十亿年的进化故事——生物学家追溯细胞分裂的根源

EMBL研究人员的新发现揭示了动物和真菌如何发展出不同的细胞分裂过程来适应它们不同的生命周期。

　　

细胞分裂是所有生命形式的关键过程，从细菌到蓝鲸，它使物种得以生长、繁殖和延续。尽管具有普遍的性质，细胞分裂的方法在不同的生物体中却有很大的不同。EMBL海德堡大学的Dey小组和他们的合作者最近在《Nature》杂志上发表了一项研究，调查了与真菌和动物密切相关的生物体中细胞分裂方法的进化。这项研究首次证明了生物体的生命周期与其细胞分裂技术之间的联系。

尽管动物和真菌在10亿年前拥有共同的祖先，但它们在许多方面都很相似。两者都属于一个更广泛的群体，称为“真核生物”，这种生物的细胞将遗传物质储存在一个被称为“细胞核”的封闭隔间中。然而，两者在如何进行许多生理过程方面有所不同，包括最常见的细胞分裂类型-有丝分裂。

大多数动物细胞经历“开放”有丝分裂，当细胞分裂开始时，核膜——将细胞核与细胞其他部分分开的两层膜——会破裂。然而，大多数真菌使用一种不同形式的细胞分裂-称为“闭合”有丝分裂-在分裂过程中核膜保持完整。然而，对于这两种不同的细胞分裂模式为何或如何进化，以及哪些因素决定了哪种模式在特定物种中主要遵循，人们知之甚少。

研究合作与方法

这个问题引起了海德堡EMBL Dey小组的科学家们的注意，他们研究了细胞核和细胞分裂的进化起源。“通过研究生物体的多样性和重建事物的进化方式，我们可以开始问是否存在普遍的规则，这些规则是这些基本生物过程如何运作的基础，”海德堡EMBL小组组长Gautam Dey说。

2020年，在COVID-19封锁期间，Dey的团队与洛桑瑞士联邦理工学院(EPFL)的Omaya Dudin团队之间的讨论产生了一个意想不到的答案。Dudin是一种不同寻常的海洋原生生物——鱼孢子虫的专家。鱼孢子虫与真菌和动物都有密切的关系，在进化家谱上，不同的物种更接近于其中一个群体。

Dey和Dudin小组与海德堡EMBL的Yannick Schwab小组合作，决定以鱼孢子虫为模型，探索开放和封闭有丝分裂的起源。有趣的是，研究人员发现某些种类的鱼孢子虫进行闭合有丝分裂，而其他种类的鱼孢子虫进行开放有丝分裂。因此，通过比较和对比它们的生物学特性，他们可以深入了解生物体如何适应和使用这两种细胞分裂模式。

Hiral Shah是EIPOD的研究员，负责这三个小组的研究。Shah说:“我很早就认识到，鱼孢子目有许多细胞核，在动物和真菌之间具有关键的进化地位，非常适合解决这个问题。很明显，这需要汇集Dey、Dudin和Schwab团队的细胞生物学和技术专长，而这正是EIPOD奖学金让我做的。”

在仔细研究了两种鱼孢子虫的细胞分裂机制后，研究人员发现，其中一种鱼孢子虫(S. arctic)倾向于闭合有丝分裂，类似于真菌。北极S. arctic也有一个多核阶段的生命周期，其中许多核存在于同一个细胞中，这是许多真菌物种以及某些动物(如果蝇)的胚胎阶段所共有的另一个特征。另一个物种，C. perkinsii，被证明更像动物，依靠开放有丝分裂。它的生命周期主要包括单核阶段，每个细胞都有一个细胞核。

理解真核细胞分裂的意义

“我们的发现导致了一个关键的推论，即动物细胞进行有丝分裂的方式比动物早进化了数亿年。因此，这项工作直接影响了我们对真核细胞分裂机制在不同生命周期背景下如何进化和多样化的总体理解，并提供了动物起源之谜的关键部分，”Dey说。

这项研究结合了比较系统发育学、电子显微镜和超微结构扩展显微镜的专业知识。超微结构扩展显微镜是一种将生物样品嵌入透明凝胶并对其进行物理扩展的技术。此外，来自荷兰格罗宁根大学的Eelco Tromer和Iva Tolic分别提供了比较基因组学和有丝分裂纺体几何和生物物理学方面的专业知识。

Shah说:“当我们第一次看到一个扩展的北极S. arctic时，我们就知道这项技术将改变我们研究非模式生物细胞生物学的方式。”Shah在Dudin实验室工作了一段时间后，把扩展显微镜技术带回了EMBL海德堡。Dey对此表示赞同:“这项研究的一个关键突破是我们将超结构扩展显微镜(U-ExM)应用于鱼孢子虫细胞骨架的分析。没有U-ExM，免疫荧光和大多数染料标记方案在这一研究不足的海洋全息动物群体中不起作用。”

这项研究还表明，在试图回答广泛的生物学问题时，超越传统模式生物研究的重要性，以及对鱼孢子虫系统的进一步研究可能揭示的潜在见解。“鱼纲动物的发育表现出显著的多样性，”Dudin说。“一方面，一些物种表现出与早期昆虫胚胎相似的发育模式，具有多核阶段和同步的细胞化。另一方面，C. perkinsii经历了卵裂分裂，对称破坏，形成具有不同细胞类型的多细胞菌落，类似于早期动物胚胎的规范观点。这种多样性不仅有助于理解动物的路径，而且为动物以外的比较胚胎学提供了一个迷人的机会，这本身就是非常令人兴奋的。”

该项目固有的跨学科性不仅为这种类型的合作研究提供了良好的试验台，而且为EMBL提供的独特博士后培训提供了良好的试验台。Schwab说:“Hiral的项目很好地说明了EIPOD项目的优点:这是一个真正的跨学科项目，将创新的生物学与先进的方法结合起来，所有这些都有助于真正引人注目的个人发展。我们(作为导师)见证了一位强大的科学家的诞生，这真的很有意义!”

Dey, Dudin和Schwab小组目前也在PlanExM项目上进行合作，该项目是TREC探险的一部分-这是一个由embp领导的探索和取样欧洲沿海生物多样性的倡议。PlanExM旨在应用扩展显微镜直接研究环境样品中海洋原生生物的超微结构多样性。Dey说:“我们意识到，U-ExM将改变原生生物学和海洋微生物学的游戏规则，因此该项目得以开展。”通过这个项目，以及目前正在进行的其他项目，研究小组希望进一步阐明地球上生命的多样性和基本生物过程的进化。

参考文献:“Life-cycle-coupled evolution of mitosis in close relatives of animals” by Hiral Shah, Marine Olivetta, Chandni Bhickta, Paolo Ronchi, Monika Trupinić, Eelco C. Tromer, Iva M. Tolić, Yannick Schwab, Omaya Dudin and Gautam Dey, 22 May 2024, Nature.