不可逆体细胞的演化

地球上的物种经历了几次主要的演化转变从而涵盖了从一个细胞的形成到最后社会团体的成立【1】：多细胞生物的形成是其中一个重要的组成部分。随着多细胞生物的产生，其个体内的细胞分化也随之形成。细胞分化是指个体产生负责不同功能细胞的过程：比如人类的生殖细胞卵子和精子负责生殖功能，而体细胞则负责个体的生存功能。多细胞生物体内每个细胞的遗传物质是完全一样的，因此在何种情况下能够出现细胞分化从而产生负责不同功能的细胞就成为了一个谜团。目前已有大量的研究关注在何种情况下个体内细胞会出现细胞分化。体细胞不可逆演化是一种特殊的细胞分化的演化形式：其关注在何种情况下体细胞会持续地产生体细胞而不产生生殖细胞。

2021年10月13日，德国马克斯-普朗克演化生物研究所Yuriy Pichugin团队（高远晓博士为第一作者）在eLife上发表了文章Evolution of irreversible somatic differentiation 。该文章构建了一个包含两种细胞类型的多细胞的生命周期的理论模型，通过比较不同细胞分化程度的种群的增长速度从而确定不可逆体细胞演化形成的条件。

研究人员构建了一个多细胞生物的生命周期，其包括了个体从出生到死亡的整个生命过程（图1）。每个多细胞生物可以拥有两种细胞类型：胚芽细胞 (germ-role) 和体细胞 (soma-role)。胚芽细胞负责个体的生殖而体细胞负责个体的生存。每个生命周期开始于一个胚芽细胞。通过一组细胞分化方案D=[ggg, ggs, gss; sgg, sgs, sss]，个体在其生长过程中可以产生胚芽细胞或者体细胞。ggg代表由胚芽细胞分化成两个胚芽细胞的概率。以此类推，我们可以得知其他参数的意义。

图1：多细胞生物的生命周期和细胞分化方案。

不可逆体细胞的细胞分化方案为D=[ggg＜1, ggs, gss; 0, 0, 1]。当个体的细胞数目达到一个成熟尺寸后就开始了生殖过程。此时，所有的体细胞死亡，而所有胚芽细胞都成为新的独立的后代个体。每个种群被赋予一组固定的分化方案和固定的个体成熟尺寸。通过对比不同细胞分化种群的增长速度来确定在何种情况下不可逆体细可以被选择，即拥有较大的种群增长速度。种群增长速度取决于个体后代数目和个体从一个胚芽细胞到成熟个体所需要的生长时间。基于对蓝藻的认识【3】，研究人员假定细胞分化从两个层面决定了种群的增长速度：一方面是体细胞加快细胞倍增速度即细胞分化益处，另一方面是细胞分化减慢细胞倍增速度即细胞分化成本（图2），而细胞倍增速度最后决定了个体生长时间。

图2：细胞分化对个体生长的影响

通过比较不同的细胞分化方案的种群的生长速度，研究人员发现不可逆体细胞的形成既需要细胞分化益处同时也需要细胞分化成本：也就是说仅在体细胞是有益于个体生长的情况下，不可逆体细胞的发育模式无法使种群达到最大的增长速度。此时，当细胞分化益处较大时，体细胞可逆分化比不可逆分化更加有利于种群增长。因为个体将先产生大量的体细胞从而获取较大的增长速度，随后又产生大量的胚芽细胞通过产生大量后代从而进一步获取更大的增长速度。而当细胞分化益处较小时，不分化的个体将获得最大的种群增长速度。因为个体产生体细胞所带来的后代数目下降的损失要比细胞分化成体细胞所带来的益处少。同样地，在仅有细胞分化成本的情况下，体细胞分化无法达到最大的种群增长速度。此时只有不分化的种群被选择，因为分化的种群同时存在较少的后代和较长的生长时间两方面的劣势。总的来说，不可逆体细胞的演化是细胞分化益处和细胞分化成本权衡的产物。

另外，不可逆体细胞的出现需要较大的个体尺寸。通过对比个体大小不同的种群，研究人员发现较大的多细胞个体内更容易观测到不可逆体细胞分化。这是因为较小的个体需要在较短时间内繁殖后代，因此所能利用的细胞分化益处和成本都少于较大的个体。而不可逆体细胞在较多的分裂次数后才能充分利用细胞分化的益处。因为其只承受从胚芽细胞到体细胞分化的成本，而其获取足够多的细胞分化的益处则需要较多次细胞分裂次数。

总结起来，该研究通过构建多细胞生物的生命周期理论模型，并对比不同细胞分化种群的种群增长速度确定了不可逆体细胞的演化条件：1）细胞分化益处和细胞分化成本；2）较大的个体。该研究对于大部分多细胞生物的体细胞演化也有一定的参考意义，并提供了一个不可逆体细胞演化的理论机制。同时，在该研究中的理论模型中，细胞分化成本可以联系癌症的发生【3】：较多的细胞分化就意味着较大的患癌几率。因此，对个体来说如何能够实现最大程度地降低细胞分化而同时又能满足个体的机体需求的平衡是至关重要的。

原文链接

https://elifesciences.org/articles/66711

制版人：十一

参考文献

1. Grosberg, Richard K., and Richard R. Strathmann. "The evolution of multicellularity: a minor major transition?." Annu. Rev. Ecol. Evol. Syst. 38 (2007): 621-654.

2. Matt, Gavriel, and James Umen. "Volvox: A simple algal model for embryogenesis, morphogenesis and cellular differentiation." Developmental biology 419.1 (2016): 99-113.

3. Aktipis, C. Athena, et al. "Cancer across the tree of life: cooperation and cheating in multicellularity." Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences 370.1673 (2015): 20140219.

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