让水螅长出了9个脑袋的基因，可能隐藏着癌症的秘密

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通过敲除一个基因，水螅竟然长出了多个脑袋，就好像打开了一个“开关”一样。

　　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。

图注：自然状态下的水螅，生存和繁殖能力爆表，图中可见出芽（无性生殖）

　　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。

图注：在水螅体内，WNT3为β-catenin保驾护航，而β-catenin可促进水螅头部再生，但正常情况下这种作用会被抑制

　　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。