一种能够再生眼睛的蜗牛可能蕴藏着恢复人类视力的基因线索。
人眼是结构复杂的器官，一旦受损便无法再生。令人惊讶的是，人类的眼睛与淡水苹果螺的眼睛有着关键的结构特征相似，而苹果螺却能完全再生视力。加州大学戴维斯分校分子与细胞生物学助理教授爱丽丝·阿科尔西（Alice Accorsi）正在研究苹果螺如何重建眼睛，她的长期目标是将这些经验应用于眼部损伤患者的治疗。
在《自然通讯》杂志上发表的研究中，Accorsi 和她的同事报告说，苹果蜗牛的眼睛和人类的眼睛在解剖结构和遗传学方面都有着惊人的相似之处。
“苹果螺是一种非凡的生物，”阿科尔西说。“它们为研究复杂感觉器官的再生提供了一个独特的机会。在此之前，我们一直缺少一个研究眼睛完全再生的系统。”
她的实验室还开发了编辑苹果螺基因组的新工具，为详细研究驱动眼睛再生的基因和分子通路打开了大门。
为什么金苹果螺是强大的研究模型
金苹果螺（Pomacea canaliculata）原产于南美洲，但已广泛扩散，并在许多地区成为入侵物种。据阿科尔西称，使其能够在新的环境中繁衍生息的特性，也使其非常适合实验室研究。
“苹果蜗牛生命力顽强，繁殖周期很短，而且产卵量很大，”她说。
它们易于繁殖，也易于在可控环境下饲养。重要的是，它们拥有“相机式”眼睛，与人类的眼睛结构大致相同。
几个世纪以来，科学家们早已认识到蜗牛的再生能力。1766年，一位研究人员记录到，被斩首的花园蜗牛可以重新长出整个头部。尽管蜗牛的再生能力有着悠久的历史，但阿科尔西是第一个将这种能力应用于现代再生研究的人。
“当我开始阅读相关资料时，我就在想，为什么之前没有人用蜗牛来研究再生呢？”阿科尔西说。“我认为这是因为我们之前一直没有找到理想的研究对象。很多其他种类的蜗牛在实验室里繁殖起来很困难或者速度很慢，而且很多蜗牛还会经历变态发育，这无疑增加了研究的难度。”
蜗牛和人类的相机式眼睛
动物王国中，眼睛的种类繁多。相机型眼睛因其能够生成清晰、高分辨率的图像而脱颖而出。这类眼睛包括保护性的角膜、聚焦光线的晶状体以及布满数百万感光细胞的视网膜。所有脊椎动物都拥有相机型眼睛，一些蜘蛛、鱿鱼、章鱼和某些蜗牛也拥有这种眼睛。
通过解剖、先进的显微镜技术和基因组研究，Accorsi 的团队证明，苹果蜗牛的眼睛在结构和基因活性方面都与人类的眼睛非常相似。
“我们做了大量工作来证明，许多参与人类眼睛发育的基因也存在于蜗牛体内，”阿科尔西说。“再生后，新眼睛的形态和基因表达与原来的眼睛几乎完全相同。”
蜗牛如何再生整个眼睛
当苹果螺失去一只眼睛后，再生过程会分阶段进行，大约需要一个月的时间。第一步是伤口快速愈合，以防止感染和体液流失，通常在24小时内完成。接下来，未分化的细胞会迁移到受伤区域并开始增殖。在接下来的一个半星期里，这些细胞会分化并形成眼睛的重要组成部分，例如晶状体和视网膜。到截肢后第15天，所有主要结构，包括视神经，都已形成。即使如此，眼睛仍会继续成熟和生长数周。
“我们目前还没有确凿的证据证明它们能够看到图像，但从解剖学角度来看，它们具备形成图像所需的所有组成部分，”阿科尔西说。“开发一种行为学检测方法来证明蜗牛能够像使用原有眼睛一样，用新长出的眼睛处理刺激，这将非常有趣。这是我们正在研究的方向。”
研究人员还追踪了整个再生过程中的基因活性。截肢后，与正常成年蜗牛的眼睛相比，约有9000个基因的表达发生了改变。28天后，再生眼中仍有1175个基因以不同水平表达。这表明，尽管眼睛在一个月后看起来已经完全形成，但其在分子水平上的最终成熟可能需要更长时间。
CRISPR技术揭示眼睛发育背后的基因
为了确定哪些基因控制再生，Accorsi 开发了适用于苹果螺的 CRISPR-Cas9 技术。
“我们的想法是，对特定基因进行突变，然后观察它对动物的影响，这可以帮助我们了解基因组不同部分的功能，”阿科尔西说。
作为一项初步实验，研究团队利用 CRISPR/Cas9 技术改变了蜗牛胚胎中的 pax6 基因。Pax6 在人类、小鼠和果蝇的大脑和眼睛发育过程中起着至关重要的作用。与人类一样，蜗牛也从父母双方各继承一个基因拷贝。科学家发现，携带两个功能性 pax6 基因拷贝的蜗牛发育过程中没有眼睛，这证实了 pax6 对于苹果蜗牛早期眼睛的形成至关重要。
下一阶段的研究将检验pax6是否也是成年蜗牛眼睛再生所必需的。为了回答这个问题，研究人员必须关闭或突变成年蜗牛体内的pax6基因，然后评估它们的眼睛再生能力。
阿科尔西还在研究其他与眼睛相关的基因，包括负责形成特定结构（如晶状体或视网膜）的基因，以及调节 pax6 的基因。
“如果我们找到一组对眼睛再生至关重要的基因，而且这些基因也存在于脊椎动物中，那么理论上我们可以激活它们，使人类的眼睛再生，”阿科尔西说。
