生命的起源与演化是科学界关注的重要谜题，也是Science杂志列出的125个重大科学问题之一。从单细胞生物演化为多细胞生物，是地球生命演化历程中的重要事件，研究现存原始多细胞生物的发育与演化对了解生命的起源具有重要意义。实验室赵呈天教授团队在国内率先开展了以原始多细胞动物丝盘虫为模式的发育与演化生物学研究。近日，课题组在研究丝盘虫细胞协调运动机制方面取得新进展，解析了丝盘虫在缺乏神经系统的情况下细胞之间的互作机制，相关成果于2024年10月4日以“Coordinated cellular behavior regulated by epinephrine neurotransmitters in the nerveless placozoa”（肾上腺素调控无神经扁盘动物细胞的协调运动）为题，在线发表于Nature Communications(《自然·通讯》)期刊。
多细胞生物的出现是生命演化过程中的重要事件，生命如何从分散、功能单一的单细胞生物演化成多种细胞类型相互协调的有机体？早期的神经细胞和神经系统是如何演化形成的？这些问题一直是演化发育生物学研究的热点。
图1. 丝盘虫系统发育与形态
丝盘虫属于扁盘动物门，是目前已知结构最简单的多细胞生物，仅有六种已知的细胞类型，无组织器官的分化，不存在神经系统，因此也经常被认为是形态上最接近多细胞生命祖先的类群（图1）。对丝盘虫运动行为的研究可以为神经系统的起源和多细胞生命的演化提供重要线索。遗憾的是，目前国际上缺乏专门从事丝盘虫发育与演化研究的科研团队。赵呈天教授领衔的研究团队长期从事以斑马鱼为模式生物的发育生物学研究，在研究人类纤毛遗传病致病机理方面做出了系列成果 (Nature Genetics, 2018; PNAS, 2021; Plos Biology, 2023; eLife，2024等)。近年来，课题组在国内率先开展了以丝盘虫为模式的演化发育生物学研究，建立了丝盘虫的实验室技术体系，为后续工作的开展打下坚实基础。
图2. 肾上腺素对丝盘虫运动的调控作用
在本项工作中，研究团队基于GPCR小分子化合物的筛选，发现丝盘虫特异性响应肾上腺素，并出现独特的旋转运动行为。这一发现表明，尽管丝盘虫没有真正的神经系统，它依然利用肾上腺素等信号分子来调节其运动行为。进一步研究表明，肾上腺素可通过下游钙离子信号，控制纤毛内的氧化还原水平，进而影响纤毛的协同运动，最终实现对细胞协调运动的控制（图2）。与脊椎动物的神经系统调控相比，丝盘虫的肾上腺素调控方式更为直接、有效。此外，研究还发现衣藻等单细胞生物对肾上腺素无明显响应，表明肾上腺素作为一个应激响应信号起始于早期的多细胞生命，并一直被包括人类在内的多种后生动物所采纳。
论文共同第一作者金敏军（右）、李婉清
本项研究解释了丝盘虫如何在缺乏神经系统的情况下，通过古老的信号通路调控细胞间协调运动的分子机制，为未来进一步研究神经系统的起源与演化打下了基础。赵呈天教授为论文的通讯作者，中国海洋大学方宗熙海洋生物进化与发育研究中心博士生金敏军和李婉清为论文共同第一作者。研究工作得到了国家自然科学基金重大项目、杰出青年基金等项目的资助。
通讯员：金敏军