Nature | 从单细胞生物到多细胞生物的进化机制

来源：BioArt

数十亿年前，单细胞生命的世界发生了飞跃性的变化，多细胞生物的诞生让生物逐渐进化成更高级更为复杂的个体。多细胞动物的诞生是地球生物演化历史上的里程碑，关于多细胞动物的起源，人们知其然而不知其所以然。一个被广泛接受但是却未被证实的假说是：它们是从顶端纤毛周围环绕着微绒毛环，结构类似于现代海绵细胞和鞭毛虫的单细胞祖先进化而来的【1】。

每一个单细胞组分都有细胞突变的潜力，目前认为，多细胞生物是以两种方式由单细胞进化而来的。裸细胞，通过进化出一种胶状物将单个细胞粘在一起。有壁细胞，通过改变细胞壁的生物发生作用，从而抑制最终的细胞分裂，因分裂通常会产生单独的一个单细胞，这样子细胞便会保持连接，从而进化出了多细胞的壁状丝状体，形成三维组织。组织对各个部位的细胞进行时间和空间上的调控，使个体不断发育进化。

或许是为了保证个体细胞在遗传生命周期内的转分化以形成多类型细胞，生物体共同祖先存在着类似的上皮细胞和间充质细胞类型【2】。研究表明，单细胞动物使用类似于多细胞动物的基因调控机制，通过构成其生命周期的不同细胞状态以保证细胞周期的正常运转。我们知道，对于一个成熟的多细胞生物体来说，维持一个正常的生命周期需要机体具备调节基因在时间和空间上表达的能力，协调一系列的信号通路，调控元件。而以往观点则认为早期的多细胞生物直接由单细胞进化而来因此它们的细胞功能单一，分化能力是有限的。对单细胞动物的研究发现或许预示着早期的后生动物(Metazoa，多细胞动物)的特性要比以往人们认知的更为复杂。

2019年6月13日，来自澳大利亚昆士兰大学生物科学学院的Bernard M. Degnan和Sandie M. Degnan教授课题组在Nature杂志上在线发表了题为Pluripotency and the origin of animal multicellularity 的研究长文，通过对古老的多细胞动物海绵进行研究，提出了多细胞生物起源新说，即单细胞祖先在进化中发展出了单一细胞转换为多类型多状态细胞机制，使得细胞具有类似于现代细胞转分化和干细胞分化多能性的功能，从而使单一细胞转换为多类型多状态细胞，进化成多细胞生物。

海绵是最原始的多细胞动物，早在6亿年前就已经生活在海洋中，海绵动物与原生动物（Protozoa，单细胞动物）在发育上有着亲缘关系，因海绵领细胞在形态上非常相似于原生动物门的领鞭毛虫，有观点认为海绵是由领鞭毛虫进化而来。

为了检测海绵领细胞和领鞭虫细胞之间的相似点和不同，研究人员首先比较了海绵A. queenslandica的细胞类型特异性转录组和领鞭毛虫Salpingoeca rosetta，变形虫Capsaspora owczarzaki以及鱼孢霉目Creolimax fragrantissima细胞的转录组。通过系统发育树分析了后生动物和原生动物的细胞和基因调控特性，发现环境诱导的基因调控可以导致细胞状态的变化，这似乎是原生动物的特点，而对于多细胞动物来说，内源性时空基因调控则是必须的。（图一）

图1. 后生动物和原生动物的细胞和调控特性

基于此，研究人员提出假设，认为海绵细胞与现代多细胞动物（metazoans，choanozoans or holozoans）的共同祖先具有同源性。研究人员选择了三种类型的海绵细胞：（1）领细胞，是一种内部上皮细胞，通过海绵吸水来获取食物；（2）上皮细胞，称为扁平细胞，排列在海绵的内部和外部；（3）间充质多能干细胞，称为原细胞，它位于胶原层的中间，具有一系列其他功能，能把领细胞摄取的食物送到身体各个部位，又能演变为多种细胞，在再生中起着重要作用。人工收集这三类细胞，利用CEL-Seq2对它们的转录组进行测序分析并结合Aqu2.1注释基因组绘制图谱。这种方法能够对三种细胞类型进行可视化验证，最小化细胞分裂后发生转录变化的时间，并能够对细胞类型的转录组进行深度测序。

主成分分析和稀疏偏最小二乘判别分析（sPLS-DA）结果揭示了昆士兰属海绵三种不同类型的体细胞转录组是独特的，其中以领细胞最为明显。在44,719个蛋白编码基因中，有11,013个基因在至少一种细胞类型中表达，在使用DESeq2进行的三种细胞类型的两两比对中存在显著差异。研究人员发现原细胞中参与细胞增殖、转录和翻译调控的基因显著上调，这也与它们作为多能干细胞发挥的功能相一致。相比之下，领细胞和扁平细胞的转录组则富含一系列与细胞黏附，信号转导和细胞极性分布相关的基因，这与它们作为上皮细胞的功能是一致的。

基于与其他具有一定系统发育距离的生物体基因序列相似性，利用系统地层学方法（phylostratigraphy），研究人员确定了A. queenslandica基因组中所有蛋白质编码基因的进化年龄，特别是在每个细胞类型特异性转录组中显著而特有地上调的那些基因的进化年龄。结果表明A. queenslandica的基因组由28%的前后生动物，26%的后生动物和46%的海绵特异性蛋白编码基因组成。在领细胞中显著上调的43%的基因是海绵特异性蛋白编码基因，这与整个基因组中海绵特异性基因的比例相似。相比之下，在多潜能原细胞中，62%的基因显著上调，而这些基因来源属于进化上最古老的前后生动物，其显著上调比例明显高于整个基因组的28%的基因。

与原细胞一样，扁平细胞表达的前后生动物同源性基因明显增多，而海绵特异性基因则更少。将领鞭毛虫S. rosetta，变形虫C. owczarzaki以及鱼孢霉目C.  fragrantissima的细胞阶段特异性转录组与A. queenslandica细胞类型转录组相比较，发现原细胞的转录组与领鞭毛虫的群居性和鱼孢霉目的多核期细胞转录组具有显著的相似性。相比之下，领细胞和扁平细胞转录组与其他已经阐明的单细胞生物转录组无明显相似性，并且与原细胞相比，它们转录组中含有的单细胞生物同源组分占比更低。通过比较单细胞生物和A. queenslandica共有的转录因子表达谱，研究人员没有发现存在保守的，共表达的基因调控网络有关的证据。

然而，研究人员发现原癌基因Myc及其异二聚体伴侣Max在A. queenslandica的原细胞中上调。Myc在细胞增殖阶段调控与核糖体生物发生和翻译相关的基因表达。因海绵原细胞具有丰富的参与转录、翻译和复制的基因表达，因此Myc在调节增殖和分化中的作用早于其在两侧对称生物的干细胞和肿瘤中的作用，这可能是海绵作为第一种后生动物的主要特征。

研究人员继续对A. queenslandica的领细胞和原细胞在发育上的作用展开了研究。在寻常海绵纲（为海绵动物门最大纲，95%的海绵动物均属于本纲。具硅质骨针或海绵丝，或两者联合）中，原细胞会在胚胎发育过程中形成，以填充内细胞团，是在早期不完全变态发育中存在的最普遍的一类细胞。随着发育的进行，海绵动物的原细胞分化成其他类型的细胞，其中包括领细胞和扁平细胞，分化后的这些细胞组成了幼体的躯干。为了了解领细胞的稳定性及其转分化能力，研究人员用CM-DiI(通过与膜结构的脂质分子结合而标记细胞，有着强而稳定的红色荧光)对3日龄juvenile A. queenslandica的领细胞进行选择性标记，并追踪24h内细胞的命运发展。标记2h，许多领细胞去分化为原细胞，4h后，这些CM-DiI标记的原细胞中有一些分化成为扁平细胞。12h后，出现多种标记细胞类型。这表明原细胞在A. queenslandica躯体的发育和维持过程中起着至关重要的作用。(图2)

图2. A. queenslanica 领细胞的转分化

总的来说，本研究通过对海绵和其他单细胞生物细胞的转录组，发育和行为的分析，发现多细胞动物并不是像以往假设认为的那样，从一个含有未分化状态的细胞球的单细胞祖先进化而来的。后生动物特有的基因组信息的创新，包括关键信号通路和转录因子家族的起源和扩展，以及DNA和RNA的调控子等等，可能赋予了古老的多能细胞进化出一种调控系统的能力，使得其能够在多种分化状态下共存，从而产生了第一个多细胞生物。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41586-019-1290-4

参考文献

1. Cavalier-Smith, T. Origin of animalmulticellularity: precursors, causes, consequences-the choanoflagellate/spongetransition, neurogenesis and the Cambrian explosion. Phil. Trans. R. Soc. Lond.B 372, 20150476 (2017).

2. Nielsen, C. Six major steps inanimal evolution: are we derived sponge larvae? Evol. Dev. 10, 241–257 (2008).