解决多细胞的难题

生命中一个重大的进化问题是单细胞生物如何以及为什么组织起来生活在一个群体中,从而形成多细胞生命形式。

博士生,约翰内斯堡威特沃特斯兰德大学复杂性实验室进化的Jonathan Featherston通过解码最简单的多细胞生物之一的基因组序列来回答至少部分问题 - 四细胞藻类Tetrabaena socialis。他的研究成果发表在分子生物学和进化论上。

Tetrabaena是被称为volvocine血统的绿藻系列的成员。血统是了解多细胞如何进化的典型谱系。通过研究这种简单藻类的基因组,控制细胞分裂方式的许多遗传机制与多细胞的起源有关。

通过使用各种基因组测序方法精心拼接藻类的全基因组序列,使用各种基因组测序方法,Featherston已将泛素蛋白酶体途径(UPP)鉴定为在多细胞进化中起关键作用的过程。该途径涉及通过靶向蛋白质进行破坏来调节细胞中的许多活性,从而维持细胞中蛋白质的仔细平衡。

“UPP与许多人类癌症有关,甚至作为治疗癌症的潜在靶点。从这项研究看,这种途径的改变似乎对这些藻类的多细胞进化有重要意义,”Featherston说。

UPP是一种复杂的途径,可控制驱动细胞分裂的关键蛋白的细胞浓度,并在许多细胞功能中发挥作用。Featherston的研究表明,UPP可能通过降解控制细胞分裂的关键分子来调节每种volvocine经历的分裂数量。

“volvocines中最早的进化适应之一是一个经过修饰的细胞周期。多细胞体外培养物进化出一种遗传程序,用于控制繁殖过程中的分裂数量,其中每个物种具有遗传编程的最大分裂数。有些只会在繁殖期间分裂两次而其他人可能会分裂12次,“他说。“通常人们会关注细胞产生多少关键调节分子,但这里的兴趣在于破坏这些分子的途径。它是细胞过程如何受到调节的另一面。”

Featherston将多细胞藻类的基因组序列与其最近的单细胞藻类相比较,以确定与多细胞进化相关的遗传差异。总体而言,单细胞和多细胞藻类非常相似,他确定了一小部分基因家族(131),这些基因家族是在多细胞的起源上获得的。

“我们从这一系列家族中汲取了一些趋势。许多人都有发育功能,这表明它们可能对多细胞的进化很重要,”他说。

Featherston的研究表明,多细胞的进化与谱系特异性遗传发展有关。

“多细胞性已经独立发展了至少25次,但很可能在某些一般生物学机制 - 如细胞粘附或修饰的细胞周期 - 可能被共享的情况下,驱动这些发展的实际基因将主要是每个谱系所独有的, “ 他说。“几乎所有在其他生物体中发现的家族都可以在多种单细胞生物体中发现,这表明产生多细胞的基因来源于已存在于单细胞祖先中的基因,但可能已被复制形成现在有新功能的新基因。“