钓鱼并经常使用蚯蚓作为诱饵的人可能熟悉这种动物在切成两半时再生头部或尾部的能力。然而，虽然令人印象深刻，但与涡虫Schmidteamediterranea相比，蚯蚓的再生能力只是儿戏。本种，类型扁虫的，可以再生从微小的组织片段的整个动物如微不足道作为二百七十九分之一个动物。

这是怎么发生的?哪些细胞类型有助于这种惊人的再生能力?除了显然很重要的干细胞之外，还有多少其他细胞类型对于调节这个过程很重要，它们有什么作用?

斯托尔斯医学研究所SánchezAlvarado实验室成员于2021年9月2日在NatureCellBiology上发表的最新研究为这些复杂问题提供了一些早期答案。

“众所周知，伤口诱导表皮和伤口诱导肌肉在再生中发挥不同的作用，但我们想了解全局，”主要作者、博士后科学家BlairBenham-Pyle博士解释说。斯托尔斯研究所执行董事兼首席科学官和霍华德休斯医学研究所研究员亚历杭德罗桑切斯阿尔瓦拉多的实验室，博士。

“这是第一项明确发现Schmidteamediterranea的所有三个胚层(肌肉、表皮和肠道)对截肢都有转录反应的研究，并且伤口部位附近和远离伤口部位的组织都有助于再生能力，”Benham-Pyle说。

“以前再生有点像一个黑匣子——我们知道一些重要的基因，我们可以研究一些基因在截肢和再生过程中是如何在全球范围内发生改变的，但我们不知道单个细胞类型如何跨越动物正在改变它们的行为或功能。这就是这个实验让我们能够表征的。”

“梦想中的实验，”Benham-Pyle描述说，他们最终完成的是“在单细胞水平上表征基因表达，随着时间的推移，在再生动物的所有不同细胞类型中。”

起初，研究人员考虑使用大规模RNA测序进行实验，因为基于液滴的单细胞测序——其中每个细胞都被封装在带有条形码的脂滴中，然后裂解以使用该条形码标记所有mRNA——是在本实验所需的规模上不可行。但在2017年初，桑切斯·阿尔瓦拉多(SánchezAlvarado)偶然发现了一份刚刚发布到bioRxiv的预印本报告了一种名为SplitSeq的新单细胞测序方法。Benham-Pyle与SánchezAlvarado审查并讨论了预印本工作的优点后，他们决定试一试。经过多次尝试、多次优化以及分子生物学和细胞计数技术中心团队的故障排除，Benham-Pyle成功地为斯托尔斯研究所带来了一种新的单细胞测序技术。

在让它发挥作用后，Benham-Pyle及其同事在失去再生能力的动物与能够再生的动物相比，在八个不同组织和干细胞区室中捕获了近300,000个单细胞转录组。

“这使我们能够查看整个动物的所有不同细胞类型，以了解哪些对截肢有反应，以及哪些基因在这些细胞发生变化和对再生作出反应时标记这些细胞，”Benham-Pyle解释说。

研究人员发现并表征了来自所有三个胚层的五种不同细胞类型，它们在截肢后瞬时改变了它们的转录输出。Benham-Pyle说，当富含这些细胞类型的基因被敲除时，“我们发现它们都以不同的方式促进再生，在不同的时间和身体的不同部位被激活。”

他们的一些发现比其他发现更出乎意料。例如，肌肉对于图案形成很重要，而表皮对于再生过程中的早期干细胞增殖爆发很重要，这并不出人意料。然而，研究人员惊讶地发现罕见的细胞，在全身再生过程中诱导的状态，称为瞬时再生激活细胞状态(TRACS)，并发现肠道似乎对干细胞维持和调节组织重塑都很重要截肢后。

“我没想到肠道会在受伤后全面改变其输出并重塑其功能，”Benham-Pyle说。“但如果你仔细想想，这确实是有道理的。涡虫通常根据它的营养环境来制定它的身体计划。蠕虫吃东西，这会促进干细胞增殖和新生物量的增加。当你切断动物，尤其是在极度受伤的情况下，通常会失去进食能力。现在所有的生长和重塑都需要由身体计划中已经存在的营养来推动。因此，截肢后，肠道改变其功能，以清除死亡物质动物体内的细胞，并将这些材料转化为再生蠕虫中新的健康细胞。”

获取和理解数据是一项团队工作。

“在大流行期间，我们不得不对所有的手稿进行修改，当时我们的研究能力为50%，”Benham-Pyle回忆道。“SeanMcKinney和显微镜中心找到了自动化成像的方法，我们制定了一个系统，我可以一次给他们40到80张幻灯片，所有不同的样本和RNAi条件，以便在夜间运行时成像。他们能够“在扫描共聚焦显微镜上为我们生成数TB的成像数据，这帮助我们获得了让论文被接受所需的巨大提升。他们为显微镜设施设定了非常高的标准。”

该研究的其他合著者包括：CarolynE.Brewster，一位生物信息学专家，他帮助分析了实验产生的数据，并在创建与论文相关的网站方面发挥了重要作用;AubreyM.Kent，她帮助描述了一些来自数据集的首批RNAi表型(她现在正在跟进一些被发现影响干细胞区室的表皮基因);FrederickG.Mann博士，他帮助克​​隆了Benham-Pyle在论文中筛选和表征的许多基因;陈世元;艾莉森·R·斯科特;和AndrewC.Box;和AlejandroSánchezAlvarado博士

退后一步，“这篇论文所做的是全面审视信号环境中需要什么样的细胞才能刺激干细胞产生新组织并替换缺失的组织，”Benham-Pyle反映道。

“事实证明，我们表征的许多基因，例如在肠道中，也与癌症背景下的免疫逃避或伤口愈合有关。许多与干细胞用来避免免疫缺陷的机制相同。免疫系统并在再生过程中促进增殖和生长可能与肿瘤所采用的机制相同。通过了解哪些非干细胞状态和组织类型有助于创造这种信号环境，我们最终可能会为两者找到新的目标在再生能力有限的情况下刺激健康和正常的伤口愈合，或者限制我们不想生长的东西的生长能力，比如肿瘤。”

“现在我们有了一张地图，我们可以去弄清楚细胞如何相互交谈，它们在做什么，以及它们是如何做的。”