多細胞動物的起源之謎

在真核生物的進化史中，“專性多細胞性”——即個體必須由多個細胞組成的生存形式——至少獨立進化了五次，其中一次發生在大約6.5至8.5億年前，正是后生動物（多細胞動物）起源的時期。

從蠕蟲、海綿到水母和鯨魚，所有后生動物體內都包含數量不等、從幾千到數十萬億個基因幾乎完全相同的細胞。根據生物體的不同，這些細胞能自行構建成多種組織與器官，例如肌肉、感覺系統或腸道。盡管并非所有動物都具備上述全部結構，但它們有一個共同的特征：都擁有負責產生精子或卵子的種系，以維持物種延續。

雖然科學家已經知道，細胞之間的黏附能力在多細胞動物的形成中起到一定作用，但這種復雜的多細胞結構究竟是如何在動物身上進化的，仍存在諸多未解之謎。過去的一些研究表明，早在動物出現之前的單細胞生物中，就已經存在那些參與細胞黏附的蛋白質。

現在，在一項新發表于《現代生物》的研究中，遺傳學家Michael Glotzer發現動物在進化過程中發展出了一種更為精密的細胞分裂機制，這種機制不僅參與了多細胞組織的形成，也推動了種系的建立。這一發現為多細胞動物的出現提供了新的視角。

定位細胞分裂的位置

細胞分裂，或稱胞質分裂，是一個細胞將自身分裂成兩個子細胞的過程。與此相關的許多蛋白質都非常古老，早在最早的后生動物出現之前就已經存在。

在動物細胞中，一個被稱為有絲分裂紡錘體的結構會在分裂前將染色體分開，并決定分裂發生的位置。幾十年來，Glotzer一直專注于研究動物細胞的分裂過程，尤為關注細胞是如何“知道”該在何處分裂的。

他的團隊將研究聚焦于三種關鍵的蛋白質——Kif23、Cyk4 和 Ect2。這三種蛋白質不僅能彼此結合，還能與紡錘體結合，從而直接參與細胞分裂平面的建立。長期以來，這些蛋白質的同源蛋白僅在動物中被發現。

早在20多年前，Glotzer 團隊首次發現，Kif23和 Cyk4可組裝成一個穩定的蛋白復合體，稱為centralspindlin（中央紡錘因子）。該復合體不僅有助于定位細胞分裂的平面，還能在兩個子細胞之間形成橋梁連接。

盡管體細胞中的centralspindlin 橋梁通常會被切斷，但在大多數動物的種系中，細胞之間仍通過這一結構保持穩定連接。體細胞是構成非種系組織和器官的細胞，不會將遺傳信息傳遞給下一代。而種系細胞則具有特殊性，不僅能分化為各種細胞類型，還會在精子或卵子的發育過程中，對從雙親繼承而來的染色體進行重組，從而產生遺傳多樣性。

追蹤蛋白質的進化起源

隨著越來越多動物的基因組被解析，Glotzer開始進一步探索，組成centralspindlin復合體的兩種蛋白質（Kif23和Cyk4），以及與之結合的調節蛋白質Ect2，是否在各類動物中都廣泛存在并保持高度保守性。

在這項新的研究中，他發現所有動物類群無一例外地都擁有這三種蛋白。對這些蛋白質在實驗室的常用模式生物研究，也發現了一些與其已知功能相關的共同模式。Glotzer使用AlphaFold人工智能平臺，對這些蛋白質之間的相互作用進行了預測，發現這些相互作用在所有動物中可能都是保守的。

這表明，早在8億年前動物界剛剛誕生之時，這些蛋白質就已存在，并且在漫長的進化過程中幾乎沒有發生結構上的重大改變。

接下來，Glotzer將目光轉向單細胞生物，他想知道這些蛋白質是否也出現在單細胞生物中？

他在動物最親緣的單細胞生物——領鞭毛蟲中，發現了一些相似的蛋白質。AlphaFold預測表明，它們中有一些也可以組裝成類似centralspindlin的復合體。不過，這些結構與動物中的centralspindlin存在顯著差異，它們缺乏能夠Ect2結合到結構上的序列。盡管如此，一些擁有這種“類似復合體”的領鞭毛蟲物種，也能夠通過不完全的胞質分裂形成細胞群落。

這些發現意味著，在后生動物出現之前的單細胞生物，就已經具備了細胞分裂與分離的機制，只是形式上可能不同。而這些蛋白復合體的出現，可能使細胞能停留在“分離前”的階段。或許多細胞生命的進化，正是因為某種基因變化阻止了細胞完全分離。

揭示生命的秘密

這項研究表明，在動物進化的早期階段，細胞通過不完全的胞質分裂保持相互連接，從而促成了種系的形成，這是動物起源中的關鍵步驟。而三種蛋白質的進化則為這種機制提供了分子基礎，使多細胞結構與種系的形成成為可能，這兩者正是動物最核心的特征。

#參考來源：

https://biologicalsciences.uchicago.edu/news/origins-animal-multicellularity

https://www.cell.com/current-biology/abstract/S0960-9822(25)00668-2

#圖片來源：

封面圖&首圖：Logan Voss / Unsplash