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近日,我校生命科学学院昆虫科学与技术研究所李胜教授和任充华研究员合作在Cell Reports期刊上以Article形式在线发表题为“Two transcriptional cascades orchestrate cockroach leg regeneration”的研究论文,他们主要以美洲大蠊为研究对象对其肢体再生的转录调控机制进行解析,找到了两条(BMP/JAK-STAT-zfh-2-B-H2Notch-drm/bowl-bab1)在再生过程中分别控制着前期基芽细胞增殖和中后其形态的建成的转录级联通路。

肢体再生一直是生物学研究中备受瞩目的科学问题之一,被Science列入了全世界最前沿的125个科学问题。肢体再生能力是动物在长期进化历程中保留的一种生存技能,在种群环境适应性方面具有重要的生物学和生态学意义,揭示动物肢体再生的分子机制任重道远。在有肢体的动物中,肢体再生能力随着进化水平的提高而不断下降,高等哺乳动物肢体再生能力在出生后基本丢失。肢体再生相关研究主要围绕水生及两栖类动物进行,陆生动物的肢体再生能力研究相对较少。

蜚蠊目昆虫(俗称蟑螂,主要包括美洲大蠊等),属于陆生动物,肢体结构相对简单。蟑螂的肢体再生现象已被报道超过180年的时间,也是最早被用来做肢体再生研究的试验材料。蟑螂因其生命周期短、易饲养、RNAi敏感可高效进行活体基因筛选、具有明显的附肢结构、且肢体(特别是腿)再生能力极强的特点,是研究动物肢体再生的理想模型,多个经典的再生理论模型是由蟑螂作为研究对象提出,且首个动物肢体嫁接试验也是用蟑螂腿来完成。但是,长期以来蟑螂肢体再生研究停留在表型观察阶段,在过去很长时间内基本处于停滞不前状态,其再生过程中涉及的基因表达和细胞命运决定等生物学过程的机理尚未明确。

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在该研究论文中,作者首先采用组织细胞观察方法(microCT扫描与3D成像、切片观察等)对整个美洲大蠊的腿部再生过程进行详细观察;然后对断腿后 6h12h1d3d5d7d10d7个不同时间点的转录组数据进行分析,筛选出多个再生过程中表达上调的信号通路和转录因子;为了进一步确定控制再生的关键关键信号通路和转录因子,作者通过活体功能验证实验筛选确定出zfh-2bowlDllDac等再生关键转录因子和JAK-STATBMPHedgehogNotchWingless等关键信号通路。其中zfh-2bowl是首次被报道调控动物腿部再生,且这两个基因在脊椎动物中的同源基因也在肢体再生过程中高表达;EdUPH3染色等结果表明zfh-2影响腿部再生过程中基芽细胞的增殖,bowl影响腿部再生过程中形态建成。

为了阐明zfh-2bowl分别影响前期基芽细胞增殖和中后期形态建成的转录调控机制,作者通过联合RNA-SeqATAC-SeqCUT&Tag-Seq等组学以及EMSA、双荧光素酶报告基因实验等多种分子技术手段,表明zfh-2上游受到关键信号通路BMP/JAK-STAT的调控,同时zfh-2也调控着下游转录因子B-H2的表达,并且zfh-2在美洲大蠊腿部再生过程中受到磷酸化MadpMadp-Smad1)的直接调控;bowl上游受到转录因子drm和信号通路Notch的调控,下游调控转录因子bab1的表达。

这项研究围绕动物肢体再生的转录调控机制进行了大规模筛选,且成功鉴定到了2条分别控制着基芽细胞增殖和形态发生的转录级联通路BMP/JAK-STAT-zfh-2-B-H2Notch-drm/bowl-bab1,为其他脊椎动物乃至哺乳动物的肢体再生研究提供了借鉴和新的见解。

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李胜教授团队近年来围绕蟑螂为什么叫小强这一科学问题开展一系列研究,在Nature Communications (2), Nature Ecology & Evolution, The Innovation Molecular Biology & Evolution等权威期刊发表多篇研究论文。围绕蟑螂肢体再生方向已在Nature Communications, Cell Reports, Science AdvancesCell Regeneration上发表多篇高水平论文,将非模式生物蟑螂发展成为研究动物肢体再生的理想模型。华南师范大学生命科学学院任充华研究员、温叶杰科研助理、以及硕士生郑少娟和博士生赵政为本文共同第一作者,李胜教授和任充华研究员为共同通讯作者,华南师范大学为论文第一和通讯作者单位。该研究得到广东省人民医院费继锋教授、北京生命科学研究所王伟研究员和太原师范大学赵晨静副教授的大力帮助,国家自然科学基金重点项目、重点国际合作、面上项目、广东省自然科学基金杰青项目和岭南现代农业实验室基金等基金对该项目提供了支持。

 

原文链接:

https://www.cell.com/cell-reports/fulltext/S2211-1247(24)00217-1?_returnURL=https%3A%2F%2Flinkinghub.elsevier.com%2Fretrieve%2Fpii%2FS2211124724002171%3Fshowall%3Dtrue




撰稿 任充华

初审 李胜

复审 周爽

终审 高彩吉

  • 发布时间:
  • 2024-03-03 11:38:00 来源:华南师范大学生命科学学院 点击: 收藏本文
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