脊椎动物器官的发育与再生既是重要的生物学现象，它的异常又与许多疾病的发生发展密切相关，因此研究器官发育与再生的过程和调控机制意义重大。通过对小鼠等模式动物的研究，科研工作者对于胚胎的早期发育、器官建成、组织再生等过程已有了一定程度的了解。尤其是近年来遗传筛选技术的运用，使得调控发育和再生的分子机制开始被逐步探明。遗憾的是，小鼠等脊椎动物体内发育、再生能力弱且难以进行大规模遗传筛选，大大阻碍了科研工作者对于器官发育与再生过程中的细胞来源、命运分化、形态建成等的调控机制的深入认识。寻找合适的模式动物来深入探究器官发育与再生的调控机制至关重要。因此，对于再生的基础研究主要以相对低等生物为模型，试图通过理解和阐明低等动物再生的机制，为高等动物及人类的再生提供理论依据。

扁形动物门中的淡水涡虫具有极强的再生能力，从其身体的任何部位切下一段均可再生出一个完整个体。涡虫再生的研究历史可以追溯到1766年，但是对涡虫再生的系统研究始于19世纪90年代遗传学家Morgan等的工作。Morgan在从事果蝇遗传学研究之前，曾做了大量关于涡虫再生方面的实验，并发表了十几篇论文介绍涡虫再生现象。他对这一领域的贡献主要体现在:①研究了涡虫再生所需的最小组织块。研究表明切割下来的组织块小到涡虫虫体的1/279时仍然能够再生出一条小涡虫。因此，涡虫又被誉为“切不死的动物”。②探讨了涡虫再生中前后轴极性的建立。为什么一个尾部片段能够再生出新的头部，而头部片段能够再生出新的尾部? Morgan提出了形态发生梯度理论来解释这一过程。③提出了变形再生( morphal-laxis)的观点。他观察到:切割下来的头部是一个相对又短又宽的三角形组织块，在随后的几周内逐渐有比例地调整形态，变得又窄又长。两周后，一条各部分比例合适的小涡虫就形成了。涡虫的另一个非常典型的特征是其依赖食物供应情况进行生长。当食物丰富的时候，涡虫生长到其最大体长;而当长时间饥饿的时候，虫体开始萎缩。持续饥饿数月以后，虫体会萎缩至成体大小的二十分之一。一旦获得食物供应后，虫体恢复生长，这是另外一种再生方式。

最初，斑马鱼用于鳍再生的研究，之后又陆续发现斑马鱼的心肌、视网膜、视神经、脊髓、肝脏及感觉毛细胞等也具有较强的再生能力。研究发现，斑马鱼修补受损心肌的方式类似于蝾螈断腿后再生机制:在肢体损伤的部位出现了大批的未成熟干细胞，形成胚芽。经过类似胚胎时期的发育过程之后，即生成新的腿出来。同样地，若斑马鱼缺少了心外膜，则能促进胚芽形成;在大致发育良好后，心外膜会再次生成协助血管新生。因此，斑马鱼可作为研究心脏再生的模型。此外，斑马鱼的多个组织和器官如尾鳍、神经细胞、血管和肝脏等都能再生，为研究器官再生的调控机制提供了巨大优势。此外，斑马鱼胚胎的透明和体外发育特点可以最大限度地发挥活体成像和细胞追踪的优势，有助于科研工作者直接观测发育与再生过程中更为细节的生物学现象并探索其中的调控机制，获得我们以前所未知的诸多信息。这是斑马鱼作为模式动物得以广泛应用的又一重要原因。近年来，众多利用荧光蛋白特异性标记靶细胞的转基因品系开始被逐步构建，进一步强化了活体成像在斑马鱼中的优势。尤其在直接观测造血干细胞发生、血管和淋巴管建成以及特定细胞的迁移等细胞行为学方面，活体成像的结果直接且清晰，对于科研工作者认知整个过程贡献巨大。因此，斑马鱼的自身特点为深入研究器官发育与再生的过程和机制提供了理想的平台。

蝾螈属于有尾目、蝾螈科的两栖动物，体长61～155mm。它们的头部扁平，皮肤光滑有小疣，有小而厚的舌头，身体上的四肢细弱，指与趾无中蹼，尾极侧扁。蝾螈的祖先早在侏罗纪中期就生活在地球上，并在那个时期演化为两栖类动物。自然界400余种蝾螈中，大多都通过皮肤和肺呼吸的，但也有百种以上的蝾螈根本没有肺。这些无肺蝾螈只有通过皮肤和口腔呼吸。这种两栖动物，当它们生活在陆地上时，必须要一直保持皮肤湿润，只有这样氧气才能通过皮肤上面的一层水进入血液。对蝾螈而言，最引人注目的能力是它们的再生能力，它们不仅能够重生肢体，还能重生体内的器官。早在1768年，科学家就描述了有尾两栖类动物蝾螈对组织损伤和断肢的再生修复能力，这种再生能力不仅存在于四肢，还表现在眼部(如晶状体和视网膜)、心肌、尾巴和脊髓。在其以后200多年间，科学家们对再生的细胞基础已有了初步了解。研究者发现，蝾螈的重生肢体的细胞具有部分的记忆功能，正是这些记忆功能可以重生出新的骨骼、肌肉与神经组织。对蝾螈体内记忆功能的研究，有助于帮助人类截肢的重生研究。目前，通过对两栖纲有尾目动物蝾螈的再生能力的研究，已获得了许多关于再生调控的启示。在损伤处，蝾螈的细胞经过细胞增殖周期的去分化产生大量多能干细胞，这些细胞可重分化和转分化为再生的组织结构。因此，去分化过程是再生的关键。通过对蝾螈再生机制的了解，并将其应用于割处再生和一些特殊的去分化过程进行的有效调控，有望应用于人类肢体再生的研究和治疗中。

蜥蜴俗称“四脚蛇”，属爬行纲( Reptilia)，有鳞目( Squamata)，蜥蜴亚目( Lacertilia)。蜥蜴亚目在全世界约有6000多种，属于20个科，其中我国有9科，约有160多种。但并不是所有蜥蜴的尾部都有自截及再生的能力。自残是某些动物在生死存亡的紧急关头，自动弃尾、断腿等借以求生的一种自卫行为，而再生则是动物在自残或损伤的部位重新生成的过程。这种现象存在于许多无脊椎和脊椎动物中，如环节动物蚯蚓被分成几段后的再生，节肢动物蟹足的自残及再生。爬行动物蜥蜴、哺乳动物山鼠尾部的自残及再生等。许多蜥蜴在遭遇敌害或受到强烈外界刺激时。尾巴往往能够自行断掉，断掉的尾巴能够自主地跳动和扭动一段时间，用以转移敌害的注意力，自身则趁机逃脱，这种现象被称之为自截。自截后，伤口逐渐愈合，经过一段时间，能够长出一条新的尾巴，我们称之为再生。正是因为蜥蜴这种独特的生理现象，使得科学家们对蜥蜴断尾及再生进行了较多的研究。蜥蜴尾部自截一般在生命受到威胁时发生。但此过程的发生还是需要一定条件。实验证明，单纯的接触蜥蜴的身体而不是强烈的尾部刺激，自截现象一般不会发生。只有蜥尾受到拉扯或挤压等突然、强烈的刺激时，才会发生自截现象。当蜥蜴被完全控制而无逃脱机会时，即使拉扯其尾巴，蜥尾一般也不会自截。此现象表明，自截是需要一定条件制约的，而该条件可能是由进化过程中不断地累积各种因素而逐渐形成的。先前的研究主要是针对蜥蜴断尾及再生进行一些基础性研究，如解剖学研究方面等。近期的研究则主要是针对蜥蜴自截断尾的能量生态学研究，如自截断尾的能量代价、运动代价等方面。

海参，属棘皮动物门，是珍贵的海洋无脊椎动物、有极高的营养价值。在大多数棘皮动物中，其再生功能已发育得相当完善，如海星Starfish( Asteroidea)和蛇尾星的1个或多个臂自切后的再生，就是众所周知的例子。又如海百合C臂的再生和海胆棘的再生，也一直被研究者所关注。海参在不良环境条件下(海水污染、水温过高、过分拥挤或受到某些刺激时)，身体会强烈收缩，泄殖腔破裂，把部分内脏，包括消化道等器官，从肛门中排出来。吐脏后的残留物，包括完全的体壁、肌肉、神经末梢和部分生殖腺等得以存留并再生出其丢失的部分。1930年，Bertolini首次探索了海参消化道的再生细胞学特征并对不同种类海参的再生进行了比较研究，鉴定了参与再生过程的组织，描述了它们的活动，并指出海参可排出大部分内脏(包括消化道和呼吸树)，然后在很短的时间内再生出上述器官。在至今有关再生的记录中，普遍认为首先可再生的是消化器官。

涡虫切割后，启动再生的刺激因素尚不十分清楚。首先，关于再生时细胞的来源问题存在着两种理论。第一种理论为胚胎原种细胞学说( Embryonic stock cell theory)，是由Curtis等在1934年提出的，此论也称末分化细胞理论( Neoblast theory)，这一学说强调当动物再生时，涡虫体内保存的那些末分化细胞，会在再生刺激下，大量的分裂并再经迁移、分化，使那些失去的部分重新构建并完成再生过程。这一学说有大量实验给予支持，并体现出末分化细胞具有的全能性。第二种理论叫去分化理论( Dedifferentiation theory)，是由Bartsch在1932年提出的，他强调未分化细胞来源于其他器官上的细胞，经去分化而形成的，这一学说也有实验予以支持。Curtis在l934年提出，有些已经分化的细胞，可能会经去分化过程，从而能转变为未分化细胞，一直最终完全再生。以上两种学说似乎很矛盾，事实并非如此。今天看来，再生的两种机制可能都存在，两者极有可能协同相助，互为补充，共同促进再生的完成。研究表明，上皮细胞在脊椎动物肢体再生中起到非常重要的作用。因此，涡虫上皮细胞可能是刺激信号的来源而受到重视。因为切割后伤口的愈合为背面和腹面的上皮细胞直接接触提供了基础，所以推测这种背腹相互作用可能在启动涡虫再生反应中起重要作用。实验证实，如果把切割的涡虫片段背面和腹面颠倒后再移植到原来的部位，再生组织就会形成。进一步研究发现，背腹相互作用诱导涡虫伤口下面的间质细胞可以提供多种信号分子。这些发现为背腹相互作用引发涡虫再生在分子水平上提供了证据。然而，并非所有的再生事件都需要背腹相互作用参与。例如，沿涡虫咽的顶端切除，细胞增殖效应发生在咽的基部而不是在切除面，并且再生反应发生在伤口愈合之前。涡虫也是研究中枢神经系统的良好模型。涡虫是头部集中化的最低等动物之一，其中枢神经系统由一对脑神经节和一对纵贯身体全长的腹神经索组成。涡虫头部被切去后，三天就能够重新形成眼点，一星期再生出新的头部。近年来，涡虫中枢神经系统再生的分子机制受到广泛关注。科学家们发现脑因子同源基因特异地在涡虫头部顶端中间线表达，如将该区域移植到侧部，则诱导侧部再生出一个完整头部。

肢体的再生是在部分硬骨鱼和有尾两栖类动物具有的特殊能力。当对斑马鱼的尾鳍进行截肢后，可重新形成尾部的简单组织，其再生干细胞可以重建原有尾鳍的形态。同样能够进行形态重建的典型系统是两栖类的肢体再生。当有尾两栖动物的前肢或后肢被截肢后，可以再生出四趾的前肢和五趾的后肢(图2-1)。而当其前肢分别在腕部、肘部、上臂等不同部位截肢时，再生的肢体分别为端骨、结合骨和端骨，以及柱骨、结合骨和端骨。尾鳍作为硬骨鱼的附属肢体，与四肢动物的肢体具有进化同源性。鱼类尾鳍的再生与两栖动物肢体再生过程也具有一定的保守性。因此，将硬骨鱼和有尾两栖动物肢体再生，特别是在完整形态重建方面的异同相比较，可以为认识肢体再生的保守机制及物种特有机制提供参考。

动物的肢体再生大都经历相同的过程，即伤口愈合、伤口表皮的形成、形成具有分裂增殖能力的再生芽基，以及细胞的分化和肢体形态发生。其中再生芽基的形成是关键性步骤，它由一些分化程度较低、具有多能性的间质细胞组成，并且保存有原来的位置信息。有尾两栖类再生芽基的形成是由残存组织去分化形成间叶状芽基细胞在伤区表皮下的聚积。全部中胚层组织都能以这种方式为芽基提供细胞。此外，中胚层间叶细胞，神经鞘细胞也可参与芽基形成。表皮细胞则既不进入芽基也不能转变为内部的中胚层细胞。去分化的、在外表上极其相似的芽基细胞在发育潜能方面可以恢复到胚胎未分化细胞的多潜能状态，从而能分化出各种组织，或是来自不同组织的去分化芽基细胞仍保持着各自的组织专一性，在再生过程中仍分化为原先的组织这仍然是一个未被阐明的问题。早期再生芽基具有胚胎器官原基的性质，在原基范围内各部分之间显示相当的调整能力，各部分的发育命运只是在再生进行中受到残肢组织的影响才逐渐决定的。但是，再生芽基作为一个整体而言，一开始就是一个按其来源能进行自主分化的发育系统，不因移植到新的环境而改变其发育方向。如将尾的早期再生芽基移植到切割后的残肢断面则发育出肢-尾混合型再生体。高等动物如蝾螈的前肢在切肢之前或与之同时摘除肱骨，能再生出切面以下的全部骨骼。将标记的肌肉植入去肱骨的蝾螈幼虫腿中也得到类似的结果。这说明非骨组织能够提供芽基细胞，再分化出软骨和骨膜。很可能在肌肉组织中存在着多潜能的细胞。这些实验结果说明再生中组织之间可以转变。另一方面，也有实验指出骨组织在再生中是相对恒定的，不能去分化为多潜能的细胞。如将三倍体的软骨移植到两倍体美西螈，发现三倍体细胞只出现在再生肢的软骨组织中。所以芽基细胞的分化潜能还是一个尚待阐明的问题。

　位置信息的记忆鱼类和有尾两栖动物的再生原基的细胞均能记忆截面处的位置信息。在蝾螈中，肢体再生符合经典的远端替代原则，即肢体细胞能够记忆自己所在处的位置信息，当截肢发生后，再生原基可以识别截面近端处的位置信息，重建远端的肢体结构。而在斑马鱼中，截肢的尾鳍能再生出原有的形状，显示尾鳍细胞也能储存位置信息。脊椎动物前肢从近端(离躯体最近的一端)到远端(离躯体最远的一端)可依次分为肩区、臂区、前臂区、腕区、掌指区。蝾螈肢体截肢后再生过程中最奇妙的现象是，再生只重新长出被截除的所有区域，而不会长出未被截除的区域。例如，从臂区截肢，则会依次再生出截口以远的肢体部分;如果从腕区截肢，则再生出掌指区。显然，肢体沿着近-远轴线存在着特殊的位置信息，这种位置信息可以被肢体自身所识别。现有的研究发现，并非所有类型的细胞都承载了位置信息，如软骨细胞含有位置信息、而神经髓鞘细胞不含位置信息。将腕部再生胚基移植到臂区截口上，再生肢体的臂部至腕部的细胞主要来自受体细胞，而掌指区细胞来自于移植的腕部再生胚基细胞，说明受体细胞和供体细胞缺少亲和性;将近端再生胚基和远端再生胚基取出放在一起离体培养，近端再生胚基组织将会去包裹远端再生胚基组织，说明二者的黏附性是不同的。硬骨鱼尾鳍再生原基的位置信息则表现出一定的可塑性。实验表明，截肢部位越靠近端，尾鳍再生的速度越快，显示再生原基沿轴线不同地组织再生过程。然而，若将尾鳍按两齿的锯齿状截肢，确保最背部端和最腹部端的截点位于轴线的同一水平，可发现两端的生长速率不同，最背部端的区域较最腹部端的区域生长快速。这显示其再生原基的生长是受周围再生原基或残肢细胞影响的。这种记忆的可塑性同样可以被鳍条的异位抑制试验佐证。当侧面的鳍条片段被移植至中间时，其可根据新的位置生长为有分支的中间鳍条形状，显示鳍条具有依赖于环境的形态发生可塑性。研究者发现，沿轴线的可塑性也同样被证明。这种可塑性并没有在有尾两栖动物的再生原基中发现，显示两者的形态再生机制并不完全相同，其位置信息的储存也有所差异。科学家们还需要继续寻找提供肢体位置信息的关键分子，进而弄清在肢体再生过程中其激活的信号调控网络，相关研究成果对于哺乳动物器官再生的研究具有重要的指导意义。

　生物体及其器官都存在形态和生理上的极性。如一条蚯蚓分前端、后端，两端各有不同的生理特性。再生的部分通常都能维持原有的极性，保持机体的统一。蝾螈的肢体也呈现明显的极性。根据肢体的空间构型可以区分出3个轴，远近轴、背腹轴和前后轴。远近轴可像水螅一样改变，但前后轴、背腹轴则相当恒定。在整个再生过程中维持不变。如果将再生芽基的背腹或前后轴转动使与残肢的背腹或前后轴呈一定的角度，则可导致将来再生出的肢体的畸形。肢体的外部组织和内部组织也有极性，如果将肢体的皮肤转动一定的角度使与其下的内部组织极性不一致也可以导致再生体畸形，如出现倍生肢、多指或掌心掌背极性反转以及缺指或再生障碍等。这表明残肢各种组织之间相互作用并最终达到协调是再生正常进行的前提。

　再生原基需要神经支配进行增殖和生长。如果在截肢前将肢体基部的神经切断，再生原基将生长不良，再生过程被阻断。然而，若在再生原基形成后再切断神经，增殖则会受到抑制，但已再生部分仍可继续增长和分化。再生原基的增殖和生长的维持需要神经营养因子的释放，这一现象在硬骨鱼和有尾两栖动物中都得到证实。例如，把成体蝾螈的腿神经或上臂神经在切肢的同时或在再生早期破坏，再生便受到抑制，或使再生芽基停止生长。在对蝾螈幼体切肢前先切断其神经，残肢去分化过程不受限制地进行结果芽基不能形成，整个残肢终被破坏、吸收。在再生不同时期切断神经的实验证明再生对神经的依赖在于早期的去分化过程。当再生芽基形成并达到一定体积后，神经对于再生体的形态发生就不再必要了。

实验证据显示，表观遗传修饰在再生相关基因的激活和抑制中发挥重要作用，但硬骨鱼和有尾两栖动物在表观遗传修饰上存在差异。在斑马鱼中，DNA甲基化状态与尾鳍再生过程有相关性，其可作为表观遗传标记区分激活的染色质(低水平甲基化)和失活的染色质(高水平甲基化)。实验显示，斑马鱼在启动肢体再生时，可将原有沉默的再生相关基因去甲基化而使之激活。然而，DNA甲基化修饰在有尾两栖动物中有异。在蝾螈的再生原基中，存在表达Shh的细胞，且Shh肢体特异性增强子的甲基化水平足够低。然而，有尾两栖动物的成年肢体中，Shh肢体特异性增强子的甲基化水平也一直维持在很低水平，这使得其启动肢体再生过程时，不需要对某些再生相关基因去甲基化。单从这一研究来看，有尾两栖动物中某些再生相关基因可能一直处于激活状态。其可能通过其他上下游基因的抑制或拮抗剂的表达维持稳态，或存在甲基化以外的表观遗传修饰方式。

关于蜥蜴断尾再生的机制目前尚不十分明了。关于断尾发生的位置，研究者对大壁虎断尾进行研究，发现大壁虎的断尾均发生在第6尾椎及其后的尾部，因为其第6尾椎之前的尾前段，其皮肤、尾椎、尾肌均没有“断面”;在第6尾椎部位，三者的“断面”构成了一个“断点”;而第6尾椎以后的尾部，虽然三者也都各自形成了若干“断面”，但椎体与皮肤环的长短并不完全一致，因而在各椎体未骨化中隔与皮肤环膜间出现了一定错位。当某个部位的椎体未骨化中隔与皮肤环膜刚好位于一起形成一个“断点”时，则断尾也会发生在此部位。蜥蜴断尾后，后一段皮肤延长生长并包裹伤口，防止出血和感染。伤口愈合的情况受温度影响，一般较高的温度会促进伤口的愈合。随后，再生芽基长出，并出现蜕皮，最后长出鳞片。在某些情况，尾部没有完全断掉，但是软骨横隔出现组织分化，就会出现再生分叉的尾巴的现象。蜥蜴断尾再生除了受温度影响外，光照、激素以及神经系统的调控同样发挥着重要作用。进一步的机制还需要更多的研究来阐明。

近年来，越来越多的研究结果显示，发育与再生的模式控制之间存在着相似的调控机制。低等动物所拥有的高超的再生能力也被认为是与低等动物寿命较短，即有研究者认为的“未完全发育”相关。同时，在高等动物如鼠和人类，胚胎期和幼年的个体同样具有更高的组织再生能力。例如，与成年期相比，胚胎期的皮肤组织创伤愈合较快且没有瘢痕形成。而高等动物如鼠和人类唯一能完整再生的组织———指尖，也仅仅存在于幼年的动物。进入成年以后，指尖的再生能力消失。如此可见，发育的未完成期甚至完成的早期，似乎保留了一部分组织再生和模式控制的能力。因此，这些研究为探索成体组织和器官的再生提出了新的研究方向，即恢复发育期的再生能力和模式控制能力。

不仅如此，其他组织和系统的发育状态也影响着组织的再生能力。例如，免疫系统发育与再生的关系在近年也得到了一定程度的阐明。一般而言，组织的再生能力随着免疫系统的发育和成熟而逐渐降低。免疫系统的存在，似乎很大程度上抑制了再生的发生和模式控制。例如，将幼年青蛙尾部剪断，其可以完成断尾再生。但是，当青蛙较为成年时，此再生能力便消失了。进一步的研究发现，此再生能力与逐渐发育和成熟的免疫系统相关。当使用免疫抑制剂处理以后，再生能力能够得到恢复。因此，发育与再生的联系是通过多方面的相互作用联系的，这些作用的阐明将能够对再生医学的进一步发展做出重要贡献。