Nature | MuLTEE——多细胞进化之路

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我们日常生活中肉眼可见的生物体绝大多数为多细胞生物，然而，多细胞生物是如何进化而来的始终是一个未解之谜。随着技术的发展，许多研究者尝试在“test tube”中模拟由单细胞向多细胞进化的过程。

2023年5月10日，来自Georgia Tech的William C.Ratcliff、Peter J. Yunker和G. Ozan Bozdag (本文一作) 共同通讯，在Nature上在线发表了一篇题为De novo evolution of macroscopic multicellularity的科研论文，对一项始于2018年的长期进化项目MuLTEE (multicellularity long-term evolution experiment) 的实验数据进行了阐述。

在领域内，研究者们倾向于认为多细胞聚集体的大小与其发育的复杂性存在密切的关系，只有当其尺寸到达一定的维度时，生物才能够产生新的物理特性，并进化出更加复杂的机制去承受外界环境的扰动¹。在本研究中，通过对酵母团块的大小进行不断的筛选，其平均半径由初始的16 μm增加到了434 μm (图1)，物理特性也发生了巨大的变化，从最初如明胶一样质脆，变得最终像木头一样坚硬。

本研究所使用的雪花酵母为通过删除S. cerevisiae Y55菌株ACE2的开放阅读框所得，ACE2在酵母中控制许多与子细胞分离相关的基因的转录，通过这一操作，研究者得到了具备雪花样形态的新生多细胞酵母聚集体。通过进一步施加了3种不同的氧处理：无氧生长、混合营养生长 (有氧，以葡萄糖为碳源) 和有氧生长 (有氧，以甘油为碳源)，发现只有在无氧条件下，雪花酵母聚集体的尺寸才能在600轮 (~3000代) 的筛选中出现显著的提高 (图1)。这一现象一定程度上反驳了领域内长期持有的氧气浓度与生物体大小呈正相关的论述²。

图1. 无氧处理导致雪花酵母聚集体尺寸显著增加

在整个进化过程中，雪花酵母的形态变得更为纤长。在进化初期，聚集体的尺寸与细胞纵横比存在一定的线性关系，然而当宏观聚集体形成之后，这种线性关系就不复存在了 (图2)。此外，与微观的祖先类似，宏观雪花酵母也通过形成分支树状结构和不完全的母子细胞分离进行生长繁殖，当受到挤压时，宏观聚集体也会像微观雪花酵母一样破裂为小块。

图2. 雪花酵母细胞形态发生明显变化

过去的研究发现，纤长的形态可以使细胞在增加生长尺寸的同时，减少群体内部细胞的堆积，从而减少细胞彼此碰撞所可能带来的细胞破裂。在三维模拟中，研究者发现，随着细胞的纵横比的增加，群体内部的细胞紧密程度显著降低。在长期进化过程中，初始阶段 (细胞纵横比为1.2至2.0时) 细胞的拉伸确实减少了群体内的细胞紧密程度，然而，当细胞纵横比进一步增加时，群体内细胞的紧密程度反而明显增加 (图3)。这种偏差表明细胞进化出了一种机制，可以增加多细胞群体的韧性，从而能够忍受进化到宏观大小时所会产生的紧密堆叠状态。

图3. 雪花酵母细胞的纵横比与细胞堆叠之间的关系

此外，虽然聚集是酵母群落形成最常见的机制，但通过GFP或RFP标记单一细胞后进行混合培养，研究者却发现所有的多细胞簇为单色荧光组成 (图4)，提示聚集并不是宏观聚集体形成的机制。

图4. 雪花酵母聚集体为单克隆来源

通过使用了串联断层扫描电子显微镜(serial block face scanning electron microscopy, SBF-SEM) 来对宏观酵母聚集体进行成像，研究者发现聚集体内部的各个分支之间存在着相互接触，甚至相互包裹在一起 (图5)，使得单个细胞的变化产生“牵一发而动全身”的效果。此外，宏观雪花酵母聚集体是由许多互相分离的分支组成的，这表明，即使细胞间的连接被打破，聚集体仍然保持不变。基于以上观察结果，本文研究者提出了宏观聚集体内部这种分支交缠与物理胶体和交缠颗粒材料的相似之处，这种交缠机制的形成使得细胞在彼此之间联系断裂的时候仍能维持高度紧密的堆叠状态。在使用宏观机械测试仪 (Zwick Roell Universal Testing Machine) 和原子力显微镜分别对宏观雪花酵母和微观祖先进行机械应力响应的测量后，发现宏观雪花酵母之间的纠缠使得其分支可以保持在一起并承受生长所必需的应力。

图5. 宏观雪花酵母三维重构图

为进一步探究多细胞进化背后基因水平的改变，研究者对PA1-PA5进行了基因组测序，与细胞长度相关的GO通路显著富集 (图6)：细胞周期相关的基因发生29处突变，菌丝生长相关的基因发生了7处突变，细胞出芽相关的11个不同基因发生突变，其中8个基因与酵母颈部大小增加相关。

图6. 细胞形态变化背后的基因改变

通过删除特定的基因 CLN3、CLB2 和 GIN4， 细胞的长度可以被人为地增加，同时细胞间连接强度和芽痕大小增加，细胞聚集体的大小。通过进一步调整基因表达，研究者最终获得了一个纵横比为3.7的酵母细胞，该细胞能够形成明显的宏观聚集体。作者的研究证实了细胞形态对于多细胞聚集体形成的重要性，并证明了通过改变基因表达可以控制酵母的外形和及其宏观特征。

综上，本文的研究初步在实验室环境中通过微观的初始多细胞聚集体筛选进化出了宏观、肉眼可见的团块，并发现在整个进化的过程中，细胞形态的变化和缠结对其适应筛选方式有着至关重要的作用。作为一项持续数十年的进化项目，未来会发生什么仍需我们拭目以待。

原文链接

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06052-1

参考文献

参考文献

1. Boudaoud, A. An introduction to the mechanics of morphogenesis for plant biologists. Trends Plant Sci. 15, 353–360 (2010).

2. Knoll, A. H. The multiple origins of complex multicellularity. Ann. Rev. Earth Planet. Sci. 39, 217–239 (2011).

供稿 | 王彤彤

审稿 | 丛野

责编 | 囡囡

排版 | 可洲

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