新研究揭示動物斷腿再生的轉錄調控機制

近日，華南師范大學生命科學學院教授李勝和研究員任充華合作，以美洲大蠊為研究對象對其肢體再生的轉錄調控機制進行解析，找到了兩條（BMP/JAK-STAT-zfh-2-B-H2和Notch-drm/bowl-bab1）在再生過程中分別控制著前期基芽細胞增殖和中后期形態建成的轉錄級聯通路。相關成果以長文（Article）形式在線發表于《細胞報告》（Cell Reports）。

動物肢體再生一直是生物學研究中備受矚目的科學問題之一。肢體再生能力是動物在長期進化歷程中保留的一種生存技能，在種群環境適應性方面具有重要的生物學和生態學意義，揭示動物肢體再生的分子機制任重道遠。

蜚蠊目昆蟲（俗稱蟑螂，主要包括美洲大蠊等），屬于陸生動物，肢體結構相對簡單。蟑螂具有生命周期短、易飼養、對RNAi敏感可高效進行活體基因篩選、具有明顯的附肢結構、且肢體（特別是腿）再生能力極強的特點，是研究動物肢體再生的理想模型。但是，長期以來蟑螂肢體再生研究停留在淺顯水平且在過去很長時間內基本處于停滯不前狀態，其再生過程中涉及的基因表達和細胞命運決定等生物學過程的機理尚未明確。

該研究首先對整個美洲大蠊的腿部再生過程進行詳細觀察；然后對斷腿后7個不同時間點的轉錄組數據進行分析，篩選出多個再生過程中表達上調的信號通路和轉錄因子；研究人員通過活體功能驗證實驗篩選確定出zfh-2、bowl、Dll和Dac等再生關鍵轉錄因子和JAK-STAT、BMP、Hedgehog、Notch、Wingless等關鍵信號通路。其中，zfh-2和bowl是首次被報道調控動物腿部再生，且這兩個基因在脊椎動物中的同源基因也在肢體再生過程中上調表達；EdU、PH3染色等結果表明zfh-2影響腿部再生過程中基芽細胞的增殖，bowl影響腿部再生過程中形態建成。

為了闡明zfh-2和bowl分別影響前期基芽細胞增殖和中后期形態建成的轉錄調控機制，作者通過聯合RNA-Seq、ATAC-Seq和CUT&Tag-Seq等組學以及EMSA、雙熒光素酶報告基因實驗等多種分子技術手段，表明zfh-2上游受到關鍵信號通路BMP/JAK-STAT的調控，同時zfh-2也調控著下游轉錄因子B-H2的表達，并且zfh-2在美洲大蠊腿部再生過程中受到磷酸化pMad的直接調控；bowl上游受到轉錄因子drm和信號通路Notch的調控，下游調控轉錄因子bab1的表達。

該研究圍繞動物肢體再生的轉錄調控機制進行了大規模篩選，且成功鑒定到了兩條分別控制著基芽細胞增殖和形態建成的轉錄級聯通路（BMP/JAK-STAT-zfh-2-B-H2和Notch-drm/bowl-bab1），為其他脊椎動物乃至哺乳動物的肢體再生研究提供了借鑒和新的見解。