这种原产于南美洲的淡水蜗牛在眼睛被切除后能够重新长出完整的眼睛结构——眼球和眼柄大约在一个月内就能再生。这一发现发表在《自然通讯》(Nature Communications)杂志上,研究对象是名为“金苹果蜗牛”(Pomacea canaliculata)的物种。这种蜗牛之所以值得研究,是因为它拥有与人类等脊椎动物相同类型的眼睛:这种眼睛由一个封闭的腔室、透明的角膜、具有聚焦功能的晶状体以及布满感光细胞的视网膜组成。
大多数能够再生身体部位的动物(如扁虫或海星)的眼睛结构要简单得多,甚至完全没有眼睛;因此,发现一种拥有复杂且类似人类眼睛结构的生物实在非常罕见,这也促使研究团队对此现象进行了更深入的探究。
研究人员通过手术切除了成年蜗牛的眼球和眼柄,并详细观察了后续的再生过程。眼睛被切除后的24小时内,伤口就完全愈合了。随后几天内,伤口处形成了一个由快速分裂的细胞组成的“胚基”(blastema),这些细胞为身体提供了再生新组织的原料。大约在第9天时,新的视杯结构开始形成,视网膜细胞前体逐渐排列成杯状;到第12天时,视网膜已经清晰可见,晶状体也开始在视网膜内部形成。
大约15天后,眼球的所有主要结构都已形成,不过这些结构在接下来的几周内仍在继续成熟和发育。研究发现,在再生过程中有数千个基因的活性发生了变化,其中一些基因的调控机制与脊椎动物眼睛发育过程中的基因相似。其中,一个名为pax6的基因尤为重要——它在人类及其他动物的眼睛发育过程中起着关键调控作用。
当研究人员利用CRISPR基因编辑技术使蜗牛胚胎中的pax6基因失活时,纯合突变胚胎在发育过程中没有长出眼睛或眼柄,这表明该基因对于该物种的眼睛形成至关重要。一些脊椎动物,包括鱼类、蝾螈和青蛙,在受伤后能够再生某些视网膜细胞或眼部组件,但在该研究讨论的案例中,尚未发现眼球被摘除后能完全再生的现象。这些发现对再生研究意味着什么?
福寿螺并非第一个因这一特性而引起科学界关注的软体动物。1988年发表在《实验动物学杂志》(Journal of Experimental Zoology)上的一篇论文研究了田螺,发现眼柄被切除后,伤口处的组织会形成一个“眼杯”,眼睛随后从中再生。14天后可以看到视网膜分化和新的晶状体,而25天后眼睛已完全再生。这项早期研究在基因编辑工具出现几十年前就已证实,某些蜗牛具备完全修复眼睛所需的生物机制。这项新的基因研究在这一基础上,补充了原始研究所无法提供的分子细节。
由于福寿螺的眼睛与人类眼睛在结构和基因上具有重要的共同特征,研究团队认为将其作为再生研究的模型具有潜力。人类眼睛不具备同样的视网膜组织再生能力。美国国家眼科研究所指出,一旦视网膜神经元因疾病或损伤而丧失,人体无法将其替换。视网膜神经节细胞(其轴突构成了视神经)在人类体内也无法自行再生,这使得由这些细胞受损导致的视力丧失难以逆转。
通过研究在眼睛再生过程中哪些基因会被激活,以及这些基因是如何协调眼睛重建过程的,科学家们希望这些发现最终能够帮助研究人员识别与人体组织修复相关的机制。目前,这项研究尚未带来任何治疗方法;因此,这些发现不应被理解为人类眼睛再生技术已经接近成熟的标志。这项研究提供了一种方法,用于探究参与眼睛重建的基因及生物过程。
研究人员的发现使得 P. canaliculata(一种海洋生物)成为研究眼睛再生及其相关遗传机制的理想模型;而 CRISPR 技术则为测试单个基因在眼睛发育中的作用提供了有效工具。