基因组测序揭示多细胞生物进化之谜

　　最近，研究人员通过对各种绿藻进行基因组测序，已经接近于解开了“引起多细胞生物的遗传变化”的谜团。

　　从单细胞生物到多细胞生物的过渡，是地球上生命进化的关键进步；在不同的系统发育谱系中，这种改变已经独立地发生了多次。了解“有多少基因以及有哪些基因，对单细胞祖先成为多细胞来说是必要的”，是一个有趣的问题，但是仅仅通过检测目前多细胞生物的基因组序列很难进行回答，因为从单细胞祖先到多细胞生物的过渡发生以来，每个基因组中都已经发生了许多变化。此前已有研究对这个问题进行了探讨，例如：美国俄勒冈大学团队称多细胞生命源于基因偶然变异；从单细胞到多细胞进化速度比此前认为得更快。

　　为了简化这些基因组分析，美国亚利桑那大学Erik Hanschen和萨斯州州立大学Bradley Olson为首的研究小组，比较了团藻目三种绿藻的基因组序列，以查明多细胞生物进化背后的基因变化。他们将研究结果发表在最近的《Nature Communications》。

　　Olson在一份新闻稿中说：“这不是数百个基因同时进化的情况，而是一个基因中的一个非常微妙的变化，导致了细胞周期的重新编程。”

　　Olson的研究小组利用三个volvocine物种：莱茵衣藻、胸状盘藻和团藻，作为多细胞生物进化的模型，因为它们体现了三个阶段的形态和组织复杂性的增加。莱茵衣藻是单细胞，类似于多细胞volvocines的单细胞祖先，包括另外两个物种。胸状盘藻是多细胞，但未分化，从而形成了由8或16个细胞组成的集群，每个都像一个衣藻细胞。团藻是由约2000个小的分化的体细胞组成，位于球状体的外表面，包含细胞外基质，其中嵌入了16个大生殖细胞。

　　先前的研究比较了衣藻和团藻的基因组序列——分别是最简单和最复杂的volvocines，发现仅涉及到了相对较少的遗传变化，但尚不清楚这些到底是什么。在这项新的研究中，该研究团队测定了胸状盘藻的基因组序列，这是一个中等复杂性的物种，然后与衣藻和团藻的序列相比较，以便于识别相关的基因变化。

　　基于使用基因序列比对的谱系特异性基因预测，在团藻中，有相对较少的基因与多细胞生物的进化相关联，从而表明全新基因的进化并不是必需的。虽然在某些进化的情况下，基因调控可能是至关重要的，但是与衣藻相比，在胸状盘藻和团藻中有更少的转录因子。

　　对预测的基因家族和蛋白质结构域进行分析发现，在多细胞生物的进化过程中很少有蛋白质的创新；事实上，与多细胞特异性的蛋白创新相比，似乎有更多的物种特异性蛋白质创新。这些结果表明，在volvocine藻类中，大规模基因组创新并不是多细胞生物进化所需的。

　　研究人员观察到，至关重要的遗传变化与多细胞生物相关，并在盘藻和团藻之间是共享的，参与细胞周期监管机制的删选。与其他真核生物一样，volvocine藻类的细胞周期是由视网膜母细胞瘤(Rb)通路的同系物调控的，在这条通路中，细胞周期蛋白依赖性激酶结合细胞周期素，以使Rb蛋白磷酸化，然后去阻遏细胞周期。虽然这些蛋白质在三个物种中是几乎相同的，但是有两个显著的差异。首先，衣藻中的单个细胞周期蛋白D1基因，在盘藻和团藻中扩大到了四个副本，从而表明细胞周期蛋白D1基因的这种串联阵列扩展，在到未分化集群的过渡中扮演了一个角色。第二，RB基因在盘藻和团藻中是被修改的，表明其与染色质结合连同特定的转录因子可能会受到影响，这可能改变多细胞生物所需的基因表达。

　　为了检测RB基因的变化与多细胞生物获得的相关性，该研究小组在一个缺乏RB(rb)的衣藻突变株系中表达了衣藻和盘藻RB基因。衣藻RB基因修复了rb株系的小细胞尺寸缺陷。盘藻RB基因做了同样的事情，这也导致了rb株系形成了2到16个正常尺寸的细胞集群。这表明，盘藻RB基因可引起未分化的多细胞生物，并且后者通过调控基因的删选和修改、而不是新基因的大规模增加，进行演化。

　　Hanschen补充说：“我们不仅仅找到多细胞生物的一个关键基因，而且它原来是一个肿瘤抑制基因。”Olsen说：“它比预期的更容易发展成多细胞生物。我们发现的关于RB的结果，是非常有趣的，因为这条途径和这个基因在很多独立的多细胞群组之间是共有的，这些多细胞组群已经分化了数亿年。”