什么是Hydra有性或无性生殖

最近发表在《自然》杂志上的一项研究得出了令人惊讶的结果：由瑞士日内瓦大学生物学家Brigitte Galliot领导的研究小组给了动物多个头，就像希腊神话中的九个怪物一样。科学家是如何做到的？这项研究对理解生命的奥秘和治疗疾病有什么意义呢？让他们明白。 这是什么动物呢？ 瑞士日内瓦大学科学家们研究的动物实际上是非常小、“身高”不到1厘米的异形小动物——Hydra群。Hydra是无脊椎动物，生活在富含氧气的淡水中。例如，就像田野里的一个干净的池塘，里面的一些水参是它们的天然食物。 Hydra似乎过着悠闲的生活，它有足够的生长和繁殖能力来杀死地球上的所有生物。Hydra不仅可以“永远活着”，还可以实现“永远的青春”。由于身体的干细胞可以不断分裂，水藻可以不断更新身体细胞，使其“恢复活力”。 同时，生育能力不受年龄的影响，当外部环境发生很大变化时，九头蛇扭转了正常无性生殖（出芽生殖）的正常状态，打开有性生殖的大门，产出更健康的后代，被称为生存繁殖能力的爆发，因此成为科学家研究长寿和癌症的重要实验对象。 注：水蛇在自然状态下的生存和繁殖能力的爆炸表，萌芽（无性繁殖） Hydra是怎么有九个头的？ Galliot在细胞生物学和发育生物学领域进行了多年的研究，发表了近100篇高水平论文。早在2009年，研究人员就发现了一种涉及一种名为WNT3的蛋白质的信号通路，在Hydra的头部再生中起着关键作用。然而，当时Galliot和他的同事们还没有发现控制这些细胞信号通路活性的机制，这些信号通路控制着Hydra的头部再生。 在过去的十年里，他们一直在努力解决这个问题。随着时间的流逝，进入2018年，伽利略团队终于取得了突破。他们在Hydra中发现了一种名为Sp5的基因，并发现只要在一定程度上抑制该基因的表达，Hydra就会产生多个头部。发生什么事了？ 事实上，从生物学的角度来看，Hydra拥有多个头的过程并不复杂。在涉及WNT3蛋白的信号通路中，一种称为β—连环蛋白的蛋白质起着重要作用。β—catenin进入细胞核，促进Hydra头部再生所必需的蛋白质的持续生产。 这也是WNT信号通路对生物体生长和发育的影响的常见方式。然而，由于β—catenin很容易在细胞中被“破坏”（被其他蛋白质降解），WNT3蛋白“护送”β—catenin并将β—catenin从“破坏”蛋白中释放出来。 通过这种方式，未被降解的β—连环蛋白可以留在细胞内并执行其生物学功能。 然而，在正常情况下，水蛇头部的生长发育不受抑制，自然生长的水蛇只有一个头部。因此，Galiot的团队认为，必须存在类似开关的生物机制，以控制WNT3信号通路的开启和关闭，并确保Hydra头部的正常生长和发育。基于这一想法，研究人员选择了头部发育活跃的Hydra作为研究对象，并利用生物技术对其进行了多次筛选，最终发现了Sp5基因。 图：在Hydra中，WNT3介导β—catenin，β—catenin促进Hydra的头部再生，尽管这种效果通常被抑制。 Galliott的研究小组发现，由Sp5基因编码的蛋白质阻断了编码WNT3蛋白的基因，使其无法产生足够数量的WNT3蛋白，从而导致β—连环蛋白失去了“护送”伙伴。结果，Sp5基因编码的蛋白质在一定程度上阻止了β—连环蛋白进入细胞核，使细胞无法产生能够再生Hydra头部的蛋白质。 更有趣的是，Sp5基因也是由β—儿茶素控制的。例如，WNT3，β？编码catenin蛋白的基因，以及Sp5基因的3个相互作用形成循环，Sp5阻碍WNT3蛋白的基因，WNT3蛋白为β？保护儿茶素蛋白，β？catenin蛋白可促进Sp5基因的表达.当这个循环正常运作时，Hydra的头部就会正常发展。然而，如果这个循环被中断，Hydra头部发育就会出现问题。 图注：Hydra调节圈（绿色箭头表示“促进”，红色箭头表示“抑制”）；如果循环被打破，Hydra的头部发育就会出现问题（右侧显示三种不同的多头症情况） 为了验证这一想法，Galliot的团队敲除了在不同的Hydra中编码β—catenin和Sp5的基因。所得到的Hydra的形态与上述理论非常相符。当β—catenin基因被敲除时，Hydra头部发育缓慢。 然而，当研究人员敲除Sp5基因时，他们得到了惊人的结果。如果没有抑制，Hydra的头部发育会变得疯狂，有些人甚至有九个头。 电子显微镜下具有多个头部的水藻。 那么，这些惊人的结果对生物学的其他领域意味着什么呢？ 这项研究告诉我们什么？ 为了回答这个问题，我们需要把注意力转向WNT3信号通路本身。 事实上，WNT3蛋白质是一个更大的蛋白质组的一部分，称为WNT蛋白家族。这种蛋白质家族在漫长的进化过程中是非常保守的。换句话说，尽管生物体经历了漫长的进化，但它们的蛋白质家族并没有发生太大变化。因此，涉及WNT蛋白家族成员的信号通路存在于许多生物体中，并参与生长和发育。 更有趣的是，WNT蛋白家族最初是在小鼠乳腺癌细胞中发现的。一些研究人员发现，当小鼠患上乳腺癌时，WNT蛋白家族的活性显著增加。研究人员还发现，在小鼠胚胎期敲除编码WNT蛋白的基因会导致小鼠发育不良。随后的研究表明，WNT蛋白家族对神经系统的发育也很重要。 这些研究表明，WNT蛋白家族及其所涉及的信号通路不仅在许多生物体的生长和发育中起作用，而且在肿瘤的发生和发育中起作用。例如，WNT信号通路就像脉冲信号，指示士兵在战场上冲锋，给细胞一个“前进”的信号和指令。但是，即使是发展中的生物，就像战争需要适当的指挥一样，如果没有指挥，他们只知道冲锋，最终的结果可能只是史诗般的牺牲。 破坏人体健康的癌症是由人体细胞生长紊乱引起的，其中一个可能的原因是这些癌细胞的WNT信号通路被过度激活，导致癌细胞打破体内细胞正常的生长节奏，占据周围细胞所需的营养物质，不受控制地增殖，最后拖走人体。 如果Sp5基因的存在抑制了Hydra头部的过度发育，那么它对其他生物体是否也有类似的效果？考虑到这一问题，Galliot的团队在研究了Hydra之后，分析了其他物种的细胞，发现Sp5基因和WNT信号通路存在于人类细胞和斑马鱼细胞中。 Galliot团队研究结果中最重要的提示之一是，科学家们可能能够增强Sp5基因的表达，从而加强对癌细胞内WNT信号通路的抑制，从而抑制或治疗癌症。 事实上，科学家们正在考虑类似的基因疗法，包括最新的基因编辑技术，因为它们比传统的放疗和化疗更精确，可以减轻患者的痛苦。然而，由于生物体是复杂的，许多基因的功能和相互作用还没有得到很好的研究，因此Sp5基因的抑制作用是否可以用于癌症治疗还需要进一步研究。