基因組測序揭示多細胞生物進化之謎

　　最近，研究人員通過對各種綠藻進行基因組測序，已經接近于解開了“引起多細胞生物的遺傳變化”的謎團。

　　從單細胞生物到多細胞生物的過渡，是地球上生命進化的關鍵進步；在不同的系統發育譜系中，這種改變已經獨立地發生了多次。了解“有多少基因以及有哪些基因，對單細胞祖先成為多細胞來說是必要的”，是一個有趣的問題，但是僅僅通過檢測目前多細胞生物的基因組序列很難進行回答，因為從單細胞祖先到多細胞生物的過渡發生以來，每個基因組中都已經發生了許多變化。此前已有研究對這個問題進行了探討，例如：美國俄勒岡大學團隊稱多細胞生命源于基因偶然變異；從單細胞到多細胞進化速度比此前認為得更快。

　　為了簡化這些基因組分析，美國亞利桑那大學Erik Hanschen和薩斯州州立大學Bradley Olson為首的研究小組，比較了團藻目三種綠藻的基因組序列，以查明多細胞生物進化背后的基因變化。他們將研究結果發表在最近的《Nature Communications》。

　　Olson在一份新聞稿中說：“這不是數百個基因同時進化的情況，而是一個基因中的一個非常微妙的變化，導致了細胞周期的重新編程。”

　　Olson的研究小組利用三個volvocine物種：萊茵衣藻、胸狀盤藻和團藻，作為多細胞生物進化的模型，因為它們體現了三個階段的形態和組織復雜性的增加。萊茵衣藻是單細胞，類似于多細胞volvocines的單細胞祖先，包括另外兩個物種。胸狀盤藻是多細胞，但未分化，從而形成了由8或16個細胞組成的集群，每個都像一個衣藻細胞。團藻是由約2000個小的分化的體細胞組成，位于球狀體的外表面，包含細胞外基質，其中嵌入了16個大生殖細胞。

　　先前的研究比較了衣藻和團藻的基因組序列——分別是最簡單和最復雜的volvocines，發現僅涉及到了相對較少的遺傳變化，但尚不清楚這些到底是什么。在這項新的研究中，該研究團隊測定了胸狀盤藻的基因組序列，這是一個中等復雜性的物種，然后與衣藻和團藻的序列相比較，以便于識別相關的基因變化。

　　基于使用基因序列比對的譜系特異性基因預測，在團藻中，有相對較少的基因與多細胞生物的進化相關聯，從而表明全新基因的進化并不是必需的。雖然在某些進化的情況下，基因調控可能是至關重要的，但是與衣藻相比，在胸狀盤藻和團藻中有更少的轉錄因子。

　　對預測的基因家族和蛋白質結構域進行分析發現，在多細胞生物的進化過程中很少有蛋白質的創新；事實上，與多細胞特異性的蛋白創新相比，似乎有更多的物種特異性蛋白質創新。這些結果表明，在volvocine藻類中，大規模基因組創新并不是多細胞生物進化所需的。

　　研究人員觀察到，至關重要的遺傳變化與多細胞生物相關，并在盤藻和團藻之間是共享的，參與細胞周期監管機制的刪選。與其他真核生物一樣，volvocine藻類的細胞周期是由視網膜母細胞瘤(Rb)通路的同系物調控的，在這條通路中，細胞周期蛋白依賴性激酶結合細胞周期素，以使Rb蛋白磷酸化，然后去阻遏細胞周期。雖然這些蛋白質在三個物種中是幾乎相同的，但是有兩個顯著的差異。首先，衣藻中的單個細胞周期蛋白D1基因，在盤藻和團藻中擴大到了四個副本，從而表明細胞周期蛋白D1基因的這種串聯陣列擴展，在到未分化集群的過渡中扮演了一個角色。第二，RB基因在盤藻和團藻中是被修改的，表明其與染色質結合連同特定的轉錄因子可能會受到影響，這可能改變多細胞生物所需的基因表達。

　　為了檢測RB基因的變化與多細胞生物獲得的相關性，該研究小組在一個缺乏RB(rb)的衣藻突變株系中表達了衣藻和盤藻RB基因。衣藻RB基因修復了rb株系的小細胞尺寸缺陷。盤藻RB基因做了同樣的事情，這也導致了rb株系形成了2到16個正常尺寸的細胞集群。這表明，盤藻RB基因可引起未分化的多細胞生物，并且后者通過調控基因的刪選和修改、而不是新基因的大規模增加，進行演化。

　　Hanschen補充說：“我們不僅僅找到多細胞生物的一個關鍵基因，而且它原來是一個腫瘤抑制基因。”Olsen說：“它比預期的更容易發展成多細胞生物。我們發現的關于RB的結果，是非常有趣的，因為這條途徑和這個基因在很多獨立的多細胞群組之間是共有的，這些多細胞組群已經分化了數億年。”