多能性及多细胞动物的起源
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文章信息
动物起源于单细胞，但是很少有实验证明，本文作者以 choanocyte, archaeocyte 和 pinacocyte 为研究对象，利用单细胞技术证明了动物起源于单细胞这一观点。文章2019年6月发表于Nature , DOI:https://doi.org/10.1038/s41586-019-1290-4。文章标题是：Pluripotency and the origin of animal multicellularity
摘 · 要
一个被广泛接受，但很少验证的动物起源理论是，动物是从单细胞祖先进化而来，顶端的纤毛被一个小绒毛项圈包围，结构上类似于现代海绵和环细胞鞭毛虫。本研究中，我们通过比较三种现代海绵的三种细胞类型-胆管细胞，多能间质原始细胞和上皮细胞、环细胞鞭毛虫细胞和其他单细胞生物的单细胞转录组、命运和行为来检验动物起源的这一观点。令人意外的是，我们发现海绵胆管细胞转录组与环细胞鞭毛虫的转录组相似性最低，并且各自显著富集于动物或海绵各自独有的基因。相比之下，多能干细胞上调了控制细胞增殖和基因表达的基因，如在其他后生动物干细胞和两个单细胞全生动物（包括群体鞭毛虫）的增殖阶段。海绵状存在一种存在于瞬时亚稳状态，并且易于转分化为原始细胞，并可分化成一系列其他细胞类型。这些海绵细胞类型的转换类似于单细胞异养生物细胞状态变化。综上所述，这些分析驳斥了海绵鞭毛细胞和环细胞鞭毛虫细胞的同源性，认为第一个多细胞动物是具有有限分化能力的简单细胞球。相反，我们的结果与认为第一个能够以类似于现代转分化和干细胞的方式在多个状态之间转换的动物细胞的观点是一致。
背景
所有动物生物体最后一个共同祖先似乎具有最低限度的上皮细胞和间充质细胞类型，这些细胞类型可以在个体发育的生命周期内进行转分化。该生命周期需要一种调节时空基因表达的能力，包括一组多样的信号通路、转录因子、增强子、启动子和非编码RNA。最近的分析表明，单细胞的全生动物使用类似的基因调控机制，通过转变组成其生命周期的不同细胞状态。这些观察结果表明，早期的干后生动物（early stem metazoans）比通常认为的更为复杂。
为了检测现存的choanocytes和choanoglagellates是否能准确地反映动物祖先的细胞类型；我们首先比较了来自海绵的细胞类型的特异性转录组与在 the choanoflagellate Salpingoeca rosetta, the filasterean Capsaspora owczarzaki and the ichthyosporean Creolimax fragrantissima (Fig. 1)。
作者选择了三种海绵体细胞类型，这些细胞类型被认为与当代后生动物，动物或者全息动物的最后共同祖先中存在的细胞同源性：
- choanocytes, which are internal epithelial feeding cells that capture food by pumping water through the sponge;
- epithelial cells called pinacocytes, canals and the outside of the sponge;
- mesenchymal pluripotent stem cells called archaeocytes, which inhabit the middle collagenous layer and have a range of other functions.
测序数据介绍
细胞分离和CEL-Seq2建库：
（细胞数量不多）
数据分析情况
- 数据过滤：样本按照CEL-Seq2方法准备，illumina HiSeq2500进行测序；CEL-Seq2 reads按照[公开的流程](https://github.com/yanailab/CEL-Seq-pipeline)。read count 低于106的样本被移除。
- 比对: Read counts 获得通过比对到Amphimedon queenslandica的基因genome sequence(http://metazoa.ensembl.org/Amphimedon_queenslandica/Info/Index)，使用Aqu2.1 gene models。
- 基因过滤：差异基因使用DESeq2， Genes that had read counts with a row sum of zero were removed.。
- 聚类分析与可视化：对使用DESEQ2获得的盲方差稳定变换（VST）计数进行主成分分析（PCA），并使用ggplot2包进行可视化。在三种细胞类型之间进行配对比较，以产生每种细胞类型的差异表达基因（DEG）列表(FDR<0.05)。 使用VENNY（http://bioinfogp.cnb.csic.es/tools/venny）生成维恩图，可视化，并比较每种细胞类型之间的DEG列表。 使用R包pheatmap和RColorBrewer生成热图，以使用VST计数可视化细胞类型之间的表达模式，VST计数被缩放成从-1（低表达）到1（高表达）的z值。
- 随后，作者依据差异基因进行了系统进化图谱（Phylostratigraphy）的构建和同源性分析（Orthology analyses）
- 数据获得：http://www.ncbi.nlm.nih.gov/sra?term=PRJNA412708或者the Dryad Digital Respository(https://doi.org/10.5061/dryad.hp2fr73).
1、choanocyte, archaeocyte and pinacocyte 的转录组分析情况
2、基于转录组choanocyte, archaeocyte 和 pinacocyte 的基因年代分析
3、单细胞生物A. queenslandica choanocytes的转分化能力
意义
总之，我们的对sponge and unicellular holozoan单细胞生物的转录组、发育和行为的研究，为多细胞动物从起源于一个球状的细胞祖先（诸如现存的 choanocytes and choanoflagellates类）的观点提供支持。最近的研究证实了这一结论，某些研究质疑 choanocytes and choanoflagellates基于细胞结构的同源性。作为另一种可能，我们假定后生动物祖先的细胞类型有能力以类似于现代转分化和干细胞的方式存在于多个细胞状态之间，并具有多种细胞状态之间过渡的能力。最新的单细胞全息基因组分析支持这一观点，一些基因组基础的多能性是建立在一个单细胞过去。对后生动物独特的基因组创新包括关键信号通路和转录因子家族的起源和扩展，以及调节DNA和RNA类可能赋予了祖先多能细胞进化一种调节系统的能力，使其可以共存于多种分化状态，使其催生了第一个多细胞动物。