蝾螈肢体再生中位置记忆的分子机制及可塑性研究
《Nature》：Molecular basis of positional memory in limb regeneration
【字体：
大
中
小
】
时间：2025年05月22日
来源：Nature 50
编辑推荐：
肢体再生的位置记忆机制尚不明确。为此，研究人员以墨西哥钝口螈为模型，探究前后轴位置记忆的分子基础。发现 Hand2-Shh 正反馈回路维持后部身份，且前体细胞经 Shh 诱导可重编程为后部记忆状态。该研究为再生医学提供新方向。
在生命科学领域，肢体再生一直是备受关注的研究方向。蝾螈作为少数具有完整肢体再生能力的脊椎动物，其再生过程中如何精准恢复原有组织结构和位置信息（即位置记忆）是长期未解的科学谜题。目前，科学家已知蝾螈肢体的前后轴（Anterior-Posterior Axis）在再生中起关键作用，前体细胞分泌的 Fgf8 与后体细胞分泌的 Shh（Sonic Hedgehog）通过正反馈回路驱动肢芽生长，但位置记忆的分子基础以及其是否可被人为改变仍不明确。解开这些问题不仅能揭示再生的核心机制，更为人类组织修复和再生医学提供关键理论依据。
奥地利科学院分子生物技术研究所（IMBA）与分子病理学研究所（IMP）的研究人员围绕蝾螈肢体再生的位置记忆机制展开研究。他们通过转基因标记、谱系追踪、CRISPR/Cas9 基因编辑等技术，发现了维持后部位置记忆的关键分子回路，并首次证实位置记忆在特定条件下具有可塑性。相关成果发表于《Nature》，为理解器官再生的遗传基础和开发组织工程策略提供了重要突破。
研究主要采用以下关键技术方法：
转基因技术：构建 ZRS>TFP、Hand2:EGFP 等转基因蝾螈，通过荧光蛋白标记追踪 Shh 和 Hand2 阳性细胞的时空分布。
谱系追踪：利用 Cre-loxP 系统永久性标记胚胎期 Shh 和 Hand2 细胞，追踪其在成体再生中的贡献。
CRISPR/Cas9 基因编辑：构建 Hand2 基因敲除（CRISPant）蝾螈，研究 Hand2 在肢体发育和再生中的功能。
细胞移植与信号调控：通过前 - 后细胞移植实验结合 Shh 激动剂（SAG）或抑制剂（BMS-833923）处理，验证位置记忆的可塑性。
转录组分析：利用 RNA 测序（RNA-seq）比较前后细胞基因表达差异，解析 Hand2-Shh 回路的分子网络。
研究结果
1. 后部位置记忆由 Hand2-Shh 正反馈回路维持
通过比较蝾螈前后真皮结缔组织细胞的转录组，发现 Hand2（a bHLH 转录因子）在后部细胞中显著高表达。利用 Hand2:EGFP 敲入蝾螈，发现 Hand2 在胚胎期后部肢体持续表达，并在再生芽基中富集。进一步研究表明，Hand2 通过结合 Shh 的肢体增强子 ZRS（Zone of Polarizing Activity Regulatory Sequence）启动 Shh 表达，而 Shh 信号又反过来维持 Hand2 的高表达，形成正反馈回路。谱系追踪显示，胚胎期 Hand2 细胞持续存在于成体肢体，且再生时 Hand2 谱系细胞可分化为 Shh 阳性细胞，证实该回路是后部位置记忆的分子基础。
2. Hand2 对后部身份的必要性与充分性
CRISPR/Cas9 敲除 Hand2 导致蝾螈肢体发育严重缺陷，表现为肢芽生长停滞和指（趾）数减少，再生时 Shh 表达显著降低，且后部皮肤移植无法诱导副肢形成（Accessory Limb Model, ALM），表明 Hand2 是维持后部身份和 Shh 信号的核心因子。反之，过表达 Hand2 可诱导前部细胞 ectopic 表达 Shh，导致多指（趾）畸形甚至异位肢体形成，证明 Hand2 足以将前部细胞重编程为后部状态。
3. 位置记忆在再生过程中具有单向可塑性
细胞移植实验表明，前部细胞移植到后部再生环境中时，可接触内源性 Shh 信号并启动 Hand2-Shh 回路，稳定转变为后部记忆状态，且经二次截肢后仍能表达 Shh。相反，后部细胞移植到前部时维持原有身份，未检测到前化现象。进一步通过 Shh 激动剂 SAG 处理再生芽基，发现短暂激活 Shh 信号即可使前部细胞获得后部记忆，而抑制 Shh 则阻断前 - 后转化，证实位置记忆的可塑性依赖 Shh 信号，且呈现 “后向主导” 特性。
4. 染色质和转录因子网络的协同作用
转录组分析显示，前 - 后细胞差异表达约 300 个基因，包括 Hoxd13、Lhx9 等转录因子及细胞外基质相关基因。Hand2 过表达可下调前部转录因子（如 Alx1、Lhx9）并上调后部基因（如 Hoxd13），提示 Hand2 通过重塑转录网络实现身份转换。此外，基因本体论（GO）分析显示，后部细胞富集细胞粘附和细胞外基质组织相关通路，可能为 Shh 信号提供特定微环境。
研究结论与意义
本研究首次揭示蝾螈肢体再生中位置记忆的分子基础 ——Hand2-Shh 正反馈回路通过转录和信号的相互强化维持后部身份。关键发现包括：
位置记忆的分子核心：Hand2 作为 “分子开关”，通过正反馈回路稳定后部记忆，而 Shh 既是其下游效应因子，又是维持回路的上游信号。
可塑性的单向性：前部细胞可被 Shh 重编程为后部状态，但反之不可行，这与发育中 Hox 基因的后部主导模式一致，可能由转录网络的稳定性差异所致。
再生医学启示：通过调控 Hand2-Shh 回路可人为改变细胞的位置记忆，为诱导非再生组织的修复能力提供了新策略，例如在人类成纤维细胞中激活类似通路可能促进组织再生。
该研究不仅填补了肢体再生领域的关键理论空白，还为理解器官再生的进化保守机制提供了新视角。未来研究可进一步探索背 - 腹轴等其他位置轴的记忆机制，以及 Hand2-Shh 回路在哺乳动物中的潜在功能，推动再生医学从基础研究向临床应用的转化。
相关新闻