器官进化：多细胞功能的出现

《Annual Review of Cell and Developmental Biology》：Organ Evolution: Emergence of Multicellular Function

进化中的多细胞性、器官形成机制及基因表达程序研究。通过提出细胞到器官的过渡框架，揭示器官演化通过功能小区创建、细胞类型亚功能化和不可逆依赖锁定实现。强调基因表达程序（GEP）作为基本单元，结合单细胞测序技术解析细胞互作及进化路径

　　多细胞性在生命树中出现的实例，展现了复杂器官的演化过程。这些器官由不同的细胞类型组成，它们通过合作产生新的生物功能。理解器官是如何形成的，是一个重要的进化问题，但目前仍缺乏深入的机制和概念层面的解释。本文提出了一种从细胞到器官的转变框架，即通过功能生态位的创建、细胞类型功能的分化以及细胞间依赖关系的不可逆增强，这些过程促使细胞类型之间形成合作分工。要理解这一转变，关键在于揭示这些过程在进化种群中如何分子层面地展开。近年来，单细胞转录组学研究和终端命运指定分析表明，细胞功能是由模块化的基因表达程序赋予的。这些功能变异的离散组件可以被部署或组合到细胞中，以引入新的性质到多细胞生态位，或者被分割到不同细胞中以建立分工。通过在种群中追踪基因表达程序的演化，可以揭示向器官复杂性转变的路径。

在生命树的单细胞主干上，仅有少数类群经历了从单细胞到复杂多细胞性的转变。这些类群包括动物、陆地植物、褐藻、一些真菌类群以及两个红藻类群。它们的共同特征是组成个体的细胞之间存在相互依赖关系，这一特性使细胞集合具有个体性。在这些类群中，多细胞状态变得不可逆，标志着一种多层级选择的转变，即重大的进化跃迁（MET）。然而，这些类群之所以显得重要，不仅仅是因为这一特征，还因为它们普遍具备分工这一第二特征。分工指的是任务在分化细胞类型之间的分配。在这些类群的干细胞群体中，高级生物功能被分配给专门化的细胞，这些细胞被组织成器官级别的结构。正是通过这一现象——器官的演化——功能和形态的多样性得以展现，丰富了生物圈的宏观复杂性。

器官通常是独立的多细胞结构，尽管它们常常被主观界定，但它们是由多种细胞类型共同构成的，这些细胞协同工作，产生了单个细胞类型所不具备的涌现特性。在多细胞类群中，器官的演化呈现出早期分支类群中的深刻创新，这一阶段奠定了门或纲的形态学诊断特征。在每个类群内部，新的器官也在不断出现，即使是在区分属和种的最低进化分歧中。那么，这些代表古老形态学的器官是如何演化的？新的器官又是如何出现的？这些问题不仅涉及到新细胞类型的演化，也涉及不同细胞类型之间的合作，从而创造新的多细胞功能。本文旨在整合器官演化的知识，并提出一个将种群中的分子变异与新细胞功能、细胞间合作以及多细胞类群中器官级别的复杂性演化联系起来的框架。

器官的演化不仅涉及结构上的变化，还涉及到功能上的演化。这种演化通常通过分子层面的变化实现，例如基因表达程序的分化和重组。在某些情况下，新的细胞类型可以通过功能生态位的创建而演化，即由已有的细胞类型创建的生态位为新的细胞类型提供了进化机会。这种现象在昆虫的化学防御腺体中得到了充分的体现，如rove beetles的tergal gland。这一结构最初由单一细胞类型组成，后来通过功能生态位的创建，演变为具有不同功能的细胞类型，如溶剂细胞和BQ细胞。溶剂细胞能够产生脂肪酸衍生物，这些衍生物能够溶解BQ，使其具有毒性和防御功能。这一过程展示了功能生态位如何促进新细胞类型的出现，并推动器官的进一步复杂化。

基因表达程序（GEP）是细胞类型和器官功能的基本构建单元。GEP由一组在特定细胞中协同表达的转录本组成，受终端选择因子调控。在进化过程中，GEP可能通过分化或重组而发生变化，从而赋予细胞新的功能。单细胞RNA测序（scRNAseq）技术的发展为研究GEP的演化提供了新的视角。scRNAseq能够揭示种群中细胞类型的多样性及其基因表达情况，从而构建出丰富的细胞图谱。通过分析这些图谱，科学家能够追踪GEP的起源、分化以及它们如何在细胞内或跨细胞间组合，以形成新的功能。

在某些情况下，GEP的演化可能受到中性选择的影响，即所谓的构造中性演化（CNE）。这种机制认为，生物复杂性的增加可以通过非适应性的相互依赖关系的固定来实现。例如，在某些情况下，GEP的过剩能力可以掩盖其他功能的丧失，从而使得细胞类型之间的合作得以维持。CNE解释了为什么某些进化步骤可能不是由直接的适应性选择驱动，而是由随机的遗传漂变所促成。这一框架帮助科学家理解了器官复杂性的演化过程，包括GEP的分化、重组以及它们如何在种群中传播。

理解GEP的演化不仅有助于揭示器官复杂性的起源，也为研究多细胞结构的演化提供了新的视角。在多细胞生物中，GEP的分化和重组是推动器官功能多样性和复杂性的关键机制。这些过程不仅限于细胞层面，还可能在器官层面产生深远的影响。例如，在某些器官中，GEP的分化可能通过特定的基因调控机制实现，而这些机制可能受到环境压力或种群动态的影响。通过研究这些机制，科学家可以更好地理解器官如何从简单的结构演变为复杂的形态和功能。

在多细胞生物的演化过程中，GEP的分化和重组可能是推动器官复杂性形成的重要因素。这一过程不仅限于细胞类型之间的分工，还可能涉及细胞类型之间的相互依赖关系。例如，在某些器官中，不同细胞类型的功能可能相互促进，从而形成不可逆的协作关系。这种关系一旦建立，便可能成为器官演化的基础，因为细胞类型之间的依赖性使得它们难以回到祖先状态。这种不可逆性在多细胞生物的演化中尤为重要，因为它们的形态和功能一旦形成，便难以逆转。

因此，理解器官的演化需要从分子层面和种群层面同时入手。一方面，需要揭示基因表达程序如何形成、分化和重组；另一方面，需要理解这些程序如何在种群中传播，并受到选择、突变和漂变等进化力量的影响。通过这些研究，科学家可以更深入地理解多细胞结构的演化机制，以及它们如何在进化过程中形成复杂的形态和功能。这种理解不仅有助于揭示生物多样性的起源，也为生物演化研究提供了新的理论框架。