由此可见,认为1 种动物的再生只涉及表变态再生和变形再生中的1种 的观点有些过于简单化和绝对化,有些棘皮动物在再 生中能同时运用2种再生机理,对再生机理的传统观 点提出了1个新的挑战. 7研究展望 近年来,棘皮动物再生得到了越来越多的重视,对 再生过程中伤口的愈合,生长,形态发生以及分化均取 得了可喜的研究进展.但对棘皮动物的再生研究仍远 远落后于在其胚胎发育方面所取得的成就,许多基本 问仍未得到解决,尤其是在细胞和分子水平上的调 控机制还不清楚.因此,仍然需要做大量而深入的研 究工作以全面解决再生中的一些关键问题,如再生过 程是如何开始的,再生所需细胞的确切来源是哪里,再 生过程中有哪些基因和因子在起作用以及它们是如何 调控生长,形态发生以及分化来保证生物体结构及功 能恢复的,等等.这些问题的解决不仅需要进行再生 相关基因的筛选,鉴定和时空表达模式研究,确定再生 相关基因在棘皮动物再生中的作用等,还需要进行棘 皮动物细胞培养和细胞系的建立,进一步探明再生过 程中细胞的脱分化,再分化,转分化的影响因子及其调 控机理.对棘皮动物再生过程及再生机理的研究,将 有助于更好地理解其它后口动物的再生过程,再生机 理及其调控机制. 参考文献: [1]GossRJ(Ed.).Principlesofregeneration[M].London:London AcademicPress,1969, 动物的再生机理一直被分为表变态再生(epimor一[2]ThomdykeMC,ChenWC,MossC,耽a1.Regenerationechinoderms 4期樊廷俊,等:棘皮动物再生研究进展567 [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [1O] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] cellularandmolecularaspects.In:CarnevaliC,BonasoroF(Eds.). 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