淡水渦蟲隸屬于扁形動物門（Platyhelminthes） ,渦蟲綱（Turbellaria） ,是動物界最早出現兩側對稱、三胚層、營自由爬行生活的動物類群，在動物系統演化中占有重要地位。同時渦蟲具有極強的再生能力，即使是小到蟲體 1\ue4d4279 的渦蟲組織也能夠再生出一個完整的個體[1].當渦蟲自耳突后切去頭部后，1 周內便能再生出完整的頭部，包括功能正常的眼點[2].淡水渦蟲由于其眼點結構簡單，加上其獨特的進化地位和極強的再生能力等特點，已成為研究視覺系統的形成、發育及再生的模式動物。
1. 淡水渦蟲的眼點結構
以淡水渦蟲的重要代表---日本三角渦蟲（Dugesia japonica） 為例，其視覺系統非常明顯，一對眼點位于頭部背側兩側，僅由兩類細胞構成： 感光細胞和色素細胞，色素細胞形成半月形的視杯，感光細胞位于視杯外側，其樹突向前延伸到視杯內[3],軸突（視神經纖維） 沿著身體背側中部向后延伸，一部分在腹側形成視覺中樞，一部分投射到身體對側形成視交叉以整合雙側光感覺纖維傳入的信息[4].
另外，一些肌纖維伸入到視杯內，根據光線的強弱共同調節視杯開口處直徑的大小，從而控制光的攝入量[5]（圖 1A,1B） .渦蟲的眼點由于不含有晶狀體等復雜的光折射系統，因此，其功能只能感受到光強而不能成像。盡管如此，它們也和其他高等動物的眼一樣，能吸收光能并轉化成化學能再進一步轉化成電能進而調節其生理活動。渦蟲的眼點所具有的這些特征使得它接近于達爾文所提出的“原始眼”[6].它正在成為研究后生動物眼形態發生和進化的模式動物。
2. 渦蟲眼點的形態發生過程
在正常成體渦蟲體內，其眼點細胞的更新是靠體內多能干細胞（neoblasts） 的分化[8].利用免疫熒光染色技術對于渦蟲視覺系統的形態發生過程研究發現，其再生過程可分為 4 個階段： （1） 自耳突切割后的第 2 天在背部兩側有成團的視覺細胞形成；（2） 第 3 天兩側視神經細胞的軸突橫向生長，穿過中線相互連接形成視交叉； （3） 第 5 天另一部分視神經細胞向后縱向生長延伸至腦神經中樞的視覺中心； （4） 第 7 天新形成的視神經細胞聚集形成軸突，形成完整的視覺系統[9]（圖 2A,2B） .
3. 渦蟲眼點形態發生過程相關基因近幾年，借助先進的分子生物學技術，有關渦蟲眼點形態發生過程中基因的表達調控研究已取得了較大的進展。目前，在淡水渦蟲中已克隆出了大量與視覺系統形態發生相關的調控因子并對其功能進行了研究（表 1） ,從而為研究渦蟲視覺系統的形成和發育奠定了堅實的基礎。
3. 1 與眼點前體細胞分化相關的基因： 目前發現，在渦蟲眼點發育早期表達的基因有 Djsix-1、Djeya、Smednos、Smed-pbx、Smed-ovo 和 Smed-soxB 主要與眼點前體細胞的分化密切相關。Djsix-1 和 Djeya 分別屬于 Sine oculis / Six 基因家族和 Eya 基因家族，兩者均為比較古老的保守基因。Djsix-1 和 Djeya 在眼點形成的早期共表達并且兩者在渦蟲眼點形態發生過程中協同作用，共同調控眼點的再生過程[10].通過 RNA 干擾技術（RNAinterference,RNAi） 分別沉默兩種基因，導致再生過程中均出現無眼類型。如果把 Djeya 和 Djsix-1 同時沉默，將發育成大量的無眼類型。而且，通過體外結合實驗，也發現 Djeya 的保守區域 ED 和 Djsix-1保守區域 SD 高度結合，據此推測，Djeya 和 Djsix-1編碼的調控蛋白通過形成緊密結合的二聚體來促進眼點的形成和發育[10].通過實時定量 PCR 技術（quantitative real-time PCR,Real-time PCR） 發現，兩種基因在渦蟲眼點發育早期高表達并且在再生的整個過程中表達量都比較高，因此認為兩者不僅參與了眼點前體細胞的分化，而且在視覺系統功能恢復及維持其正常功能中發揮重要作用[11].目前，Djsix-1 和 Djeya 已成為渦蟲眼點形態發生早期標志性基因。最新研究顯示，在果蠅眼的發育過程中，Eya 不僅在感光細胞中表達，還調控色素細胞的發育[12],但在渦蟲眼點發育中尚未發現其對色素細胞的調控作用。
Smednos 基因屬于 Nanos 基因家族，它調控具有鋅指結構的 NANOS 蛋白，這種蛋白是高度保守的，其功能主要是促進生殖細胞的分化，同時，nanos基因也參與神經細胞的分化[13].Smednos 基因在渦蟲眼點的再生過程和胚胎發育過程中在正在分化的眼點細胞中表達，但是眼點細胞分化完成后不再表達，因此推測 Smednos 基因可能在眼點前體細胞的分化過程中發揮作用[14].
Smed-pbx 基因是在地中海渦蟲 （Schmidteamediterranea） 中鑒定出的一種編碼包含 PBC 同源域（包含 PBX） 蛋白的基因，RNAi 沉默該基因則渦蟲不能再生出眼點，并且發現眼點前體細胞明顯減少。因此認為 Smed-pbx 基因在渦蟲眼點再生過程中對眼點前體細胞的形成是必需的[15].
Lapan 等[16]通過對渦蟲眼點轉錄組的研究發現，一種保守的轉錄因子 Ovo 在渦蟲眼點形態發生過程中發揮著與 Six-1 和 Eya 基因同等重要的作用。
原位雜交實驗表明，在地中海渦蟲（S. mediterranea）的眼點再生過程中，Smed-ovo 基因在感光細胞和色素細胞中均表達。頭部切割后，Smed-ovo 的表達模式與眼點前體細胞的表達模式相似，而且，幾乎所有表達 Ovo 基因的細胞同時表達眼點前體細胞的標記基因 Six-1/2 和 Eya.因此推測，Ovo 基因在眼點前體細胞中表達，調控前體細胞的分化。RNAi 沉默Smed-ovo 導致再生過程中不能形成眼原基及眼點前體細胞。因此認為，Smed-ovo 基因與 Six-1 和 Eya基因一樣，在眼點再生過程中發揮著至關重要的作用。同時還發現 Smed-soxB 在感光細胞和眼點前體細胞中均有表達。在干擾 Smed-soxB 的渦蟲中發現前部感光細胞明顯減少，這表明 Smed-soxB 基因可能具有促進感光細胞分化的功能。
3. 2 與視神經纖維的生長相關基因： 在眼點的發育過程中發現，與視神經纖維生長相關的基因主要有Otx、Djpax6、Djnetrin、Smed-netR、Djslit 和 Smed-roboA,它們主要在眼點形態發生的中期表達。
Otx 基因家族是一個非常龐大的基因家族，其同源基因廣泛存在于脊椎動物及無脊椎動物的視覺系統中[17 ~20].在淡水渦蟲中，Djotx 是第一個發現的與視覺系統相關的基因。雖然 Gtotx 首次發現在淡水渦蟲（Girardia tigrina） 頭部再生的胚基中強烈表達，但對其在視覺系統中的功能并未詳細闡述[21].隨后，在日本三角渦蟲（D. japonica） 中發現了 Otx 基因的兩個同源基因 DjotxA 和 DjotxB,其中，DjotxB 與 Gtotx 同源性比較高。通過原位雜交發現兩者主要在視神經細胞及視神經纖維部位表達，因此推斷兩者與視神經纖維的生長及光傳導作用相關[22].
Pax6 基因屬于 Pax 基因家族，在許多脊椎動物和無脊椎動物中 Pax6 基因的表達和視覺系統的發育密切相關，其突變體會導致眼的發育出現嚴重缺陷或無眼類型[23 ~25].因此，Pax6 被視為動物視覺系統發育中的關鍵調控基因[26 ~28].然而，在淡水渦蟲中，Pax6 基因主要在成體的中樞神經系統（centralnervous system,CNS） 中表達，在再生的眼點中表達水平很低，只能在超微水平檢測到其表達。并且，利用 RNAi 技術同時沉默 Pax6A 和 Pax6B 基因，再生的眼點未出現異常[5].利用 Real-time PCR 技術對渦蟲眼點再生過程中 Pax6 基因的表達情況進行檢測。結果顯示，Djpax6 基因的表達水平在渦蟲頭部再生的第 5 天達到峰值[11],而這個時期是視神經纖維向腦部延伸和眼點功能恢復期[29].因此認為，Djpax6 基因可能與視神經纖維的生長有關，而在眼點發育的早期作用不大[11].
Djnetrin 屬于 Netrin 基因家族，在高等動物中，主要是在體內血管形成過程中具有抗血管生成的作用[30,31].在日本三角渦蟲中，Djnetrin 在腦背側中部視交叉部位表達，因此認為它對視神經纖維向腦部延伸過程中具有誘導作用[32].在地中海渦蟲（S.mediterranea） 中發現兩個 Netrin 基因的同源基因Smed-netrin1 和 Smed-netrin2,它們在成體和再生個體的 CNS 中均有表達，并且在視中心部位也有表達。通過 RNAi 同時沉默 Smed-netrin1 和 Smed-netrin2,結果伸向視中心的視神經纖維變短。因此認為 Smed-netrin1 和 Smed-netrin2 在視神經纖維生長過程中起協同作用[29].另外，Real-time PCR 結果顯示，Djnetrin 的表達量在渦蟲頭部再生過程中逐漸升高，且在切割后的第 4 天有一個明顯調高[11],而切割后的第 4 天，也正是視神經纖維生長的時期[33].因此認為，在渦蟲眼點再生過程中 Djnetrin的作用主要是促進視神經纖維生長。
Smed-netR （netrin receptor） 屬于 Netrin 受體基因家族。在地中海渦蟲中，RNAi 沉默 Smed-netR 基因，不僅視神經纖維與腦部視中心的結合出現異常，而且，渦蟲的避光反應也發生了改變。因此認為，Smed-netR 基因是視神經纖維向腦部視覺中心正確結合過程所必需的，此外 Smed-netR 基因可能還參與了避光反應的調節[29].
在日本三角渦蟲中發現，Djslit 和 DjroboA 基因與視神經交叉的正確形成有關，原位雜交結果顯示Djslit 在再生芽基的中心部位表達。 RNAi 沉默Djslit 基因，視神經交叉的形成出現異常； RNAi 沉默DjroboA 后，渦蟲視神經交叉的形成也出現異常[9].
同時在地中海渦蟲中，RNAi 沉默 Smed-roboA 基因同樣會導致視神經纖維生長出現異?，F象。因此認為這兩個基因在渦蟲眼點發育過程中具有指導視神經纖維正確生長的功能[34].
3. 3 與視覺系統功能恢復相關的基因： 在眼點形態發生后期表達的基因主要有 Eye53、1020HH 和Opsin 基因。Eye53 和 1020HH 基因在日本三角渦蟲再生的第 5 天表達，RNAi 沉默 Eye53 和 1020HH 基因后，雖然沒有觀察到渦蟲的大腦和視覺神經產生缺陷，但是渦蟲卻沒有恢復避光反應的功能，因此認為Eye53 和 1020HH 基因可能參與了視覺系統功能的恢復 和 維 持[33].Inoue 等[33]還指出，Eye53 和1020HH 基因編碼分泌蛋白，這些分泌蛋白可能參與了視神經纖維的正確連接。
Opsin 基因所編碼的視蛋白是動物視覺系統中最普遍的感光分子，與生色基團共價結合形成視色素，其功能是將光能轉化成電能進而介導視覺形成。對水母 （Tripedalia cystophora） 的最新研究表明，Opsin 在其視覺系統中表達，可能與光感受及圖像的形成有關[35].在淡水渦蟲中，Opsin 主要在感光細胞胞體中表達[10,36],RNAi 沉默 Gtops 發現渦蟲個體失去了避光反應的功能[36 ~38].同時 Real-timePCR 結果顯示，在渦蟲頭部切割后 Djopsin 呈逐漸上調表達趨勢，再生第 5 天明顯升高，第 14 天達到最高值[11].這種表達趨勢和再生個體避光行為的恢復過程相對應，因此，進一步證實 Djopsin 基因在日本三角渦蟲的眼點形態發生中的作用是恢復和維持個體的視功能。
3. 4 與眼點視杯的形成相關的基因： 有 Sp6-9、Dlx、Smed-foxQ2、Smed-klf 和 Smed-meis 基因。淡水渦蟲的視杯主要是由色素細胞構成，其功能是感受光的方向并參與感光膜的生化反應[39].研究發現，Sp6-9和 Dlx 在再生渦蟲的眼點色素細胞中表達，尤其是在視杯前體細胞分化早期表達。RNAi 沉默這兩種基因后導致再生過程中不能生成早期的視杯前體細胞，進而不能形成視杯。因此認為，Sp6-9 和Dlx 基因在渦蟲再生過程中調控視杯的形成[40].同時，在對渦蟲眼點轉錄組研究時發現，Smed-foxQ2、Smed-klf 和 Smed-meis 基因分別在感光細胞和眼點前體細胞中表達，RNAi 沉默這 3 種基因發現視杯的形狀均表現出異常，因此推測，這 3 種基因可能與正常視杯的形成相關[16].
4. 結語及展望
毋庸置疑，渦蟲由于其在動物系統演化中的特殊地位、驚人的再生能力和結構簡單的“原始眼”,已成為研究后生動物眼的形態發生和進化的模式生物之一。淡水渦蟲眼點形態發生過程是一個多基因參與的基因網絡協同作用的過程，在這個基因網絡中，同一基因在眼點發生過程的不同階段可能執行著不同的功能，不同基因的作用可能是獨立或協同的，從而精確調控著渦蟲眼點的形態發生過程（圖3） .近年來，隨著新的分子研究技術的不斷進步，與渦蟲眼點發育相關的新基因不斷被發現并對其功能的研究逐步深入。盡管如此，關于渦蟲眼點的形態發生過程中仍有許多問題亟待解決，如相關基因的調控機制、基因間的關系以及控制渦蟲的視覺系統形成的信號通路等，需要更多的學者做進一步深入研究，以期為高等脊椎動物視覺系統形成的機制提供參考。
