细胞如何超越利己主义：多细胞生命演化的关键突破

《Protoplasma》：How cells overcome egoism

本刊特邀编辑Peter Nick撰文推荐，聚焦细胞如何通过程序性死亡（PCD）和胞间连丝（PD）通讯突破利己主义，解析MEDIATOR复合体（如MED18亚基）在磷酸盐饥饿下维持根分生组织基因组完整性的新机制，为理解多细胞演化提供关键线索。

　　

在生命演化的长河中，从单细胞生物到多细胞生物的跃迁是一个里程碑事件。然而，这一过程并非一帆风顺，它面临着一个根本性矛盾：如果每个细胞都只顾自身生存与繁殖（即“细胞利己主义”），那么由众多细胞构成的一个协调统一的有机体将无从谈起。多细胞生命的出现，必然要求细胞个体在一定程度上牺牲自身的繁殖利益，服务于整体。这种“利他行为”的核心机制之一，就是程序性细胞死亡（Programmed Cell Death, PCD）。长期以来，PCD被视为动物细胞的特征性现象，但其在植物中的存在、演化起源及其调控机制，仍是生命科学领域亟待深入探索的谜题。同时，细胞间的有效通信是协调个体行为、实现利他合作的基础。植物细胞因其坚硬的细胞壁而彼此隔离，它们如何实现精细的细胞间通信？这些问题的解答，对于理解多细胞生命的演化逻辑至关重要。近期发表在细胞生物学专业期刊《Protoplasma》上的一篇社论性文章，以“细胞如何克服利己主义”为主题，整合了该期刊同期发表的三篇重要综述和研究论文，从演化、分子调控和细胞通信等多个维度，深入探讨了细胞利他行为的机制与意义，为揭开多细胞生命起源之谜提供了新的视角。

为开展相关研究，研究人员主要运用了演化生物学比较分析、拟南芥（Arabidopsis thaliana）突变体构建与表型分析（包括MEDIATOR 18亚基功能缺失突变体）、磷酸盐饥饿等环境胁迫处理、DNA损伤诱导剂（如泽奥霉素，zeocine）处理、显微镜技术（涵盖电子显微镜、扫描电镜结合超薄连续切片三维重构、超分辨率结构光照明显微镜等）以及荧光光学技术进行胞间连丝结构与功能分析。

植物程序性细胞死亡的演化背景

Doronina和Lazareva的综述将植物PCD置于广阔的演化背景中。他们系统梳理了从细菌、原生生物（protists）到真菌、无脊椎动物、脊椎动物，乃至植物的PCD形式。一个令人惊奇的发现是，即使在激烈竞争有限资源的单细胞生物中，也存在利他性的PCD。例如，在细菌群体中，部分细胞的自我牺牲可以为少数细胞提供生存所需的资源，确保种群在恶劣环境下的延续。这提示PCD的雏形可能早在生命演化初期就已出现。作者重提了“原罪”假说（"Original Sin" hypothesis），认为PCD机制可能在生命的最后共同祖先（Last Universal Common Ancestor, LUCA）中就已经存在。在分子层面，元半胱天冬酶（metacaspases）在演化早期出现，并通过水平基因转移多次传播，但在动物中被半胱天冬酶（caspases，源自更古老的旁半胱天冬酶paracapases）所取代。作者指出，参与PCD的众多分子元件，通常在其他与自我毁灭无关的细胞过程中也扮演重要角色。对于植物，作者认为目前公认的两种PCD形式可能源于命名上的局限，其功能和机制细节尚未被充分认识。他们建议未来研究应跨物种追踪PCD关键元件的演化轨迹，关注其在细胞死亡之外的功能，并深入研究在模式植物拟南芥中被描述为“死亡组”（deathsome）的PCD调控网络。

磷酸盐饥饿与MEDIATOR 18在根分生组织细胞命运中的相互作用

Ballesteros-Barrera等人的研究论文具体探讨了环境信号如何通过调控细胞命运决定来维持多细胞组织的完整性。他们以拟南芥根尖分生组织为模型。根分生组织通过细胞分裂产生新细胞，这些细胞随后伸长分化，驱动根系生长。分生组织细胞本身需要由静止中心（quiescent centre）的干细胞通过偶尔的分裂来补充。显然，干细胞和分生组织细胞的分裂必须与外部环境条件同步。真核生物转录的核心辅助因子——MEDIATOR复合体，在此同步过程中起核心作用。该研究发现，MEDIATOR复合体的一个亚基MEDIATOR 18（MED18）的功能缺失突变体会导致分生组织逐渐退化。有趣的是，这种突变表型的严重程度受环境条件调节。在黑暗条件下（限制能量资源），突变表型反而得到缓解。研究者选择磷酸盐（Pi）饥饿作为环境信号，因为磷酸盐是核苷酸的组成成分，对细胞增殖至关重要，且常是植物生长的限制因子。磷酸盐饥饿会重塑根系构型：抑制主根伸长，促进侧根等侧生器官生长，以便根系更有效地搜寻磷源。出乎意料的是，本身会抑制分生组织增殖的磷酸盐饥饿，与本身也损害分生组织增殖的MED18突变，二者之间竟存在相互 mitigating（缓解）效应。为解释此现象，作者提出了一个模型：磷酸盐缺乏可激活一条处理DNA损伤并导致细胞周期停滞的通路；而MED18则通过响应磷酸盐饥饿，提高铁吸收，导致氧化状态升高，并抑制生长素（auxin）的积累，进而通过另一条通路汇聚于细胞周期调控。当细胞死亡作为一种质量控制工具时，磷酸盐饥饿应能缓解基因毒性应激的影响。作者通过泽奥霉素处理实验证实了这一点：磷酸盐饥饿确实有助于维持快速循环细胞的基因组完整性。

胞间连丝：细胞通信的微观探秘

利他行为的前提是细胞能够感知同伴的需求，因此PCD与细胞间通信紧密相连。植物细胞的通信方式与动物细胞有根本不同，因为它们通过胞间连丝（plasmodesmata, PD）维持着细胞质连续性，甚至达到内质网和肌动蛋白丝在相邻细胞间共享的程度。Lv等人的综述系统讨论了研究胞间连丝功能的各种方法学。文章从电子显微镜技术开始，连接了经典研究与新技术发展，如结合超薄连续切片的扫描电镜三维拓扑分析。随后介绍了荧光光学技术，包括突破分辨率极限的新方法，如结构光照明显微镜（structured illumination microscopy）。该综述的突出优点在于，不仅展示了显微镜技术在解析胞间连丝及其衍生通道（PD-derived intercellular gateways, PdIGs）结构细节方面的威力，还展示了其在探索功能方面的应用，例如确定大小排阻限、运输特异性或通道空间分布的动态变化。另一个优点是对各种方法局限性的批判性讨论。文章强调，细胞生物学工具箱需要从单纯观察结构，向可视化分子与细胞器活性方向发展。

结论与展望

综上所述，本期《Protoplasma》汇集的研究表明，细胞克服利己主义、发展出利他行为的能力，可能是多细胞性（multicellularity）演化的先决条件。这意味着，在细胞能够“组团”形成统一有机体之前，细胞间的合作通信机制就必须先行演化出来。这将细胞间通信推到了研究舞台的中央，也要求细胞生物学研究范式的转变：仅关注结构和分子组成不足以理解细胞通信，必须发展能够追踪细胞间动态相互作用的方法，特别是在从竞争向合作转变的条件下。正如社论作者Peter Nick所展望的，我们或许需要一门“细胞社会学”，才能更深刻地理解多细胞生命形式的演化。这些研究不仅深化了对植物细胞程序性死亡和通信机制的认识，更重要的是，为从演化角度理解生命如何从简单走向复杂提供了关键的理论与实验依据。