哺乳动物器官再生的进化开关：ALDH1A2基因调控的发现与再生医学潜力

作者及机构
本研究的通讯作者为Wei Wang（北京生命科学研究所）、Ziqing Deng（华大基因研究院）和Jun Luo（西北农林科技大学）。研究团队由来自中国多个顶尖科研机构的科学家组成，包括北京生命科学研究所、清华大学、中国农业大学等。该研究于2025年6月26日发表于《Science》期刊，论文标题为《Reactivation of mammalian regeneration by turning on an evolutionarily disabled genetic switch》。

学术背景
再生能力在低等脊椎动物（如斑马鱼和蝾螈）中广泛存在，但在哺乳动物中显著受限。尽管先前研究提出多种促进再生的策略（如干细胞疗法、基因过表达），但哺乳动物器官再生的完全恢复尚未实现。本研究聚焦于耳廓（ear pinna）这一具有再生多样性特征的哺乳动物器官，旨在揭示再生失败的进化机制。耳廓由皮肤、软骨等复杂组织构成，在胎盘哺乳动物中表现出从完全再生（如兔子、非洲刺鼠）到无法再生（如小鼠、大鼠）的显著差异。研究团队假设，再生能力的丧失可能与特定基因调控元件的进化失活有关，尤其是与视黄酸（retinoic acid, RA）信号通路相关的基因。

研究流程与方法
1. 跨物种比较分析
- 研究对象：选取再生能力不同的物种，包括兔子（再生）、山羊（再生）、非洲刺鼠（再生）以及小鼠和大鼠（非再生）。
- 实验设计：在耳廓上打孔（小鼠和大鼠2 mm，兔子和山羊4 mm），观察30天内的修复过程。通过组织学染色（如阿尔新蓝染色）和单细胞RNA测序（scRNA-seq）分析再生与非再生物种的差异。
- 关键发现：非再生物种（小鼠和大鼠）仍能形成芽基（blastema），但缺乏形态发生相关基因的激活，如ALDH1A2（编码RA合成限速酶）。

1. 单细胞与空间转录组学

   • 技术方法：对兔子和小鼠耳廓损伤后的细胞进行scRNA-seq，鉴定出伤口诱导成纤维细胞（wound-induced fibroblasts, WIFs）为再生的关键细胞群。
     
   • 空间转录组学（Stereo-seq）：通过10 μm厚度的耳廓切片，定位WIFs的基因表达差异。发现兔子WIFs高表达BMP2、LEF1等形态发生因子，而小鼠WIFs则高表达肌成纤维细胞标记物ACTA2（α-SMA）。
     

2. 基因功能验证

   • 基因过表达：利用腺相关病毒（AAV）在小鼠中过表达ALDH1A2或SRFBP1，发现仅ALDH1A2能完全恢复耳廓再生。
     
   • RA补充实验：通过腹腔注射RA（而非其前体视黄醇）成功诱导小鼠耳廓再生，并证实RA信号在芽基形成和生长阶段起关键作用。
     

3. 调控机制解析

   • 表观遗传分析：通过H3K27ac ChIP-seq和ATAC-seq发现，兔子ALDH1A2基因座存在多个损伤响应性增强子（如AE1和AE4），而小鼠中这些增强子进化失活。
     
   • 转基因小鼠模型：将兔子ALDH1A2增强子（AE1）插入小鼠基因组，显著提升了耳廓再生能力，证实增强子失活是再生失败的主要原因。

主要结果
1. ALDH1A2是再生关键开关：再生物种中，ALDH1A2在损伤后显著激活，促进RA合成；非再生物种则因增强子失活导致ALDH1A2表达缺失。
2. RA信号重塑微环境：RA通过抑制肌成纤维细胞分化（降低ACTA2）和激活AP-1转录复合物，驱动WIFs向再生表型转化。
3. 跨物种保守性：在斑马鱼和蝾螈再生模型中，ALDH1A2同源基因同样高表达，提示RA信号通路的进化保守性。

结论与意义
本研究首次揭示了ALDH1A2基因调控元件的进化失活是哺乳动物耳廓再生能力丧失的关键原因。通过激活RA信号通路，可重新编程非再生物种的损伤响应，实现完全再生。这一发现为再生医学提供了新靶点：
- 科学价值：阐明了再生能力进化的遗传基础，提出“环境适应驱动再生丢失”的假说。例如，耳廓形态的适应性进化（如兔子的长耳）可能以牺牲再生能力为代价。
- 应用潜力：RA或ALDH1A2增强子疗法可能用于心脏、神经等器官的再生修复。

研究亮点
1. 创新方法：结合跨物种单细胞/空间转录组学与表观遗传学，系统解析再生调控网络。
2. 关键发现：ALDH1A2增强子的进化失活是再生能力丧失的直接原因。
3. 转化价值：RA补充疗法在啮齿类动物中实现完全再生，为临床转化提供可能。

其他价值
研究还发现RA信号与AP-1复合物的协同作用，为理解再生中的表观调控提供了新视角。未来可探索其他器官（如心脏）中类似机制的保守性。