蛇尾綱 Ophiuroidea 是現存棘皮動物中最大的一類，已記錄 2000 多個物種。海蛇尾通常由 1 個明顯的中心盤和 5 條腕組成，其特征是細長而靈活的腕通常連接到中央體盤。在諸多種海蛇尾中，Amphiura filiformis因具有完善的形態分期系統，是研究動物附器再生的一種模式生物。它可以很容易地再生失去的腕的節段，在“截肢”后的幾周內，腕會重新生長，超過90%的野生樣本顯示腕再生的跡象。海蛇尾利用這種能力來逃避捕食者，類似于蜥蜴故意脫落尾巴的遠端部分以迷惑追捕者。那么，它們是如何做到再生的呢？

圖1. 海蛇尾（Ophionereis reticulata） /Larry Zetwoch，Florida Keys National Marine Sanctuary

研究人員比較了多個近緣物種的基因組，結果發現 A. filiformis 的一些基因家族顯著擴張（圖2a）。對這些基因家族進行富集分析，結果顯示，“再生相關（regeneration-related）”基因的反復復制可能是許多棘皮動物顯著再生能力的基礎（圖2b）。在 A. filiformis 中，這些擴張的基因家族成員（圖2c）在臂再生過程中表達。除此之外，在 7 個再生相關擴張家族中，4個家族（纖溶酶原、羧肽酶B、凝血因子和纖維蛋白）直接調節脊椎動物的凝血和/或結塊。ficolin 基因也參與了 A. filiformis腕早期再生過程。這些海蛇尾體內的基因復制可能促進了傷口愈合過程向更快速、有效的方向進化，這是再生的先決條件。參與硫酸角質素代謝（keratan sulfate metabolism）的基因家族在海蛇尾中表現出擴展和收縮的信號，其中一些成員在再生過程中也有表達，其磺化糖胺聚糖產物是 A. filiformis 臂再生所必需的。因此研究人員認為，海蛇尾高效再生的進化可能伴隨著糖胺聚糖硫酸鹽代謝的特化。

圖2. 比較基因組學揭示海蛇尾 A. filiformis 基因組中再生相關基因家族的擴張或收縮信號。紅色代表擴張，藍色代表收縮 / Parey等，2024

研究人員根據海蛇尾臂再生的形態學標志，選擇了“截肢”后具有代表性的 7 個再生階段和 1 個非再生對照組進行了基因轉錄表達比較，并根據軟聚類將基因分為 9 個主要的時間簇（A1~A9）（圖3a）。對共表達簇內基因的進一步功能富集分析揭示了腕再生的 3 個階段：傷口愈合、增殖、組織分化（圖3b）。這些結果證實了先前的海蛇尾再生基因表達模式，并進一步列出了新的關鍵候選基因。早期再生以參與傷口反應的基因表達為標志，包括免疫/傷口愈合（A1、A2）和細胞遷移/組織保護（A3、A4），它們分別富含免疫和激酶基因（圖3b、c）。傷口愈合后是細胞增殖（A5~A7、A9），這表明干性基因和參與細胞增殖、細胞分裂和增強翻譯活性的基因過度表達。這些基因可能在從傷口反應到增殖的轉變中起作用（圖3c、d）。這表明啟動細胞增殖的信號級聯在海蛇尾再生過程早期（48 hpa）就被誘導了（A9）；它們在傷口反應期被激活，在細胞增殖期達峰（Stage 5，圖3a）。再生后期的特征是參與分化、圖案和附肢形態發生基因的表達（A8），這些基因很多與轉錄因子重合。

圖3. 海蛇尾臂再生過程中的基因表達與富集

總之，這項研究提供了海蛇尾臂再生過程中發揮作用的分子途徑的全基因組圖譜，并強調了 3 類基因次序表達波次，即先后調動了涉及傷口反應、細胞增殖和組織分化的基因，這構成了再生的基礎。

資料來源

Parey E, Ortega-Martinez O, Delroisse J, et al. 2024. The brittle star genome illuminates the genetic basis of animal appendage regeneration[J]. Nat Ecol Evol, 8: 1505-1521.