关键应激蛋白HSP90调控涡虫再生能力的新发现

邹普越 曹楚林 胡瀚丹

研究背景

涡虫（图1）具备超强的再生能力。1898年，遗传学家摩尔根切下了涡虫整体重量1/279的小块组织，后来这个小块组织再生为了一个完整的个体。涡虫因此被誉为“切不死的动物”。近年研究发现，涡虫惊人的再生能力与其体内丰富的干细胞密切相关，涡虫受到创伤引发应激反应，随后通过相关信号调动体内干细胞的迁移、增殖与分化等生理过程。

应激蛋白HSP90是原核和真核生物细胞中与创伤、刺激和生长相关的重要基因。本研究推测，涡虫被切割后，组织缺失作为一种刺激引起涡虫应激反应，导致HSP90高表达，并设计实验以探究HSP90对涡虫再生能力的调控作用。

研究过程

实验通过喂食涡虫HSP90的dsRNA（图2），干扰涡虫基因表达，再用荧光定量qPCR方法检测涡虫再生及神经系统修复情况。图3所示为实验主要流程示意图。

研究结果与分析

HSP90是调控涡虫个体再生能力大小的关键基因

涡虫被切断后HSP90表达量明显增加：我们利用qRNA技术定量分析HSP90的表达变化。实验发现，涡虫切后6h和12h，HSP90的表达量明显增加，达到对照组的2倍左右;在切后24h，表达量恢复如初。我们推测，HSP90作为创伤应激反应的关键蛋白，它的表达量升高可能对涡虫再生过程的启动具有至关重要的作用。

dsRNA干扰涡虫HSP90的表达：为研究涡虫再生过程中HSP90的可能作用，我们利用RNAi技术，通过喂食dsRNA干扰HSP90表达，看涡虫再生过程是否受到影响。喂食dsRNA3次后的第3天，qPCR检测可以看出干扰组涡虫HSP90表达量明显比对照组低，差异极显著（P<0.001），说明dsRNA成功干扰了HSP90的表达。

干扰HSP90后涡虫再生能力明显降低：成功干扰HSP90表达3天后，将涡虫在咽前切为2段，不同时间分别观察对照组与实验组涡虫头部和尾部再生情况，并拍照记录。与对照组相比，干扰组眼点再生时间延迟了24h，且干扰组再生6天，也没有形成有耳突的典型头部形态;尾部再生过程中，干扰组涡虫再生6h创伤面也未能收缩，胚基形成少，再生6天时，也没有形成完整个体，尾部比对照组短了1～2mm;从涡虫再生过程中长/宽比值变化也发现，涡虫再生速度减慢。

干扰HSP90后影响了涡虫体内干细胞的增殖能力

涡虫再生需要体内干细胞增殖分化，我们推测，涡虫再生速度减慢可能是因为HSP90被干扰后，导致涡虫体内干细胞增殖能力降低。

增殖细胞核抗原（proliferating cell nuclear antigen，PCNA）是涡虫成体干细胞增殖的一个标志基因，表达时期与DNA合成时期一致。因此，检测PCNA的表达，可评价干细胞增殖状态。

我们在涡虫切后6h和72h，检测PCNA表达量。检测发现，干扰组和对照组PCNA表达量在6h和72h都有升高，干扰组涡虫干细胞PCNA表达量明显低于对照组（P<0.01）。这一结果说明，HSP90在被干扰表达后，涡虫再生能力降低是因为体内干细胞增殖减少的缘故。

HSP90是调控涡虫神经系统创伤修复能力的关键基因

为了探究HSP90被干扰后，涡虫再生过程中神经系统创伤修复是否受到影响，我们利用一种神经系统特异性蛋白的抗体标记涡虫神经系统，免疫荧光组化实验显示涡虫神经系统的创伤修复情况。

实验结果显示，再生0h时，实验组与对照组相比，涡虫神经系统再生情况无明显差异;再生2天时，对照组涡虫神经系统有明显的再生，受损的神经系统前、后端再生良好，而HSP90干扰组涡虫受损神经系统再生迟缓;再生6天时，对照组涡虫神经系统再生完全，再生的脑神经节前端和腹神经素末端能正常闭合。而HSP90干扰组涡虫再生的脑神经节前端未能完全闭合，尾部再生6天，再生的腹神经素末端也没能完全闭合。

讨论与结论

本实验利用体外转录HSP90的dsRNA，将其与食物混合后喂食涡虫，干扰涡虫体内HSP90的表达，发现干扰组涡虫在切后6h仍不能及时做出应激反应收缩创伤面;对照组涡虫再生2天后，头部就再生出眼点，而干扰组涡虫在再生后的第3天，头部才再生出小小的眼点;从咽前切断后，对照组涡虫6天完成再生，而HSP90干扰组涡虫6天内并不能再生为完整个体。此外，通过比较涡虫再生不同时间长/宽比值，发现干扰组涡虫在切后虽然可以再生，但再生速率明显低于对照组。涡虫独特的再生魅力源于其体内干细胞增殖，通过检测PCNA的表达量，发现干扰HSP90后，涡虫体内干细胞增殖减少，说明干扰组涡虫再生能力的降低与其体内干细胞增殖减少密切相关。

这些结果说明，干扰HSP90的表达后，涡虫再生能力明显降低，HSP90是調控涡虫再生能力大小的关键基因。本实验中，我们首次发现，干扰HSP90后，涡虫神经系统再生修复能力降低，HSP90是调控涡虫神经系统创伤修复能力的关键基因。

综上所述，我们可以初步得出结论，HSP90作为应激蛋白，在涡虫创伤后的早期应激反应中发挥重要作用;干扰HSP90后，影响了涡虫的再生应答，致使涡虫个体再生及神经系统创伤修复能力大大降低。因此，HSP90是涡虫再生过程中的关键调控蛋白，并在神经系统修复中有潜在应用价值。

由于HSP90是一个在进化上高度保守的分子，加之调控涡虫干细胞增殖分化的相关基因及信号分子在人类及其他哺乳动物中都很保守，因此我们推测，HSP90调控涡虫再生的研究结果很可能适用于人或其他动物。比如，将HSP90用于受损的组织或器官可促进创伤愈合。不仅如此，针对HSP90，用涡虫筛选调控神经系统再生的药物，将很有可能用于人类神经系统的损伤修复。实现人体组织或器官的再生，也许将不再是梦！