在波士顿布莱根妇女医院一间喧闹的气泡实验室里，大约 2,800 只被称为墨西哥钝口螈的蝾螈在水箱和杯子里漂浮，堆满了从地板到天花板的架子。近距离观察，墨西哥钝口螈介于可爱和外星生物之间。它们有肉粉色的身体和天真无邪、眼神呆滞的脸。与大多数蝾螈不同，后者在长大后会变成陆地生物，墨西哥钝口螈通常一生都保持着幼年的水生形态。它们的鳃长在外面，头部两侧各有一组三根羽毛状的角。它们有黑色指甲的四指手纤细而又略带人味——但考虑到这里正在进行的工作，最好不要过多地关注这一点。
视野中的一只动物失去了一条肢体，那是 11 天前被截肢的。残肢的中心可以看到一个红色的靶心。那是新手臂的芽。
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蝾螈是再生失去身体部位的冠军。一种叫做涡虫的扁形虫可以从一小块组织中长回整个身体，但它是一种非常小的简单生物。斑马鱼可以在一生中再生它们的尾巴。人类和其他哺乳动物可以在胚胎时期再生失去的肢芽。作为幼儿，我们可以再生我们的指尖；小鼠成年后仍然可以做到这一点。但蝾螈是唯一可以在任何年龄替换复杂身体部位的脊椎动物，这就是为什么寻求再生答案的研究人员如此频繁地转向它们的原因。
然而，当研究小鼠和果蝇等动物的研究人员进入基因组时代时，研究墨西哥钝口螈的研究人员却被抛在了后面。一个障碍是墨西哥钝口螈比大多数实验动物寿命更长、成熟更慢，这使得它们成为遗传学实验中笨拙的对象。更糟糕的是，墨西哥钝口螈庞大而重复的基因组顽固地抵抗着测序。
然后，一个欧洲研究团队克服了障碍，并在今年早些时候最终发表了实验室墨西哥钝口螈的完整基因序列。这一成就可能会改变一切。
“基因组是一个巨大的问题，一直困扰着每个研究墨西哥钝口螈的人，”杰西卡·怀特德说，她是哈佛医学院和布莱根妇女医院助理教授和研究员，负责管理这个实验室。现在她和其他研究人员掌握了整个墨西哥钝口螈基因组，他们希望解开再生的秘密，甚至可能了解人类如何为自己利用这种力量。但他们仍然有比答案更多的问题，其中一些问题自 250 多年前首次记录到这些动物的奇异天赋以来就一直存在。
意大利牧师和墨西哥蝾螈
这位意大利牧师的图表简洁明了，掩盖了他所见证的奇迹。拉扎罗·斯帕兰扎尼的第一张草图类似于正方形的三条边，就像一张侧面的小桌子；那是蝾螈被切断的尾巴的残肢。下一张图显示一个三角形坐在桌子上；尾巴不知何故正在再生。
这些由 18 世纪意大利神职人员拉扎罗·斯帕兰扎尼绘制的图纸是已知最早的蝾螈再生表示。第一张图显示了蝾螈尾巴的残肢。在第二张图中，一堆称为再生芽的未分化细胞已在残肢顶部形成，作为再生的先兆。第三张图中可见表示再生尾巴中脊髓发育的细节。
斯帕兰扎尼一直在蝾螈、蝌蚪、蜗牛和蚯蚓身上进行实验，发现它们可以再生失去的身体部位。他在 1766 年写给博物学家查尔斯·邦内特的一封信中分享了这一发现和他的图纸。两年后，斯帕兰扎尼在一本关于生殖和再生的简短论文集中更广泛地发表了他的观察结果。1768 年的论文集标题Prodromo（意思是“早期迹象”）暗示他将随后发表关于该主题的更长篇幅的作品——但从未实现。
然而，其他科学家确实继续进行了这些研究，研究人员选择的蝾螈变成了墨西哥钝口螈。它的学名是Ambystoma mexicanum；它的俗名与“packs a bottle”押韵。墨西哥钝口螈很适合研究，部分原因是它们在圈养条件下繁殖和存活得很好。沃伦·维埃拉，马萨诸塞大学波士顿分校凯瑟琳·麦卡斯克再生实验室的博士后告诉我，当有人进入房间时，墨西哥钝口螈有时会摇动它们扁平的鳗鱼状尾巴。照顾这些动物的研究人员普遍认为，墨西哥钝口螈好奇且对人类的存在保持警惕，人类可能会带来食物，尽管总的来说，墨西哥钝口螈不太聪明。
毕竟，它们是高度近亲繁殖的。世界上大多数实验室墨西哥钝口螈都来自 1860 年代从墨西哥来到巴黎的 34 只动物。（大多数野生墨西哥钝口螈是杂色的泥土色，而不是淡粉色，但实验室动物不是白化病——真正的白化病墨西哥钝口螈是黄色的，眼睛是金色的而不是黑色的。）自从这些动物被移除后，它们在墨西哥城周围的天然水道受到了污染，受到了引入物种的入侵，这些物种改变了生态系统，并因城市化而急剧减少。墨西哥钝口螈也是当地人的传统食物。具有讽刺意味的是，对于能够承受如此多可怕伤害的动物来说，墨西哥钝口螈无法承受这些综合袭击，现在在野外几乎灭绝了。但实验室种群却蓬勃发展。
1935 年，其中一些欧洲墨西哥钝口螈回到了北美，最终成为了印第安纳大学生物学家乔治·马拉辛斯基指导下的收藏品。当他在 2005 年退休时，肯塔基大学继承了他约 500 只动物的种群。马拉辛斯基“只是把它们全部装上车，在一个晚上开车送了下来，”兰德尔·沃斯说，他现在负责管理该大学的Ambystoma 遗传资源中心。尽管车程只有大约三个小时，但压力使一些蝾螈发生了变态。“大约 10% 或更多决定他们不想再成为水生动物，因为从印第安纳波利斯来的路途，”沃斯说。
今天，该资源中心的目标是始终保持 800 到 1,000 只成年动物。可以追溯到 1932 年的谱系记录帮助该中心维持近亲繁殖群体中剩余的遗传多样性。它向世界各地的实验室和教室运送墨西哥钝口螈胚胎、幼虫和成虫。（幼苗 60 美分，繁殖雌性 36 美元——但你不能买一只作为宠物，所以不要问。）
但是，尽管这些实验室从墨西哥钝口螈身上学到了很多东西，但它们都无法完全测序其基因组。墨西哥钝口螈基因组的主要问题是它太大了。它有 320 亿个碱基对，大约是人类基因组的 10 倍长。尽管如此，维也纳分子病理学研究所的生物学家艾莉·田中说，墨西哥钝口螈和人类似乎拥有相似数量的基因。这些基因就像高度重复序列海洋中的岛屿。
重复 DNA 的过度丰富一直是问题所在。为了读取生物体基因组的序列，科学家必须将 DNA 分解成块，然后像拼图一样重新组装这些碎片。田中说，直到几年前，“这些块太小，无法跨越这些重复序列的大小。”该技术无法从一个信息岛屿到达下一个信息岛屿。
绘制肢体再生图
然而，即使在绘制墨西哥钝口螈基因组之前，科学家们也在使用其他工具开始了解再生。
在波士顿东北大学詹姆斯·莫纳汉的实验室里，博士后约翰娜·法卡斯递给我一副看起来像太阳镜的东西。我们正面对着排列着数十个墨西哥钝口螈水箱的架子；该实验室饲养着大约 400 或 500 只动物。（“这个房间里的数量可能比现在野外的数量还多，”法卡斯说。）当人们进入房间时，蝾螈的钝鼻子被吸引到水箱的前面，它们跟着我们来回走动。法卡斯让我看一只大型成年墨西哥钝口螈，它的皮肤呈淡黄色。在我戴上太阳镜后，她用蓝色手电筒照射动物，动物发出鲜艳的绿色。
这只动物来自一个墨西哥钝口螈品系，科学家们对其进行了基因改造，使其产生通常在水母中发现的绿色荧光蛋白。眼镜过滤掉除绿光以外的所有波长，让我看到了它的荧光。其他墨西哥钝口螈已被改造为产生红色荧光蛋白。研究人员可以在红色和绿色荧光品种之间，或者在发光和不发光动物之间交换组织移植物，以跟踪细胞在再生过程中的运动。
例如，这样的实验让他们看到，构成新附肢的细胞来自哪里。截肢后，蝾螈几乎不出血，并在数小时内封闭伤口。然后细胞迁移到伤口部位并形成一个称为再生芽的团块。这些新兵中的大多数似乎都来自附近的细胞，这些细胞已将自身的生物钟拨回到未分化或“去分化”状态，更像是在胚胎中看到的状态。但尚不清楚动物是否以及在多大程度上也利用了干细胞储备，干细胞是生物体维持以帮助愈合的一类未分化细胞。无论它们的来源如何，再生芽细胞都会重新分化成新的骨骼、肌肉和其他组织。一个完美的新肢体以微缩形式形成，然后扩大到与其所有者完全合适的尺寸。
切下并移植到身体其他部位的再生芽仍然可以变成它注定要成为的肢体。但是，除非神经在早期的关键时期到达再生芽，否则不会长出新的肢体：如果肢体的神经被切断，截肢只会愈合。
研究人员发现，称为巨噬细胞的免疫细胞对蝾螈的再生也很重要；它们有助于控制会损害该过程的炎症。与此同时，称为成纤维细胞的结缔组织细胞携带位置信息，这对于再生肢体至关重要。这种位置记忆是细胞如何知道自己在身体中的位置：它是左手腕的一部分吗？右肩？手臂的顶部还是底部？
莫纳汉说，位置信息是“一种分子邮政编码”，印在动物的表观基因组中——一组附着在细胞 DNA 上的化学标签，可以指导其基因的活动。不同细胞中不同的表观遗传标签为细胞提供了有关其位置的信息。
视黄酸是一种与维生素 A 相关的分子，也参与位置信号传导：足够剂量的视黄酸可以重写细胞的邮政编码。莫纳汉实验室里一只盯着我的墨西哥钝口螈有一条正常的胳膊和一条超长的胳膊，他称这种情况为“意大利面条胳膊”。研究人员通过截肢动物的手，然后在腕部残肢上添加足够的视黄酸，使其认为它是肩部残肢来创造它。结果，从手腕再生出一条全新的手臂。
胳膊、腿和尾巴并不是实验室墨西哥钝口螈可以再生的唯一身体部位。它们还可以从脊髓的挤压伤中恢复过来。“它们可以再生一毫米乘两毫米的正方形前脑，”莫纳汉说，“这太疯狂了。”科学家们尚未仔细研究墨西哥钝口螈器官的再生能力。但莫纳汉的研究小组迄今为止研究了墨西哥钝口螈的心脏、肺和卵巢，发现这三个器官都可以在受伤后再生。
科学家们不知道墨西哥钝口螈再生其内脏器官和肢体是否使用相同的机制。他们也不知道为什么墨西哥钝口螈可以连续多次长回手臂，但不能无限期地长回——在被截肢五次后，大多数墨西哥钝口螈的肢体停止再生。另一个谜是肢体如何在达到合适尺寸时知道停止生长。
但这可能不会是谜团太久了。
基因组将如何提供帮助
“实际上不是我！”艾莉·田中笑着说。“是我的其他合作者，是其他能够组合算法来组装如此庞大基因组的人。”包括田中、计算科学家和其他人在内的一个小组在今年 2 月的自然杂志上报道，他们已经测序了实验室墨西哥钝口螈的完整基因组。改进的技术现在可以读取足够大的块中的基因组，以便其中一些块可以桥接墨西哥钝口螈基因之间漫长而令人困惑的延伸。研究人员使用强大的计算能力和新的算法来完成拼图，最终能够读取整个基因组。
原则上，完整墨西哥钝口螈基因组序列的可用性使研究人员能够更好地回答有关动物再生机制的主要问题。例如，墨西哥钝口螈是否使用独特的基因来再生其肢体？或者它是否使用其他动物（包括人类）共有的基因，但以不同的方式控制它们？这些答案还有待揭晓。田中说，自然杂志发表的目的仅仅是将序列发布给科学家。“真正挖掘基因组以了解再生，现在正在进行中，并且需要几年时间，”田中说。
但她和她的合著者确实做出了一些有趣的初步观察。“在再生肢体组织中，我们似乎看到了相对较高数量的基因，这些基因没有明确的人类对应物，”她说。田中和她的合著者写道，研究这些基因——这些基因也不存在于其他哺乳动物、鱼类或鸟类中——很可能成为“理解再生的有效途径”。
但重要的是要注意，尽管墨西哥钝口螈基因组已被完全测序，但该序列信息仍然分为许多许多片段，就像一本丢失了书脊的书的页面一样。沃斯在肯塔基大学的研究小组在 2017 年组装了自己的墨西哥钝口螈基因组序列，但该序列的片段数量大约是田中的 100 倍。沃斯说，他的团队现在正在努力将墨西哥钝口螈基因组的页面按正确顺序排列。他说，将基因映射到染色体上将使组装好的基因组更方便其他科学家使用。
在尚未发表但发布在 bioRxiv.org 上的论文中，沃斯的研究小组还确定了墨西哥钝口螈基因组中决定其性别的部分。研究人员早就知道，单个墨西哥钝口螈的性别是由其基因决定的，但他们没有找到沃斯及其合著者所说的雄性和雌性性染色体之间“微小的”差异。除了帮助科学家了解墨西哥钝口螈的遗传学外，这一发现还将有助于管理实验室种群，例如当资源中心运送一批批幼苗时。到目前为止，找出幼年墨西哥钝口螈性别的唯一方法是等待七到九个月，看看它们长出什么部位。（墨西哥钝口螈大约一岁才能繁殖；它们通常在实验室中存活 5 到 10 年，但已知可以存活 15 年。）
在墨西哥钝口螈的完整基因组发表之前，想要深入了解该动物分子生物学的研究人员主要停留在研究墨西哥钝口螈基因的蛋白质和 RNA 产品上。他们无法阅读源材料。但基因的产品并不能告诉你它是如何开启或关闭的，或者细胞在 DNA 上做了什么表观遗传标记来影响其表达。例如，莫纳汉想知道，基因包装和调控的哪些变化会将手细胞变成肩细胞——也就是说，将普通的墨西哥钝口螈变成拥有意大利面条胳膊的墨西哥钝口螈。“我们以前甚至无法解决这个问题，”他说。
如果没有序列，也很难使用基因工程来研究墨西哥钝口螈。例如，如果你去除了某个基因，并且看到蝾螈的再生方式没有变化，你可能会得出结论，该基因并不重要——但实际上它可能非常重要，以至于蝾螈拥有你尚未发现的备用基因来完成相同的任务。莫纳汉说，他的研究小组已经使用新的基因组序列作为参考，利用 CRISPR（几年前才出现的革命性基因组编辑技术）制造基因工程蝾螈。如果没有序列，“要弄清楚就太费力了，”他说。
马萨诸塞大学波士顿分校的麦卡斯克说，随着时间的推移，这种遗传信息会越来越好。她说，关于序列总是有更多要学习的东西，还有更多漏洞需要填补。基因组将从一张大的、颗粒状的图片变成一张分辨率越来越高的图片。“没有哪个基因组是完全完整的。即使是人类基因组，”她说。
至于她是否已经在她的研究中利用新的基因组序列信息，麦卡斯克说，“哦，我的天哪，是的。”
癌症与再生
当他们进入新的研究时代时，世界各地蝾螈实验室的负责人将于今年夏天在维也纳举行的首次会议上齐聚一堂。他们将讨论如何使用基因组序列和其他资源，并将制定战略，将新人引入墨西哥钝口螈研究领域。
“随着两个不同的可用组装体，以及所有其他实验室正在开发的分子工具，我认为时机已到，”莫纳汉说。“这个基因组真的只是起跑线。”
他和其他研究人员已经发现他们的研究在人类医学中的潜在应用。莫纳汉正在研究墨西哥钝口螈视网膜，以尝试改善人类衰老眼睛的预期干细胞疗法的效果。他还认为，找出墨西哥钝口螈如何快速再生肺部可以帮助我们学习治愈人类肺部，人类肺部自然具有一定的再生能力。怀特德正在研究在小鼠截肢后，在蝾螈肢体再生中重要的相同蛋白质是否也可能是良好愈合反应的指标。最终，这可能有助于医生预测哪些人类患者将从创伤性肢体损伤中恢复。
麦卡斯克研究了蝾螈再生肢体的组织环境如何控制细胞的行为。总有一天，我们或许能够调节癌细胞周围的环境，并迫使它表现正常。“再生组织实际上与癌细胞有很多相似之处，”她说。
癌症与再生之间的联系是令人兴奋的。大多数动物需要仔细控制其细胞生长，因为失控的生长等同于癌症。你可能会认为，经常从头开始长出整个肢体的动物患癌症的风险更高。“关于蝾螈的有趣之处在于，即使它们再生，它们也很少患癌症，”怀特德说。“而人类，显然，他们总是患癌症。”
1952 年，一位名叫查尔斯·布雷迪斯的科学家将煤焦油和其他已知的致癌物注射到 500 多只蝾螈（与蝾螈相关的两栖动物，也可以再生）的手臂中。只有两只动物长出了肿瘤。更常见的情况是，蝾螈通过长出额外的胳膊来做出反应。怀特德说，如果科学家能够破解致癌物如何触发这种再生生长，那将是该研究领域的“某种圣杯”。
再生的未来
在马萨诸塞大学波士顿分校，维埃拉向我展示了装满塑料饮水杯的托盘，每个杯子里都游着一只小墨西哥钝口螈。“我们实际上刚刚进行了一次繁殖活动，”他说。（为了鼓励墨西哥钝口螈繁殖，莫纳汉和法卡斯编写的墨西哥钝口螈护理指南建议以下内容：“将一只雄性和一只雌性一起放入一个用铝箔覆盖的 28 夸脱塑料容器中。包括两个可重复使用的冰袋和破碎的赤陶盆或大型扁平岩石的基质。”）
玫瑰色的小宝宝，它们的小脸被蓬松的鳃框住，非常可爱。它们也很自相残杀。维埃拉指出，有些宝宝因为互相啃咬而失去了胳膊或腿。
对于在饥饿的兄弟姐妹池塘中开始生命的蝾螈来说，再生可能不仅仅是一种很酷的技巧，而是必要的。这可能是它们进化出这种能力的原因——或者它们保留了这种能力，而其他动物失去了这种能力的原因。
怀特德说，关于再生究竟是如何进化出来的，目前还没有定论。根据化石和基因的证据，该领域的大多数人认为这是一种古老的特征，今天的动物在很大程度上已经失去了这种特征。但怀特德对再生能力的其他可能起源持开放态度。她感兴趣的一种理论是，涉及沿身体主轴再生尾巴的“轴向”再生可能是一种古老的祖先能力，而肢体的“附肢”再生可能已经单独且更近地进化出来。
如果再生是一种古老的特征，像人类这样的哺乳动物可能仍然有一些工具在他们的基因抽屉里踢来踢去。可能是我们进化的其他愈合过程，例如结疤，妨碍了再生并阻止了再生的发生。怀特德指出，人类截肢者有时会发展出一种称为神经瘤的疼痛状况——失去的肢体或手指残肢中神经纤维不受控制的生长。也许这种再生是未能完成的再生的残余。
根据她的研究，怀特德认为人类拥有的再生工具比我们所认为的要多。如果我们能够在我们的身体中创造合适的环境，我们或许能够利用这些工具。也许有一天，我们可以再生肢体。
其他研究人员也同意这可能是可能的。田中并没有排除这种可能性。“有点难以知道它到底有多复杂，”她说。但是，凭借我们已经了解到的肢体生长方式，以及墨西哥钝口螈仍然可以教给我们的东西，她可以想象一个我们为自己设计相同能力的未来。
“我认为这是一件值得努力的事情，”她说。
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