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基因组测序揭示多细胞生物进化之谜

2016.5.26

  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。”

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