惊奇！让水螅长出了9个脑袋的基因

最近，发表在《自然》杂志上的一项研究，得到了令人惊奇的结果：瑞士日内瓦大学的生物学家布里吉特.加利奥特（Brigitte Galliot）带领的团队，让一种动物长出了多个脑袋，就像希腊神话中的“九头怪”！科学家是怎么做到这一点的？这项研究对于我们理解生命的奥秘，对于疾病的治疗又有什么意义呢？让我们来了解一下。

这是一种什么样的动物？

瑞士日内瓦大学的科学家用作研究对象的动物其实非常小，是一群“身高”不到1厘米的异形小动物——水螅（Hydra）。水螅是一种无脊椎腔肠动物，它们大多生活在含氧量充足的淡水中，例如田间水质清洁的池洼，而池洼中的一些水蚤，正是它们天然的美食。

看似过着闲适生活的水螅，它们的生长和繁殖能力足以秒杀地球上的所有的生物。水螅不仅可以做到“长生不老”，还可以做到“永葆青春”。它们体内的干细胞可以不断分裂，也就意味着水螅可以不断更新自己的体细胞，然后“返老还童”。

与此同时，它们的繁育能力丝毫不受到年龄的影响，并且当外界环境发生较大变化时，水螅甚至可以一反平时无性繁殖（出芽生殖）的常态，打开有性繁殖的大门，产生更多健康的后代，可谓生存和繁殖能力爆表，因此它们也作为科学家研究长寿和癌症的重要实验对象。

水螅是怎样长出九个脑袋的？

加利奥特长期致力于细胞生物学和发育生物学领域的研究，发表了近百篇高水平论文。早在2009年，加利奥特教授就发现一个名为WNT3的蛋白所参与的信号通路，对于水螅头部的再生发挥着重要的作用；然而在当时，加利奥特和同事并不清楚，是什么机制控制上述细胞信号通路的活动，进而调控水螅头部的再生过程。

于是，在过去近10年中，他们一直致力于探索这个问题。时间一转，来到2018年，加利奥特团队终于取得了突破性进展。他们在水螅体内找到了一个名为Sp5的基因，并且发现，只要在一定程度上抑制该基因的表达，就可以让水螅长出多个脑袋。这是怎么回事呢？

实际上，从生物学机制上来看，让水螅长出多个脑袋的过程并不复杂。在WNT3蛋白参与的信号通路中，一个叫做β-catenin的蛋白在其中起到了很大的作用。β-catenin这种蛋白可以进入细胞核中，促进细胞源源不断地生产水螅头部再生所需要的蛋白。

这也是WNT信号通路对于生物体生长发育常见的作用方式。但是β-catenin很容易在细胞中被“消灭”（被其他蛋白降解），这时候，WNT3蛋白起到了对β-catenin“保驾护航”的作用，它将β-catenin从“消灭”它的蛋白手中解救出来。

这样，未被降解的β-catenin就可以继续留在细胞中发挥它的生物学功能了。

但在正常情况下，水螅头部的生长和发育并不会肆无忌惮，天然生长的水螅只有一个头部。因此，加利奥特团队猜想，必定存在一个开关一样的生物机制，可以控制WNT3信号通路的开放和闭合，以保证水螅头部正常的生长和发育。基于这个想法，他们选取了头部发育处于旺盛时期的水螅作为研究对象，然后利用生物技术手段，多次筛选，终于找到了Sp5这个基因。

加利奥特团队在研究中发现，Sp5基因编码的蛋白可以抑制编码WNT3蛋白的基因，使其不能产生足量的WNT3蛋白，于是β-catenin也就失去了为自己“保驾护航”的伙伴。这样，Sp5基因编码的蛋白就在一定程度上阻止了β-catenin进入细胞核内，从而导致细胞不能生产让水螅头部再生的蛋白了。

更有意思的是，Sp5基因也会受到β-catenin的调节。也就是说，编码WNT3、β-catenin蛋白的基因，以及Sp5基因，它们三个之间的相互作用组成了一个循环，Sp5可以抑制WNT3蛋白的基因，WNT3蛋白会保护β-catenin蛋白，β-catenin蛋白又会促进Sp5基因的表达。当这个循环正常运转时，水螅头部就会正常发育。但是，这个循环一旦被打断，水螅头部的发育就会出问题。

为了验证这一设想，加利奥特团队分别在不同的水螅中，敲除了编码β-catenin的基因和Sp5基因。得到的水螅形态与上述理论猜想十分一致：敲除β-catenin的基因，水螅头部的发育会变得迟缓；

而敲除Sp5基因后，则产生了让人震惊的结果－没有了抑制因素，水螅头部的发育变得疯狂起来，有些水螅甚至长出了九个脑袋！

那么，这个令人震惊的结果，对于生物学其他领域有什么启示呢？

这项研究有什么启示？

要回答这个问题，我们的注意力需要回到WNT3信号通路本身。

实际上，WNT3蛋白是一个蛋白大类中的一员，我们把这一类蛋白叫做WNT蛋白家族。这个蛋白家族在漫长的演化过程中非常保守——保守的意思是，虽然生物体经过了长时间的演化，但这个蛋白家族没怎么改变。因此，WNT蛋白家族的成员所在的信号通路，在很多生物体中都存在，并且都与生长发育有关。

更有意思的是，WNT蛋白家族最初是在小鼠的乳腺癌细胞中被发现的——一些科学家发现，当小鼠患有乳腺癌时，WNT蛋白家族成员的活性会显著上升。还有科学家发现，如果在小鼠的胚胎时期敲除编码WNT蛋白的基因，那么小鼠的发育就会不健全。后续研究还发现， WNT蛋白家族对神经系统的发育也很重要。

从这些研究可以看出，WNT蛋白家族，以及它们所参与的信号通路，不仅与多种生物体的生长发育有关，还与肿瘤的发生发展存在关联。打个比方，WNT信号通路就像在战场中指引士兵冲击的冲锋号，给细胞发出“向前冲”的信号和指令。但是，即便是发育中的生物体也不能肆意生长，就像打仗也需要适当的指挥，如果没有指挥，只知道冲锋，最后结果也许只有壮烈的牺牲。

破坏人类健康的癌症，就是人体细胞生长紊乱导致的，其中一个可能的原因就是WNT信号通路在这些癌细胞中过度活跃，使癌细胞打破了人体内细胞正常的生长节奏，侵占周边细胞所需要的养料，不受控制地拼命增殖，最后拖垮人体。

既然在水螅中，Sp5基因的存在，可以抑制头部过度发育的倾向，那么在其他生物体内，这个基因是否也存在，并且也具有类似作用呢？带着这个问题，加利奥特教授团队在研究了水螅后，又对其他物种的细胞进行了分析，结果发现，在人类和斑马鱼细胞中，都存在Sp5基因和WNT信号通路。

加利奥特团队得到的结果，给我们最重要的一个提示就是，也许科学家可以增强Sp5基因的表达，进而加强它对癌细胞中WNT信号通路的抑制作用，达到抑制或治疗癌症的目的。

其实，类似的基因疗法，包括最新的基因编辑技术，都在科学家的考虑范围内，因为相比于传统的放疗、化疗手段，基因疗法更精确，也能减轻病人的痛苦。但是，因为生物体十分复杂，很多基因的功能及其相互作用我们都没有研究透彻，是否能利用Sp5基因的抑制作用来治疗癌症，还需要科学家继续研究。