生命的起源與演化是科學界關注的重要謎題，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調運動機制方面取得新進展，解析了絲盤蟲在缺乏神經系統的情況下細胞之間的互作機制，相關成果于2024年10月4日以“Coordinated cellular behavior regulated by epinephrine neurotransmitters in the nerveless placozoa”（腎上腺素調控無神經扁盤動物細胞的協調運動）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調的有機體？早期的神經細胞和神經系統是如何演化形成的？這些問題一直是演化發(fā)育生物學研究的熱點。
圖1.絲盤蟲系統發(fā)育與形態(tài)
絲盤蟲屬于扁盤動物門，是目前已知結構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，不存在神經系統，因此也經常被認為是形態(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系統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)現絲盤蟲特異性響應腎上腺素，并出現獨特的旋轉運動行為。這一發(fā)現表明，盡管絲盤蟲沒有真正的神經系統，它依然利用腎上腺素等信號分子來調節(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，控制纖毛內的氧化還原水平，進而影響纖毛的協同運動，最終實現對細胞協調運動的控制（圖2）。與脊椎動物的神經系統調控相比，絲盤蟲的腎上腺素調控方式更為直接、有效。此外，研究還發(fā)現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系統的情況下，通過古老的信號通路調控細胞間協調運動的分子機制，為未來進一步研究神經系統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
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