本站訊 生命的起源與演化是科學界關(guān)注的重要謎題，也是Science雜志列出的125個重大科學問題之一。從單細胞生物演化為多細胞生物，是地球生命演化歷程中的重要事件，研究現(xiàn)存原始多細胞生物的發(fā)育與演化對了解生命的起源具有重要意義。中國海洋大學方宗熙海洋生物進化與發(fā)育研究中心、海洋生物多樣性與進化研究所趙呈天教授團隊在國內(nèi)率先開展了以原始多細胞動物絲盤蟲為模式的發(fā)育與演化生物學研究。近日，課題組在研究絲盤蟲細胞協(xié)調(diào)運動機制方面取得新進展，解析了絲盤蟲在缺乏神經(jīng)系統(tǒng)的情況下細胞之間的互作機制，相關(guān)成果于2024年10月4日以“Coordinated cellular behavior regulated by epinephrine neurotransmitters in the nerveless placozoa”（腎上腺素調(diào)控無神經(jīng)扁盤動物細胞的協(xié)調(diào)運動）為題，在線發(fā)表于Nature Communications(《自然·通訊》)期刊。
多細胞生物的出現(xiàn)是生命演化過程中的重要事件，生命如何從分散、功能單一的單細胞生物演化成多種細胞類型相互協(xié)調(diào)的有機體？早期的神經(jīng)細胞和神經(jīng)系統(tǒng)是如何演化形成的？這些問題一直是演化發(fā)育生物學研究的熱點。
圖1. 絲盤蟲系統(tǒng)發(fā)育與形態(tài)
絲盤蟲屬于扁盤動物門，是目前已知結(jié)構(gòu)最簡單的多細胞生物，僅有六種已知的細胞類型，無組織器官的分化，不存在神經(jīng)系統(tǒng)，因此也經(jīng)常被認為是形態(tài)上最接近多細胞生命祖先的類群（圖1）。對絲盤蟲運動行為的研究可以為神經(jīng)系統(tǒng)的起源和多細胞生命的演化提供重要線索。遺憾的是，目前國際上缺乏專門從事絲盤蟲發(fā)育與演化研究的科研團隊。趙呈天教授領銜的研究團隊長期從事以斑馬魚為模式生物的發(fā)育生物學研究，在研究人類纖毛遺傳病致病機理方面做出了系列成果 (Nature Genetics, 2018; PNAS, 2021; Plos Biology, 2023; eLife，2024等)。近年來，課題組在國內(nèi)率先開展了以絲盤蟲為模式的演化發(fā)育生物學研究，建立了絲盤蟲的實驗室技術(shù)體系，為后續(xù)工作的開展打下堅實基礎。
圖2. 腎上腺素對絲盤蟲運動的調(diào)控作用
在本項工作中，研究團隊基于GPCR小分子化合物的篩選，發(fā)現(xiàn)絲盤蟲特異性響應腎上腺素，并出現(xiàn)獨特的旋轉(zhuǎn)運動行為。這一發(fā)現(xiàn)表明，盡管絲盤蟲沒有真正的神經(jīng)系統(tǒng)，它依然利用腎上腺素等信號分子來調(diào)節(jié)其運動行為。進一步研究表明，腎上腺素可通過下游鈣離子信號，控制纖毛內(nèi)的氧化還原水平，進而影響纖毛的協(xié)同運動，最終實現(xiàn)對細胞協(xié)調(diào)運動的控制（圖2）。與脊椎動物的神經(jīng)系統(tǒng)調(diào)控相比，絲盤蟲的腎上腺素調(diào)控方式更為直接、有效。此外，研究還發(fā)現(xiàn)衣藻等單細胞生物對腎上腺素無明顯響應，表明腎上腺素作為一個應激響應信號起始于早期的多細胞生命，并一直被包括人類在內(nèi)的多種后生動物所采納。
論文共同第一作者金敏軍（右）、李婉清
本項研究解釋了絲盤蟲如何在缺乏神經(jīng)系統(tǒng)的情況下，通過古老的信號通路調(diào)控細胞間協(xié)調(diào)運動的分子機制，為未來進一步研究神經(jīng)系統(tǒng)的起源與演化打下了基礎。趙呈天教授為論文的通訊作者，中國海洋大學方宗熙海洋生物進化與發(fā)育研究中心博士生金敏軍和李婉清為論文共同第一作者。研究工作得到了國家自然科學基金重大項目、杰出青年基金等項目的資助。
通訊員：金敏軍
編輯：趙奚赟
責任編輯：劉蒞
