受损组织的恢复是本世纪最大的生物医学挑战之一。生物学中的一个谜团是：为什么某些物种（例如蝾螈）可以在其一生中再生器官，包括四肢、心脏和大脑，而哺乳动物则不能？目前，科学界对这种多样化再生潜力的机制知之甚少。
蝾螈的基因平均比人类长25倍，从头转录和处理这些转录本可能不足以指导受伤后数小时内的伤口快速愈合。因此，需要更好地了解影响伤口快速愈合中基因表达的分子程序，这与治疗损伤、器官衰竭和疾病高度相关。7月26日，斯坦福大学的科研团队在《Nature》上发表了题为“Evolutionarily divergent mTOR remodels translatome for tissue regeneration”的研究文章，证明蛋白质合成的快速激活是损伤反应的一个独特特征，对于蝾螈的肢体再生至关重要。研究人员将翻译分析技术与再生和非再生物种的实验相结合，以发现指导伤口闭合和再生的转录后基因表达程序。研究人员发现mTOR是介导蝾螈组织再生和翻译控制的关键上游信号，在组织再生中具有重要功能。有尾目两栖动物中，mTOR蛋白序列的进化产生了一种“超敏感”激酶，使蝾螈能够将这条通路维持在高度不稳定的状态，为快速激活做好准备。这些发现揭示了重塑高度保守的关键信号通路对促进动物界差异性再生潜力的影响，为理解脊椎动物的再生潜力提供思路。 为了检查蛋白质合成如何因损伤而变化，研究人员使用蔗糖梯度分级分离根据核糖体占据情况来分离mRNA。在蝾螈中，0 hpa（截肢后0小时）基础翻译相对较低，在24 hpa蛋白质合成增加。此外，小鼠幼崽出生后第7天（P7）进行非再生性近端截肢，0 hpa时表现为中等翻译，但在24 hpa与0 hpa无明显区别。这些发现揭示了再生性损伤与非再生性损伤之间截肢部位蛋白质合成的显著差异。研究人员向蝾螈注射了O-炔丙基嘌呤霉素（OPP），它会融入新生蛋白质中，并可以在组织切片上检测到。在2 hpa时，观察到截肢所有组织（包括肌肉、骨骼和结缔组织）中OPP掺入量全面增加。这种增加在新形成的伤口上皮中很明显，在24hpa时仍然很显著。蝾螈肢体的再生并不依赖于专用的干细胞库，而是一个独特的再生环境。蛋白质合成的激活可能是再生的一个重要方面，组织范围内的蛋白质合成的整体增加区分了蝾螈和小鼠的再生反应。研究人员开发了一种蝾螈特异性多核糖体测序流程，以确定哪些mRNA会因肢体截肢而被翻译，并在样本中鉴定出了8,139个具有可检测读数的mRNA。为了识别响应截肢而选择性翻译的转录本，他们计算了每个mRNA翻译效率的变化，发现截肢后预先存在的mRNA转录本丰度没有显著变化，但翻译增加。研究人员观察到超过50%的翻译激活（“TE UP”）mRNAs与表皮细胞相关。相反，超过三分之一的转录激活（“mRNA UP”）转录本来自免疫细胞。相反，丰度降低的mRNA与组织特异性发育有关，并且可能是去分化的标志。截肢后丰度或翻译效率没有变化的mRNA在“信号传导”和“发育”的调节剂中高度富集。从广义上讲，这些发现强调了翻译和转录针对截肢的不同生物学过程。 为了深入了解伤口愈合所涉及的生物学过程，研究人员对一组翻译激活的预先存在的mRNA进行了GO富集分析。令研究人员惊讶的是，这些转录本在与蛋白质合成本身相关的GO术语中高度丰富。因此，mTOR信号传导的激活可能是截肢后重塑的重要因素。前20个翻译上调转录本包括细胞氧化还原状态的关键调节因子。硫氧还蛋白（TXN）在截肢后在伤口上皮中表达，在二硫键还原和活性氧（ROS）负调节中起重要作用，ROS调节剂的转化控制非常重要，因为它们在损伤部位的波动是各种物种再生所必需的。氧化还原调节蛋白的选择性翻译表明，伤口愈合和再生过程中ROS的微妙平衡是迄今为止尚未探索和严格调控的转录后调节过程的一部分。研究数据还显示，一种关键的再生调节因子前梯度蛋白2（AGR2）早在截肢后48小时就被选择性翻译，表明它也可能在早期伤口愈合中发挥作用。mTOR激活会刺激静止干细胞，mTOR通路整合了一系列环境因素以调节细胞生长和代谢。mTORC1的激活触发两组翻译调节因子S6K和4E-BP的磷酸化。S6K1的磷酸化会激活其激酶活性，进而在五个高度保守的位点（Ser235、Ser236、Ser240、Ser244和Ser247）磷酸化核糖体蛋白S6（RPS6），这些位点被用作mTORC1激活的标记物。值得注意的是，其他残基的磷酸化完全依赖于S6K1及其同源物S6K2，这表明蝾螈肢体的截肢稳健激活mTORC1通路。研究人员还观察到4EBP1磷酸化在12 hpa和24 hpa之间显著增加。这些数据表明，在伤口闭合过程中观察到的蛋白质合成的增加可能是由mTORC1直接调节的。为了验证这一假设，研究人员用INK128（MLN0128，mTOR特异性抑制剂）处理蝾螈。与对照相比，INK128处理的蝾螈在药物治疗4小时内表现出对RPS6和4EBP1磷酸化的强烈抑制，并且未能激活mTORC1通路以响应肢体截肢，12hpa时翻译显著降低。这些数据表明，截肢后观察到的蛋白质合成的增加部分取决于mTOR活性。为了确定mTORC1信号在蝾螈伤口闭合中的作用，研究人员检查了INK128治疗对截肢后伤口愈合的影响。INK128是一种极具选择性的ATP位点mTOR抑制剂，已被证明可以直接调节蛋白质合成。24 hpa时，87.5%的蝾螈在接受INK128治疗后，伤口闭合能力严重受损，而对照组则100%显示伤口完全闭合。此外，高剂量的雷帕霉素在6 hpa时也抑制了伤口闭合。使用两种不同mTOR抑制剂的研究结果表明，mTOR激活对于伤口快速闭合至关重要。并进一步观察到，受mTORC1而不是mTORC2调节的翻译激活在此过程中起主导作用。 先前的研究表明，ROS的持续积累对于组织再生至关重要。相比之下，大量的活性氧是有毒的，因此细胞必须仔细协调活性氧产生的平衡。研究人员的多核糖体测序检测到过氧化还原蛋白（一种重要的抗氧化剂）在24 hpa内发生翻译激活。研究结果表明，mTOR激活影响早期组织再生反应的关键方面，例如伤口闭合和ROS的适当积累。此外，即使是对mTOR信号传导的短暂影响也会对再生产生长期影响。而这些现象在小鼠体内未观察到，表明mTORC1激活以及伴随的蛋白质合成增加不是截肢的普遍反应，似乎是再生环境特有的。研究人员对100多种后生动物（主要是脊椎动物）进行了多序列比对分析，发现虽然蝾螈mTOR是高度保守的，但它包含两个有趣的插入，其中插入片段2仅在两栖动物中发现，预计在mTOR二聚化中起作用。为了评估这些插入的影响，研究人员在HEK293T细胞中使用CRISPR-Cas9编辑设计嵌合人-蝾螈mTOR。实验表明，溶酶体的mTOR定位对饥饿的敏感性低于野生型HEK293T。此外，发现表明蝾螈mTOR是不同的，与蝾螈的再生能力一致，同时具有非凡的抗致癌转化能力。活力测定显示蝾螈mTOR激酶是一种“超敏激酶”，两栖动物可能依靠超敏的mTOR来检测伤口微环境中的少量氨基酸。 讨论这项研究表明蛋白质合成的上调是组织再生的关键特征。研究人员揭示了数百个预先存在转录本的隐藏库，这些转录本在截肢时被迅速招募到核糖体中。这些发现为未来的研究奠定了基础，这些转录物在再生中发挥着功能作用，其中一个重要的类别与ROS激活相关。研究人员进一步证明了mTOR信号在翻译控制反应、伤口愈合和再生中的关键作用。鉴于已知的高代谢活性和再生潜力之间的权衡，这一关键代谢调节因子的变化可能会影响两栖动物的进化轨迹和适应。哺乳动物mTOR相对较低的敏感性和狭窄的动态范围表明它可能无法识别或响应与损伤相关的激活信号。这些发现也提供了一个新思路，即设计一种类似蝾螈的mTOR活性也许能促进哺乳动物的伤口愈合，甚至可能促进组织再生，而不会引发致癌转化。
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