Development | 异戊二烯化介导的小G蛋白 ROP 激活是小立碗藓多细胞化的关键

责编 | 王一

具有细胞形态的生命大约出现于35亿年前（即地球产生之后的10亿年）；这些已知的早期原始生命全部为单细胞的形态。多细胞生命的出现要晚许多，现有的化石证据表明，原始的丝状多细胞出现在大约25亿年前（即再经过10亿年）；而动物和植物等复杂的多细胞生命则出现于大约4-6亿年前 【1】。也就是说，从第一个单细胞生命产生开始，到进化出复杂的多细胞生命，需要经历数十多亿年；在这多达几十亿年的时间里，地球几乎完全被单细胞生命所统治着。然而，时至今日，我们肉眼所见的生命基本为多细胞的生命，例如动物、植物、真菌、以及褐藻和红藻等。所以说，多细胞生命的出现早已改变了今日地球的全貌，是生命演化历史过程中的一次重大的“飞跃”。

多细胞化，即许多个细胞组合在一起形成一个生命个体，进而不同的细胞行使不同的功能的过程。地球上单细胞到多细胞的进化的事件曾多次发生。与单细胞生命相比，多细胞生命具有许多优势，通常更具竞争力。包括：

1）组织特化以产生不同的组织或器官，进而行使不同的功能。例如植物的根，茎和叶，以及动物的大脑和四肢等等。

2）部分细胞或组织的死亡或凋亡通常不会导致多细胞生物个体的死亡。例如人类胚胎发育过程中手指缝隙间的细胞凋亡，是正常手指发育所必须的；而多年生植物在秋天来临时落叶的现象，在其整个生命过程中年复一年地发生。

3）让个体的身体变得高大，从而使其不易被捕食或者变成更强大的捕食者等等。

多细胞化对个体的发育非常重要，例如动植物的胚胎发育的起始于受精卵的第一次分裂以及接下来的细胞、组织和器官的特化。虽然多细胞化是生命科学研究的热点问题之一，但是我们对多细胞化的分子和细胞机制的认识还很少。通常来说，与多细胞化相关的基因突变是致死的，无法产生相关突变体，这给多细胞化机理的研究带来非常大的困难。

苔藓属于非微管植物，是研究进化和发育的重要的模式植物之一。伴随着苔藓P. patens从一维（孢子萌发为原丝体）、二维（出现分支的原丝体）到三维（从原丝体上长出茎叶体）的发育过程（图1），会出现多种不同的组织功能的特化，例如叶片和茎等。

图1. 苔藓P. patens从一维到二维，到三维的发育过程。

抑制异戊二烯化酶 GGB 或 ROP GTPases 可将苔藓植物从多细胞变为单细胞，这为研究陆地植物多细胞化提供了很好的机会。近日，在Development上发表的一项研究表明（Bao, et al., 2022），GGB 或 ROP GTPases功能异常而导致单细胞化，是由于不受控制的细胞扩张和细胞壁完整性缺陷引起的（图2）。而异戊二烯化介导的 ROP 激活促进了 P. patens 从一维到二维，到三维的发育转变（图3）。

图2. 两个ggb 突变体植株，因不正常的细胞膨胀，导致覆盖于其上的表面细胞壁被剥离。每个植株的第二排为带有轮廓线的图，白色虚线为正在被剥离的面细胞壁，桔色轮廓线为被剥离的表面细胞壁下的细胞。为图片来源于 Bao, et al., Development, 2022.

图3. 异戊二烯化介导的 ROP GTPase激活促进了P. patens 从一维到二维到三维的发育转变。A, 野生型的原丝体。B，ggb突变让苔藓从多细胞形态转变成单细胞形态。C, 野生型的茎叶体。D和E，表达可以被戊二烯化的ROP GTPase, PpROP4 ^CVIM可以部分拯救ggb突变体茎叶体 (D)和原丝体（E）的发育。F, 表达无法被戊二烯化的ROP GTPase，PpROP4^SVIL不能拯救ggb突变体原丝体和茎叶体的发育。图片A, C, D和F来源于 Bao, et al., Development, 2022.

本工作主要在路易斯威尔大学Dr. Mark Running 实验室完成，包亮博士和Dr. Mark Running博士为本文通讯作者，合作者还包括来自北海道大学的藤田知道博士（包亮博士生期间的导师）、East Carolina University的黄锦岭博士和Saint Louis University的Julie Thole博士等。包亮博士现在在弗吉尼亚联邦大学的徐平教授实验室工作。

1.https://www.science.org/content/article/momentous-transition-multicellular-life-may-not-have-been-so-hard-after-all

2. Liang Bao*, Junling Ren, Mary Nguyen, Arkadiusz Slawomir Slusarczyk, Julie M. Thole, Susana Perez Martinez, Jinling Huang, Tomomichi Fujita and Mark P. Running*. (2022) Cellular function of ROP GTPase prenylation is important for multicellularity in the moss Physcomitrium patens. Development

论文链接：

https://doi.org/10.1242/dev.200279