فهرست مجلات
Open Biol
جلد 11(2)؛ 2021 فوریه
PMC8061703

کلیدواژه‌ها: چندسلولی بودن، ریشه‌های جانوری، انتقال‌های تکاملی، تکامل نوع سلولی، هولوزوا
چکیده
چگونگی تکامل جانوران از یک نیای تک‌سلولی، انتقال از یک سبک زندگی تک‌سلولی به یک موجود چندسلولی هماهنگ، همچنان سؤال جذابی است. رویدادهای کلیدی در این انتقال شامل ظهور فرآیندهای مرتبط با چسبندگی سلولی، ارتباط سلول‑به‑سلول و تنظیم ژن‌ها بود. برای درک چگونگی تکامل این توانایی‌ها، باید ویژگی‌های هر دو نیای چندسلولی مشترک نهایی جانوران و نیای تک‌سلولی نهایی جانوران را بازسازی کنیم. در این مرور، پیشرفت‌های اخیر در توصیف این نیاکان، که از طریق تحلیل‌های مقایسه‌ای ژنومیک بین اولین جانوران شاخه‌دار و جانوران پسین‌تر، و بین جانوران و نزدیک‌ترین رده‌های تک‌سلولی آن‌ها استنتاج شده‌اند، خلاصه می‌کنیم. همچنین فرضیه به‌روزشده‌ای درباره انتقال به چندسلولی بودن جانوران ارائه می‌دهیم که احتمالاً به‌صورت تدریجی بوده و شامل استفاده از مکانیزم‌های تنظیم ژنی در ظهور برنامه‌های اولیه توسعه‌ای و مورفوجنتیک بوده است. در نهایت، مسیرهای جدید پژوهشی که در سال‌های آینده این مطالعات را تکمیل خواهند کرد، مورد بحث قرار می‌گیرد.

1. نگاهی کلی به ریشه‌های جانوری
جانوران (متازوا) جزو گروه‌های اصلی موجودات چندسلولی پیچیده هستند. آن‌ها به انواع متنوعی از سلول‌های متمایز متکی‌اند که به‌صورت فضایی درون سیستم‌های فیزیولوژیکی سازمان یافته‌اند. همزمان، سلول‌های جانوری عملکردهای تخصصی انجام می‌دهند و بنابراین توانایی ادغام و هماهنگی آن‌ها را با برنامه‌های توسعه‌ای به‌دقت تنظیم‌شده به دست آورده‌اند. با این حال، هنوز نمی‌دانیم کدام عوامل ژنتیکی و مکانیکی پایه‌گذار پیدایش و تکامل چندسلولی بودن جانوران بوده‌اند.

تمام جانوران موجود امروز از یک نیای چندسلولی مشترک، که به‌عنوان آخرین نیای مشترک (LCA) جانوران یا LCA جانوری نیز شناخته می‌شود (جعبه 1)، تنوع یافته‌اند. LCA جانوری از یک نیای تک‌سلولی بیش از ۶۰۰ میلیون سال پیش (Ma) تکامل یافت و از وضعیت تک‌سلولی به چندسلولی پیچیده تبدیل شد (جعبه 1، شکل 1a). با مقایسه طبیعت این دو وضعیت نیاکان—آخرین نیای تک‌سلولی و LCA جانوری—می‌توانیم تغییرات عمده‌ای که منجر به انتقال به چندسلولی بودن جانوران شد را کشف کنیم و فرضیه‌های جدید و قابل آزمایشی درباره ریشه‌های جانوران ارائه دهیم. سؤال‌ها این هستند: این دو نیای جانوری چگونه بودند؟ آیا آخرین نیای تک‌سلولی بسیار ساده بود یا به‌طور قابل‌توجهی پیچیده، پایه‌های تمایز سلولی و چندسلولی بودن را ایجاد کرده بود؟ و LCA جانوری چگونه بود؟ آیا ساده بود و به‌تدریج توانایی‌های توسعه‌ای جدیدی کسب می‌کرد در حالی که به طرح‌های بدنی مختلف تنوع می‌یافت، یا پیشاپیش پیچیده بود و شرایط ژنتیکی برای تنوع‌پذیری موفق جانوران را فراهم می‌کرد؟

طبقه‌بندی فیلوجنتیکی جانوران و رده‌های تک‌سلولی نزدیک آن‌ها. (a) خط زمانی رویدادهای مختلف در طول تکامل اولیه جانوران. انتقال به چندسلولی بودن جانوران، و بنابراین پیدایش اولین جانوران، در انتهای دوره تونین، بر اساس برآوردهای ساعت مولکولی، رخ داده است. قدیمی‌ترین شواهد فسیلی یا زمین‌شناسی از جانوران قابل تشخیص به دوره ادیاکاران بازمی‌گردد، در حالی که ساعت‌های مولکولی پیدایش شاخه‌های مختلف جانوری را به دوره کریوژنیک می‌کشاند [15–17]. واحدهای زمانی میلیون سال پیش (Ma) هستند. (b) کلادگرام نمایانگر شاخه‌های اصلی درخت جانوران و گروه‌های اصلی رده‌های تک‌سلولی جانوران: چوآنوفلاژلات‌ها، فیلاسترئان‌ها، ایچتیوسپورئان‌ها و کوراللوکیتریان‌ها/پلورفورمئان‌ها. گره‌های رنگی نشان‌دهنده نیاکان مختلفی هستند که می‌توانیم بازسازی کنیم و برای درک انتقال به چندسلولی بودن جانوران مهم‌اند؛ شاخه داخلی برجسته (از Urchoanozoan تا LCA جانوری) ساقه جانوری را نشان می‌دهد (به جعبه 1 مراجعه کنید؛ LCA = آخرین نیای مشترک). موقعیت‌های نامشخص در درخت جانوران [18–23] و در هولوزوا [24–26] با پلی‌توماهای نشان داده شده‌اند.

جعبه 1.
اصطلاحات مورد استفاده در این مرور.
آخرین نیای مشترک جانوران (LCA جانوری): مرحلهٔ نیاکی که از آن تمام شاخه‌های جانوری موجود امروز منشعب شده‌اند. از ویژگی‌های موجود در جانوران امروزی و مشترک بین آن‌ها بازسازی می‌شود. بدون شک تمام ویژگی‌های مشترک بین تمام جانوران، از جمله چندسلولی بودن پیچیده و هماهنگ، را داراست؛ بنابراین می‌تواند به‌عنوان یک جانور طبقه‌بندی شود.
آخرین نیای تک‌سلولی جانوران: نیای تک‌سلولی که بلافاصله پیش از پیدایش اولین جانور وجود داشته است.
چندسلولی بودن پیچیده: مجموعه‌ای از سلول‌ها با سازماندهی سه‌بعدی و طرح‌های بدنی پیچیده که از یک برنامه توسعه‌ای متمرکز ناشی می‌شود.
چندسلولی بودن ساده: مجموعه‌ای از سلول‌ها شامل رشته‌ها، خوشه‌ها، توپ‌ها، ورق‌ها یا مات‌ها که از طریق تقسیم میتوزی سلولی از یک پیش‌ساز واحد یا از تجمیع سلول‌های مستقل شکل می‌گیرد. چندسلولی بودن ساده در پروکاریوت‌ها و یوکاریوت‌ها یافت می‌شود.
اولین جانور: اولین نیای چندسلولی تمام جانوران موجود. بخشی از ویژگی‌های آن از ویژگی‌های مشترک بین شاخه‌های اولیه جانوران (یعنی اسفنج‌ها، کتنوفرها، پلاکوزوان‌ها و نیداریان‌ها) بازسازی می‌شود، حتی اگر این ویژگی‌ها در بی‌طرفان غایب باشد. این نیای پس از تغییراتی که به پایه‌های چندسلولی بودن پیچیده در جانوران منجر شد، زندگی می‌کرد و احتمالاً با LCA جانوری یکسان نیست.
ساقه جانوری: خط تکاملی که به تمام جانوران منتهی می‌شود، از نیای مشترک جانوران و چوآنوفلاژلات‌ها (Urchoanozoan) تا LCA جانوری. انتقال بعدی از تک‌سلولی بودن به چندسلولی بودن در طول خط ساقه جانوری رخ داد.
Urmetazoa: اصطلاحی که در ادبیات به‌کار می‌رود و به‌صورت‌های مختلف به اولین جانور، LCA جانوری یا ترکیبی از این دو تعریف می‌شود. برای جلوگیری از سردرگمی، در این مرور از این اصطلاح استفاده نمی‌کنیم.
Urchoanozoan: آخرین نیای مشترک جانوران و چوآنوفلاژلات‌ها. ممکن است همان نیای تک‌سلولی نهایی جانوران باشد یا نباشد.
هولوزوا: گروه یوکاریوتی شامل جانوران، چوآنوفلاژلات‌ها، فیلاسترئان‌ها، ایچتیوسپورئان‌ها و کوراللوکیتریان‌ها/پلورفورمئان‌ها. بزرگ‌ترین شاخه شامل Homo sapiens است اما نه Neurospora crassa [1].
آخرین نیای مشترک هولوزوا (LCA هولوزوا): نیایی که متازوا، چوآنوفلاژلاته، فیلاسترئه، ایچتیوسپورئه و کوراللوکیتریا/پلورفورمیا را به‌هم پیوند می‌دهد.
متاکسل: در ژنومیک تک‌سلولی، زیرگروهی از پروفایل‌های همگن scRNASeq با تنها واریانس محلی نسبت به کل دیتاست، مفید برای خوشه‌بندی و تحلیل‌های کمی بیان ژن [2]. در نهایت می‌تواند به برخی انواع سلولی مرتبط شود، اما تنها پس از تأیید تجربی.
نوع سلول: در ساده‌ترین تعریف، نوع سلول به‌عنوان واحدی برای تمایز اشکال سلولی بر اساس مورفولوژی یا فنوتیپ‌های مختلف تعریف شد. انواع سلول اغلب به لایه‌های جنینی مختلف در طول تشکیل جنین مرتبط هستند؛ سلول‌های عصبی و اپی‌تلیال از اکتودرمی، سلول‌های عضلانی و خونی از مزودرمی، و سلول‌های روده‌ای از اندودرمی [3–5]. در حالی که انواع سلول‌های مهره‌دار اغلب بر پایه سرنوشت متعهدشان تعریف می‌شوند و قادر به بازتبدیل نیستند، سلول‌های جانوران اولیه می‌توانند ترانس‌دفرنسیه شوند و نوع سلول خود را تغییر دهند [6]. این منجر به بازنگری‌های متعدد مفهوم در سطوح عملکردی، توسعه‌ای و حتی مولکولی (بیان ژن) شده است. در اینجا، ما اصطلاح «نوع سلول» را به‌عنوان «واحد طبقه‌بندی بر پایه مشاهدات ترکیبی مورفولوژی سلول و پروفایل بیان ژن، که توسط یک شبکه تنظیم ژنی هدایت می‌شود و می‌تواند به‌طور مکرر در زمینه یک گونه یافت شود» به‌کار می‌بریم. این انواع سلول می‌توانند بخشی از یک چرخه زندگی فضایی یا زمانی یکپارچه باشند.
چندسلولی بودن تجمیعی: یکی از دو مکانیزم شناخته‌شده برای تکامل چندسلولی بودن است. چندسلولی بودن تجمیعی نتیجهٔ اتصال یا تجمیع دو یا چند سلول مستقل و ژنتیکی متمایز به‌یکدیگر است. ساختار چندسلولی حاصل شامل جمعیتی ناهمگن از سلول‌هاست و اغلب برای تولیدمثل و پراکندگی شکل می‌گیرد [7–9]. این مکانیزم به‌صورت مکرر در شاخه‌های مختلف یوکاریوتی تکامل یافته است [10–14].
چندسلولی بودن کلونال: یکی دیگر از دو مکانیزم شناخته‌شده برای تکامل چندسلولی بودن است. چندسلولی بودن کلونال از طریق دورهای متوالی تقسیم سلولی از یک سلول بنیانگذار (اسپور یا زیگوت) با سیتوکینز ناقص (یعنی تقسیم سیتوپلاسم سلول والد به دو سلول دختر) بوجود می‌آید. این مکانیزم در موارد کمتری ظاهر شده و مسئول پرتوپاشی‌های شناخته‌شدهٔ شکل‌های پیچیدهٔ چندسلولی در درخت حیات است: گیاهان زمینی، قارچ‌ها و جانوران.

داده‌های اخیر از نمایندگی گسترده‌ای از گونه‌های جانوری، به‌ویژه از جانوران غیربی‌طرف (اسفنج‌ها، کتنوفرها، پلاکوزوان‌ها و نیداریان‌ها)، و همچنین از گونه‌های تک‌سلولی مرتبط با جانوران، ما را قادر ساخته‌اند تا به سؤال‌های زیر بهتر پاسخ دهیم. محتویات ژنوم، توانایی‌های تنظیم ژنی و ویژگی‌های زیستی آن‌ها می‌تواند برای بازسازی پایه‌های سلولی تکامل جانوران مقایسه شود و پیچیدگی ژنومی حداقل هر دو نیای تک‌سلولی نهایی جانوران و LCA جانوری استنتاج شود. علاوه بر این، ظهور فناوری‌های توالی‌یابی، مانند اومیک تک‌سلولی، و توسعه ابزارهای ژنتیکی در رده‌های تک‌سلولی نزدیک به جانوران، مسیرهای پژوهشی جدیدی برای مطالعات عملکرد ژن باز می‌کند و به سؤالات هیجان‌انگیزی که از این استنتاجات از منظر عملکردی و زیستی تکمیل می‌شوند، اشاره می‌کند.

در این مرور، بازسازی به‌روزشده‌ای از این دو مرحلهٔ تکاملی که کلید درک بهتر انتقال به چندسلولی بودن جانوران هستند، ارائه می‌دهیم: 1) آخرین نیای تک‌سلولی جانوران و 2) LCA جانوری. دانش فعلی دربارهٔ جعبه‌ابزار ژنتیکی، تنوع نوع سلولی و زمینهٔ بوم‌شناختی این نیاکان، که از طریق تحلیل‌های ژنومیک مقایسه‌ای بین جانوران و نزدیک‌ترین رده‌های تک‌سلولی آن‌ها و بین اولین جانوران شاخه‌دار و آن‌هایی که پس از آن منشعب شده‌اند، استنتاج شده است، خلاصه می‌کنیم. بر این پایه، فرضیه به‌روزشده‌ای برای توضیح انتقال به چندسلولی بودن جانوران پیشنهاد می‌کنیم که تأکید می‌کند پایه‌های جانوری پیش از پیدایش جانوران گذاشته شد و پیچیده‌سازی تدریجی مکانیزم‌های تنظیم ژنی کلید به‌دست‌آوردن تدریجی الگوهای محوری سلولی و هویت نوع سلولی در جانوران بود. در نهایت، برخی از حوزه‌های پژوهشی که پیش‌بینی می‌کنیم در سال‌های آینده برای مطالعهٔ ریشه‌های جانوران کلیدی خواهند بود، مورد بحث قرار می‌گیرد.

1.1. چارچوب فیلوجنتیکی جانوران و رده‌های تک‌سلولی نزدیک آن‌ها
بازسازی هر رویداد تکاملی به چارچوب فیلوجنتیکی مستحکم متکی است. بنابراین، برای استنتاج ویژگی‌های ژنومی و زیستی آخرین نیای تک‌سلولی جانوران و LCA جانوری، اولین گام تعریف روابط تکاملی بین جانوران و بین جانوران و نزدیک‌ترین رده‌های آن‌هاست. درخت حیات جانوران به‌طور عمیق مورد مطالعه قرار گرفته است [18,27–31] (نگاه کنید به [32] برای مرور)، اما فیلوجنتیک سازگار و مستحکم همچنان دست نیافتنی است. برخی مناطق عدم قطعیت باقی مانده‌اند، به‌ویژه حول ریشهٔ متازوا، عمدتاً به‌دلیل انتخاب‌های مختلف در تحلیل‌های فیلوجنتیک مختلف، مانند ژن‌های انتخاب‌شده، نمونه‌برداری تاکسون، ترکیب ماتریس داده‌های فیلوجنتیک یا مدل تکامل توالی [18,31–33]. مدل‌های نادرست می‌توانند به تخلفات فرضیات مدل، معروف به خطاهای سیستماتیک (مثلاً اثرات جذب شاخهٔ طولانی) منجر شوند؛ این‌ها نیز ممکن است بر بازسازی درخت جانوران تأثیر بگذارند [31]. این عدم توافق دربارهٔ روابط بین متازواهای اولیه‌ترین شاخه‌دار [18,19,31,33,34] بازسازی برخی ویژگی‌های متازوا را دشوار کرده است [33,35]. برای مثال، عدم قطعیت دربارهٔ موقعیت Ctenophora یا Porifera به‌عنوان گروه خواهر تمام جانوران دیگر منجر به بحث مداوم دربارهٔ ریشه و تکامل سیستم عصبی شده است [18–23,33,36–40]. با این حال، استحکام موقعیت‌های دیگر در فیلوجنتیک جانوران به ما اجازه می‌دهد ویژگی‌های بسیاری از LCA جانوری را استنتاج کنیم [33].

تا به‌تازگی، اطلاعات بسیار کمی دربارهٔ درخت حیات اطراف جانوران داشتیم، به‌ویژه چون فیلوجنتیک مستحکم به دسترس بودن داده‌های ژنوم‑مقیاس به‌خوبی حاشیه‌نویسی‌شده و جایگذاری تاکسون‌های کلیدی وابسته است. در دههٔ گذشته، توالی‌یابی ژنوم چندین گونه تک‌سلولی چارچوب فیلوجنتیک جانوران و رده‌های تک‌سلولی نزدیک آن‌ها را بهبود بخشیده است [24,25,41–45]. اکنون می‌دانیم که جانوران به‌طور نزدیک با مجموعه‌ای ناهمگن از رده‌های تک‌سلولی شناخته‌شده به‌عنوان هولوزواهای تک‌سلولی مرتبط هستند که با هم شامل شاخهٔ هولوزوا در گروه یوکاریوتی Opisthokonta می‌شوند (شکل 1b و 3؛ جعبه 1) [25,46–51]. نزدیک‌ترین ردهٔ تک‌سلولی به جانوران، Choanoflagellatea است، گروهی از بیش از ۲۵۰ گونهٔ پرچم‌دار/بیضی شکل هتروتروفیک پرچم‌دار (شکل 1b) [52]. نمایندگان آن‌ها، چوآنوفلاژلات‌ها، به‌دلیل شباهت مورفولوژیکی به چوآنوسیت‌ها، یک نوع سلول خاص اسفنج‌ها، برای بیش از یک قرن به جانوران مرتبط شده‌اند [53]. این شباهت، همراه با تأیید از فیلوجنتیک‌های مولکولی موقعیت آن‌ها به‌عنوان گروه خواهر جانوران (شکل 1b و 3a,b) [47,48,52,54–59]، به‌طور تاریخی منجر به فرضیه‌های این شد که جانوران از نیای شبیه چوآنوفلاژلات تکامل یافته‌اند [60–63]. فیلوجنتیک‌های مولکولی دو ردهٔ مستقل دیگر در هولوزوا را تأیید کرده‌اند: فیلاسترئه و ایچتیوسپورئه (شکل 1b). فیلاسترئه گروه خواهر چوآنوفلاژلات و متازوا است و تا کنون تنها شامل پنج گونهٔ آمئوبوئید و آمئوبوفلاژلات شناخته شده است (شکل 1b و 3c,d) [25,26,48–50,55,64–71]. ایچتیوسپورئه گروه خواهر بقیه هولوزواهاست و یک گروه متنوع حدود ۴۰ پروتست‌های اسموتروفیک و سابروتروفیک است (شکل 1b و 3e,f) [72–82]. با این حال، افزودن گونه‌های جدید برخی عدم قطعیت‌ها را در فیلوجنتیک هولوزوا باقی گذاشته است که به‌نظر می‌رسد به‌شدت به نمونه‌برداری تاکسون حساس است.

چرخه‌های زندگی متناوب زمانی هولوزواهای تک‌سلولی. هر پنل انتقال‌های مرحلهٔ زندگی دو گونهٔ هولوزوا تک‌سلولی نمایانگر هر شاخه را نشان می‌دهد. پیکان‌ها جهت‌گیری انتقال را نشان می‌دهند. پیکان‌های حلقه‌ای تقسیم سلولی را نشان می‌دهند. پیکان‌های نقطه‌دار با علامت سؤال بین مراحل، انتقال‌های مرحلهٔ زندگی احتمالی (تأیید نشده) را نشان می‌دهند. (a) مراحل زندگی چوآنوفلاژلات کلونیال Salpingoeca rosetta [176,187]. چرخهٔ زندگی غیرجنسی (در سمت راست) شامل مرحلهٔ تک‌سلولی سستیک (چسبیده به بستر)، مراحل تک‌سلولی شناور آهسته و سریع، و دو نوع مرحلهٔ کلونیال کلونال (زنجیره‌ای و گل‌گل) است که در آن سلول‌های همسایه توسط پل‌های بین‌سلولی به‌هم متصل می‌شوند [188–190]. گرسنگی چرخهٔ جنسی S. rosetta (در سمت چپ) را تحریک می‌کند که در آن سلول‌های دیپلوئید (شناور آهسته) میوز و ترکیب می‌شوند و سلول‌های هپلوئید حاصل (که می‌توانند به‌صورت غیرجنسی نیز تقسیم شوند) به‌صورت آنیزوگاموس ترکیب می‌شوند [176,178]. (b) مراحل زندگی چوآنوفلاژلات کلونیال Choanoeca flexa [96]. انتقال‌های نور‑به‑تاریک باعث می‌شود کلونی‌های C. flexa به‌سرعت و به‌صورت معکوس انحنای خود را تغییر دهند در حالی که تماس‌های بین سلول‌های همسایه بین میکروویلی‌های یقه خود حفظ می‌شود، و بین دو شکل کلونی متناوب می‌شوند. در پاسخ به نور، کلونی‌ها شکل تغذیه‌ای (پرچم‑درون) را نشان می‌دهند. در غیاب نور، کلونی‌ها به شکل شناوری (پرچم‑خارج) معکوس می‌شوند. (c) مراحل زندگی فیلاسترئه Capsaspora owczarzaki [64,65,98]. در مرحلهٔ پرولیفتیک (فیلوپودیال) سلول‌ها آمئوبی‌های چسبیده به بستر هستند که چندین فیلوپودیای بلند و نازک بر پایهٔ اکتین امتداد می‌دهند. این آمئوبیا می‌توانند از بستر جدا شوند و به‌صورت فعال در مرحلهٔ تجمیعی یا «چندسلولی» تجمع کنند و ماتریکس خارج‌سلولی تولید کنند که احتمالاً آن‌ها را به‌هم می‌چسباند. در پاسخ به تراکم یا استرس، سلول‌های هر دو مرحلهٔ آمئوبیا و تجمیعی می‌توانند با جمع‌آوری فیلوپودی‌ها به‌صورت سست یا مرحلهٔ مقاومت تبدیل شوند. (d) مراحل زندگی فرضی فیلاسترئه Pigoraptor vietnamica [26,70]. سلول‌های پرچم‌دار شناور می‌توانند فیلوپودی‌های بلند، نازک و گاهی شاخه‌دار تولید کنند که می‌توانند به بستر متصل شوند. سلول‌های پرچم‌دار گاهی لوبوپودی‌های وسیعی نشان می‌دهند. سلول‌های پرچم‌دار می‌توانند پرچم را جمع‌آوری کرده و به‌صورت گردی شوند تا یا به دو سلول پرچم‌دار دختر تقسیم شوند یا به مرحلهٔ سست تبدیل شوند. این می‌تواند به‌نوبه خود دو سلول پرچم‌دار دختر تولید کند. سلول‌ها همچنین می‌توانند تجمیعاتی به‌راحتی تجزیه‌پذیر از سلول‌ها تشکیل دهند و به‌صورت مشترک تغذیه کنند. مراحل زندگی Pigoraptor chileana بسیار شبیه به مراحل P. vietnamica است، اما P. chileana توانایی تولید فیلوپودی و لوبوپودی را به‌طور قابل‌توجهی کاهش داده است (هر دو مرحله در P. chileana بسیار نادر هستند). (e) مراحل زندگی ایچتیوسپورئه Creolimax fragrantissima [45,77]. آمئوبی‌های تک‌هسته‌ای تا زمان استقرار و سست شدن پراکنده می‌شوند. سلول گرد شده چندین دور تقسیم هسته‌ای همزمان (تقسیم کوئنوستیک) بدون تقسیم سیتوپلاسمی undergo می‌کند. هسته‌ها سپس در حاشیهٔ سلول به‌صورت یک واكولوس مرکزی بزرگ قرار می‌گیرند. در نهایت، کوئنوست سلول‌سازی می‌شود و آمئوبی‌های جدید آزاد می‌شوند تا چرخه را دوباره آغاز کنند. (f) مراحل زندگی ایچتیوسپورئه Sphaeroforma arctica [99,180]. سلول‌های تک‌هسته‌ای چندین دور تقسیم هسته‌ای همزمان (تقسیم کوئنوستیک) بدون تقسیم سیتوپلاسمی undergo می‌کنند. هسته‌ها سپس در حاشیهٔ سلول قرار می‌گیرند. در نهایت، کوئنوست سلول‌سازی می‌شود و تعداد زیادی سلول دختر آزاد می‌شود تا چرخه را دوباره آغاز کنند. (g) مراحل زندگی کوراللوکیتریان Corallochytrium limacisporum [22,83,191]. تکثیر در C. limacisporum عمدتاً از طریق تقسیم دوتایی (99 % موارد) رخ می‌دهد که در آن سلول دو هسته‌ای به دو سلول یک‌هسته‌ای متقارن تقسیم می‌شود. سلول‌های دو هسته‌ای می‌توانند دو لوب تشکیل دهند که می‌تواند به تقسیم سلولی منجر شود (تشکیل دو سلول تک‌هسته‌ای) یا به سلول‌های کروی بازگردند. در این نقطه (*)، سلول‌ها می‌توانند به رشد کوئنوستیک (1 % موارد) تبدیل شوند و ادامه تقسیم هسته‌ها را برای تشکیل سلول‌های چهاره‌هسته‌ای ادامه دهند. سلول‌های چهاره‌هسته‌ای اغلب می‌توانند شکل شبیه شبدر (مشابه سلول دولوب) ایجاد کنند که یا چهار سلول تک‌هسته‌ای تولید می‌کند یا به شکل کروی بازمی‌گردد و به‌صورت هشت، دوازده و تا ۳۲ هسته کوئنوست تقسیم می‌شود. کوئنوست‌ها می‌توانند آمئوبی‌های پراکنده را آزاد کنند تا چرخه را دوباره آغاز کنند. (h) مراحل زندگی فرضی پلورفورمئان Syssomonas multiformis [26,70]. سلول پرچم‌دار شناور می‌تواند به‌طور موقت به بستر از طریق بخش جلویی بدن متصل شود یا به پایین حرکت کند و به شکل آمئوبوفلاژلات تبدیل شود با تولید هر دو لوبوپودی وسیع و فیلوپودی‌های نازک کوتاه. سلول‌های پرچم‌دار می‌توانند پرچم را از طریق حالت‌های مختلف از دست بدهند و به مرحلهٔ آمئوبی تبدیل شوند که فیلوپودی‌های نازک و نسبتاً کوتاه تولید می‌کند. هر دو مرحلهٔ آمئوبوفلاژلات و آمئوبی می‌توانند به مرحلهٔ پرچم‌دار بازگردند. سلول‌های آمئوبی نیز می‌توانند با جمع‌آوری فیلوپودی‌ها و گرد کردن بدن سلول سست شوند. تقسیم‌های پالینتومیک ممکن است در مرحلهٔ سست برای آزادسازی چندین سلول دختر پرچم‌دار رخ دهند. سلول‌های پرچم‌دار می‌توانند جزئی به‌هم بپیوندند و تجمعات موقت بی‌شکل از سلول‌های پرچم‌دار یا غیرپرچم‌دار و کلونی‌های شبیه گل‌گل تشکیل دهند که فقط از سلول‌های پرچم‌دار (با پرچم‌های جهت‌دار به بیرون) تشکیل شده‌اند. در محیط غنی، سلول‌های پرچم‌دار تنها گاهی به‌طور فعال به‌هم می‌پیوندند و ساختار شبیه سینسیتیوم تشکیل می‌دهند که جوانه‌زنی می‌کند و سلول‌های دختر پرچم‌دار آزاد می‌کند.

یک سؤال باز دربارهٔ موقعیت Corallochytrium limacisporum (شکل 1b و 3g) [83] وجود دارد. Corallochytrium پیش‌تر به‌عنوان گروه خواهر ایچتیوسپورئه طبقه‌بندی می‌شد و یک گروه مونوفیلیتیک به نام Teretosporea تشکیل می‌داد [24,25]. با این حال، تحلیل‌های اخیر شامل Syssomonas multiformis شکارچی جدید (شکل 3h) [26,70]، Corallochytrium و Syssomonas را در یک شاخه مستقل جدید به نام Pluriformea گروه‌بندی کردند که بین فیلاسترئه و ایچتیوسپورئه شاخه می‌زند (شکل 1b) [26]. مورد مشابهی موقعیت Tunicaraptor unikontum، شکارچی پرچم‌دار جدیدی که به‌تازگی کشف شده و به‌طور نزدیک به جانوران مرتبط است، وجود دارد [84]. بسته به نمونه‌برداری تاکسون استفاده‌شده، T. unikontum ممکن است خواهر فیلاسترئه‌ها، Filozoa (که شامل گروه فیلاسترئه‑چوآنوفلاژلات‑جانور است) یا شاید قدیمی‌ترین شاخه هولوزوا باشد [84]. بررسی‌های محیطی همچنین گونه‌های جدید دیگری را شناسایی کرده‌اند که درون یا مرتبط با شاخه‌های مختلف هولوزواهای تک‌سلولی قرار می‌گیرند و حتی یک شاخهٔ نوین محتمل را نشان می‌دهند [85–93]. این نشان می‌دهد که هنوز تنوع پنهان قابل‌توجهی در شاخهٔ هولوزوا وجود دارد که ممکن است بازسازی ما از تکامل برخی ویژگی‌ها در طول ساقه هولوزوا را تحت تأثیر قرار دهد. انتظار می‌رود مطالعات آینده درک ما از تنوع هولوزواهای تک‌سلولی را بهبود بخشند و روابط تکاملی درخت حیات اطراف جانوران را روشن کنند. با این حال، علیرغم معماهای پیشین در فیلوجنتیک هولوزوا، می‌توانیم بر پایه داده‌های فعلی که در بخش‌های بعدی مرور می‌کنیم، استنتاجاتی انجام دهیم.

2. بازسازی آخرین نیای تک‌سلولی جانوران و آخرین نیای مشترک جانوران
در چارچوب فیلوجنتیک هولوزوا می‌توانیم ویژگی‌های ژنومی و زیستی بین هولوزواهای تک‌سلولی و جانوران را مقایسه کنیم و دو مرحلهٔ کلیدی تکاملی که جانوران از آن‌ها منشعب شدند را بازسازی کنیم: آخرین نیای تک‌سلولی جانوران و LCA جانوری (برای توضیح به جعبه 2 مراجعه کنید).

جعبه 2.
آیا اولین جانور شبیه LCA جانوری بود؟
نیای مشترک چندسلولی که تمام جانوران موجود از آن تنوع یافته‌اند (LCA جانوری) ممکن است همان اولین جانور نباشد (جعبه 1). اولین جانور اولین نیای چندسلولی تمام جانوران موجود بود و احتمالاً به شاخه‌های دیگری منجر شد که پس از آن منقرض شدند پیش از انشعاب تمام شاخه‌های مدرن جانوران از LCA جانوری. با وجود اینکه پژوهش تا کنون محدود به بازسازی LCA جانوری (و نیاکان تک‌سلولی مختلف جانوران) بوده است، می‌توانیم بخشی از اولین جانور را بر پایه دانش فعلی از LCA جانوری و همچنین ویژگی‌های مشترک بین جانوران اولیه بازسازی کنیم. برای مثال، می‌توانیم استنتاج کنیم که جعبه‌ابزار ژنتیکی اولین جانور بسیار غنی از ژن‌های مرتبط با نوآوری‌های متازوا بود، از پایه‌های سلولی لایه‌های شبیه اپی‌تلیال تا سلول‌های سیگنال‌دهنده شبیه نورون و حضور سلول‌های انقباضی شبیه عضله. بسیاری از مسیرها و مکانیزم‌های خاص جانور به‌طور عمده در LCA جانوری کامل بودند (مشابه مشاهدات دربارهٔ LCA نیداری‑بی‌طرف توسط Putnam et al. [94])، که نشان می‌دهد آن‌ها در وضعیت‌های نیاکی قبلی، احتمالاً حتی در اولین جانوران، حضور داشته‌اند (شکل 1، جعبه 1). به‌طور مشابه، بر پایه استنتاج‌های ما از تنوع نوع سلولی در LCA جانوری، آن نیاکان پیش از LCA جانوری احتمالاً توانایی تنظیم تمایز سلولی را از طریق شبکه‌های TF سلسله‌مراتبی و تنظیم دوری در سلول‌های مختلف درون جمعیت چندسلولی داشتند، که به درجه‌ای از تمایز فضایی سلولی منجر می‌شود که ممکن است در اولین جانوران حضور داشته باشد. به‌جای یک انفجار ناگهانی نوآوری‌ها، به‌نظر می‌رسد گسترش ژن، هم‌پذیری، افزایش پیچیدگی تنظیمی و انتقال از تنظیم زمانی به فضایی تأثیر مهمی بر پیچیدگی تدریجی اولین جانوران داشته‌اند ([95] و مراجع درون).

در حال حاضر، مطالعات فیلوجنتیک و تجزیه و تحلیل برای بازسازی نیاکان جانوران به‌دلیل داده‌های موجود برای چنین مقایسه‌هایی محدود هستند. برای مثال، داده‌های ژنومی دربارهٔ جانوران اولیه به تعداد محدودی از گونه‌ها محدود است که ممکن است به‌دلیل از دست رفتن ژن و تکامل سریع، نمایندهٔ خوبی نباشند. به‌همین ترتیب، یافته‌های ما به‌سوی فرضیهٔ نوآوری‌های متعدد در خط جانور متمایل می‌شود مگر اینکه رده‌های دیگر را در مقایسه‌ها بگنجانیم. به این دلایل، مطالعهٔ ریشه و تکامل جانوران نیازمند توالی‌یابی بیشتر ژنوم‌های جانوران اولیه است و به همان اندازه مهم گسترش تمرکز ما به رده‌های دیگر خارج از متازوا است.

2.1. بازسازی ویژگی‌های ژنومی آخرین نیای تک‌سلولی جانوران و آخرین نیای مشترک جانوران

2.1.1. جعبه‌ابزار ژنتیکی آخرین نیای تک‌سلولی جانوران
طبیعت آخرین نیای تک‌سلولی جانوران تنها می‌تواند از طریق مطالعات مقایسه‌ای بین جانوران و نزدیک‌ترین رده‌های تک‌سلولی موجود، هولوزواهای تک‌سلولی، بازسازی شود. در دههٔ گذشته، مجموعه‌های دادهٔ مقیاس اومیک از نمایندگی گسترده‌ای از گونه‌های هولوزواهای تک‌سلولی تولید شده‌اند. در حال حاضر ۱۱ ژنوم کامل در اختیار داریم [24,25,41–45] و حدود ۳۰ ترانسکریپتوم و پروتئوم از چندین گونه، شامل نمایندگان هر ردهٔ هولوزوا تک‌سلولی [24–26,42,45,51,84,96–101]. این مجموعه داده‌ها به ما اجازه داده‌اند ویژگی‌های ژنومی که بین هولوزواهای تک‌سلولی موجود و جانوران مشترک است را شناسایی کنیم، که بنابراین استنتاج می‌شود در آخرین نیای تک‌سلولی مشترک آن‌ها حضور داشته است.

به‌طور شگفت‌انگیزی، ژنوم‌های هولوزواهای تک‌سلولی موجود در واقع مجموعهٔ بزرگی از ژن‌های همسان با ژن‌های بحرانی برای عملکردهای مرتبط با چندسلولی بودن در جانوران را کد می‌کنند [24–26,41,42,44,45,97,98,100–104]. این شامل ژن‌های مرتبط با چسبندگی سلولی، مسیرهای سیگنال‌دهی و تنظیم رونویسی است (شکل 2a) [95,122,123]. برای مثال، مجموعهٔ غنی از ژن‌های مرتبط با چسبندگی سلولی در جانوران در ژنوم‌های چندین هولوزوا تک‌سلولی یافت می‌شود. این شامل ژن‌های کلیدی که میان‌سلولی بودن سلول‌های جانوری را میان‌سلولی می‌کنند، مانند پروتئین‌های حاوی دامنهٔ کادهرین یا لکین‌های نوع C، که در چوآنوفلاژلات‌ها حضور دارند و توزیع پراکنده‌ای در سایر هولوزواها دارند [84,97,105,124,125]. اینتگرین‌ها و پروتئین‌های اسکافولد مرتبط، که میان‌سلولی بودن سلول‌های جانور با ماتریکس خارج‌سلولی را میان‌سلولی می‌کنند، در فیلاسترئان‌ها، ایچتیوسپورئان‌ها، C. limacisporum، S. multiformis و T. unikontum حضور دارند [26,84,97,98,103,126]. برخی گونه‌های چوآنوفلاژلات نیز زیرمجموعهٔ کوچکی از سیستم چسبندگی اینتگرین را دارند [97,98,103]. علاوه بر این، پروتئین‌های دیگر بازسازی ساختاری، مانند فاسین یا Ezrin–Radixin–Moesin و برخی عناصر لامینای پایه (یعنی کلاژن، لامینین و فیبرونکتین) در چندین گونهٔ هولوزوا تک‌سلولی وجود دارند [84,98,106]. چوآنوفلاژلات‌ها و T. unikontum همچنین چندین دامنه با تمایل به خانواده‌های دامنهٔ Ig‑مانند جانوران را کد می‌کنند [41,84,97]. به‌طور کلی، این نشان می‌دهد که چندین ژن از دستگاه چسبندگی سلولی جانور پیش از آخرین نیای تک‌سلولی جانوران وجود داشته‌اند (شکل 2a).

یک مجموعهٔ ژنی استنتاج‌شده از آخرین نیای تک‌سلولی جانوران و آخرین نیای مشترک جانوران. (a) بازسازی آخرین نیای تک‌سلولی جانوران بر پایهٔ حضور ژن‌های کلیدی متازوا در ژنوم‌های رده‌های تک‌سلولی جانوران است. (b) افزوده‌های استنتاج‌شده در آخرین نیای مشترک (LCA) جانوران. زرد نشان‌دهندهٔ ژن‌هایی است که پیش از ظهور LCA هولوزوا (منشأ پیش‑هولوزوا) بوجود آمده‌اند؛ سبز، ژن‌هایی که در هولوزوا پیش از LCA جانوران بوجود آمده‌اند (منشأ هولوزوا)؛ قرمز، ژن‌های خاص جانور که در ریشهٔ جانوران بوجود آمده‌اند (منشأ جانور). bHLH، فاکتورهای رونویسی پایهٔ هلیک‑لوب‑هلیک؛ BRA، براکیوری؛ CSK، کیناز C‑ترمینال Src؛ DRFs، فورمین‌های مرتبط با دیافانوس؛ EPS8، سوبستراسیون گیرندهٔ فاکتور رشد اپیدرمال 8؛ ERM، پروتئین‌های Ezrin–Radixin–Moesin؛ GPCRs، گیرنده‌های وابسته به پروتئین G؛ GSK3، کیناز سنتز گلیکوجن 3؛ HD، دامنهٔ هومئو؛ MAGUKs، کینازهای گوانیلات مرتبط با غشاء؛ MAPKs، کینازهای فعال‌شده توسط میتوژن؛ MEF2، فاکتور تقویت‌کنندهٔ خاصیت میوسیت؛ NF‑κB، فاکتور هسته‌ای‑κB؛ PI3 K، کیناز فسفاتی‌دئولینوزیتول‑3؛ RFX، فاکتورهای رونویسی RFX؛ RTKs، گیرنده‌های کیناز تیروئین؛ STAT، ترانس‌داکتر و فعال‌کنندهٔ رونویسی؛ TALEs، گسترش‌های حلقهٔ سه‑اسید آمینوی؛ TFs، فاکتورهای رونویسی؛ TGFß، فاکتور رشد تبدیل‌کنندهٔ بتا. داده‌ها از [24,26,44,45,97,102,105–121].

ژنوم‌های هولوزواهای تک‌سلولی همچنین همسان‌های اجزای کلیدی سیگنال‌دهی داخل‌سلولی متازوا مرتبط با ارتباط سلول‑به‑سلول، ایمنی و مسیرهای سیگنال/پاسخ محیطی را کد می‌کنند. این شامل Notch، Delta، گیرنده‌های کیناز تیروئین و همسان‌های ژن‌های گیرندهٔ Toll‑like جانوران است (شکل 2a) [97,107,125,127–131]. برعکس، چندین گیرنده و لیگاند بالادستی، مانند ژن‌های سیگنال‌دهی فضایی Hedgehog، Wnt، TGF‑β و JAK از شبکهٔ JAK‑STAT، در هولوزواهای تک‌سلولی غایب هستند و احتمالاً در آخرین نیای تک‌سلولی جانوران نیز غایب بوده‌اند (شکل 2a) [95]. الگوی مشابهی در برخی اعضای شبکهٔ Myc‑Max [132] و مسیر سیگنال‌دهی Hippo مشاهده می‌شود [108]. برای مثال، در مورد دوم، برخی اجزای داخل‌سلولی در Capsaspora owczarzaki حضور دارند، در حالی که گیرنده‌های بالادستی متازوا Crumbs و Fat خاص جانور هستند [95,108]. بنابراین، با وجود اینکه چندین گیرنده و لیگاند بالادستی پس از انتقال به چندسلولی بودن جانوران تکامل یافته‌اند، آخرین نیای تک‌سلولی جانوران پیش از این چندین جزء از مسیرهای کلیدی سیگنال‌دهی متازوا را کد می‌کرد (شکل 2a).

تعدادی از فاکتورهای رونویسی (TF) که پیش‌تر به‌عنوان خاص جانور شناخته می‌شدند، در هولوزواهای تک‌سلولی نیز حضور دارند. برای مثال، چندین فعال‌کنندهٔ رونویسی مسیر Hippo و شبکهٔ Myc‑Max که پیش‌تر ذکر شد، در برخی هولوزواهای تک‌سلولی حضور دارند [100,108]. چند چوآنوفلاژلات و ایچتیوسپورئان، همچنین Capsaspora و Corallochytrium، فاکتورهای LIM Homeobox را کد می‌کنند [24,104]. چندین هولوزوا تک‌سلولی همچنین همسان‌های فاکتورهای رونویسی توسعه‌ای کلیدی جانور، مانند NF‑κB، خانوادهٔ p53/63/73، RUNX و فاکتورهای T‑box مانند Brachyury را کد می‌کنند [84,95,102,109,133]. جالب است که برخی از این TFها پیش از این توانایی مشارکت در شبکه‌های تنظیم ژنی (GRN) به‌خوبی استوار در متازوا را نشان می‌دهند، مانند Brachyury و Myc [100]. این نشان می‌دهد که آخرین نیای تک‌سلولی جانوران قبلاً مجموعهٔ متنوعی از TFها را داشته و برخی از آن‌ها می‌توانستند نقش‌های تنظیمی مشابهی با آنچه در جانوران مشاهده می‌شود، ایفا کنند (شکل 2a).

در نهایت، چند هولوزوا تک‌سلولی نیز برخی از مکانیزم‌هایی را نشان می‌دهند که جانوران برای تنظیم جذب TF و بیان ژن به‌کار می‌برند. برای مثال، برخی گونه‌ها ژن‌های مرتبط با کنترل دسترسی به کروماتین، مانند استیلاز هستون p300/CBP یا بسیاری از اصلاح‌کننده‌های پس‌ترجمه‌ای هستون را کد می‌کنند [24,100]. در Capsaspora، انتقال‌های مرحلهٔ زندگی با تغییرات دسترسی به کروماتین تنها در نواحی تنظیمی سیتوپلاسمی نزدیک مرتبط هستند [100]. علاوه بر این، ژنوم تنظیمی آن فاقد انواع پروموترهای جانوری و امضای تقویت‌کننده‌های جانوری است، که نشان می‌دهد نواحی تنظیمی سیتوپلاسمی Capsaspora کوچک و نزدیک هستند [100]. علاوه بر این، اولین شواهد برای تنظیم پس‌انتقالی mRNA از طریق miRNAها در ایچتیوسپورئان‌ها گزارش شده است، زیرا برخی گونه‌ها چندین ژن miRNA و همسان‌های دستگاه بیوژنز miRNA جانور (از جمله Drosha و Pasha) را کد می‌کنند [134]. این نشان می‌دهد که منشاء تک‌سلولی miRNAهای جانوری و مجموعه میکروپروسسور مرتبط با آن وجود داشته است [134]. به‌طور کلی، این نشان می‌دهد که آخرین نیای تک‌سلولی جانوران احتمالاً استراتژی تنظیم ژنی عمدتاً نزدیک‌محور را دنبال می‌کرد و از مکانیزم‌های اپی‌ژنومیک کمی برای کنترل دسترسی به کروماتین استفاده می‌کرد، که به‌طور بالقوه می‌توانست انتقال‌های بین مراحل مختلف زندگی را نیز تنظیم کند.

بنابراین، این یافته‌ها نشان می‌دهند که آخرین نیای تک‌سلولی جانوران دارای ژنوم غنی و پیچیدهٔ تنظیمی بوده است. برخی از ژن‌هایی که پیش از این در آخرین نیای تک‌سلولی حضور داشته‌اند، برای عملکردهای مرتبط با چندسلولی بودن جانوران مهم هستند، به‌ویژه آن‌هایی که در تنظیم ژن تفاضلی (مثلاً TFها و مسیرهای سیگنال‌دهی)، چسبندگی سلولی (مثلاً کادهرین‌ها و اینتگرین‌ها)، تعیین نوع سلولی، چرخه سلولی و ایمنی (شکل 2a) [34,97,122]. با این حال، این استنتاج‌ها بر پایهٔ تعداد محدودی از ژنوم‌های در دسترس فعلی استوارند که محتویات ژنی آن‌ها بین گونه‌ها و شاخه‌های هولوزوا تک‌سلولی به‌طور قابل‌توجهی متفاوت است [41,42,97]. انتظار می‌رود که با در دسترس قرار گرفتن داده‌های ژنومی بیشتر برای هولوزواهای تک‌سلولی در سال‌های آینده، جعبه‌ابزار ژنتیکی آخرین نیای تک‌سلولی جانوران به‌طور دقیق‌تری روشن شود.

2.1.2. جعبه‌ابزار ژنتیکی آخرین نیای مشترک جانوران
جعبه‌ابزار ژنتیکی LCA جانوری می‌تواند با مقایسهٔ ژنوم‌های جانوران موجود بازسازی شود. با این حال، مقایسهٔ بین جانوران موجود و هولوزواهای تک‌سلولی نیز می‌تواند بینش‌های ارزشمندی برای بازسازی ویژگی‌های ژنومی LCA جانوری فراهم کند [33,34,95]. به‌طور خاص، ویژگی‌هایی که بین هولوزواهای تک‌سلولی و جانوران مشترک است و به‌نقش نیای تک‌سلولی نهایی جانوران برمی‌گردد (بخش 2.1.1)، می‌تواند به‌عنوان حضور در LCA جانوری استنتاج شود (شکل 2). برای مثال، کادهرین‌ها (مولکول‌های میان‌سلولی) در ژنوم‌های چندین هولوزوا تک‌سلولی یافت می‌شوند. این شامل ژن‌های کلیدی میان‌سلولی سلول‌های جانور، مانند پروتئین‌های حاوی دامنهٔ کادهرین یا لکین‌های نوع C است که در چوآنوفلاژلات‌ها حضور دارند و توزیع پراکنده‌ای در سایر هولوزواها دارند [84,97,105,124,125]. اینتگرین‌ها و پروتئین‌های اسکافولد مرتبط، که میان‌سلولی بودن سلول‌های جانور با ماتریکس خارج‌سلولی را میان‌سلولی می‌کنند، در فیلاسترئان‌ها، ایچتیوسپورئان‌ها، C. limacisporum، S. multiformis و T. unikontum حضور دارند [26,84,97,98,103,126]. برخی گونه‌های چوآنوفلاژلات نیز زیرمجموعهٔ کوچکی از سیستم چسبندگی اینتگرین را دارند [97,98,103]. علاوه بر این، پروتئین‌های دیگر بازسازی ساختاری، مانند فاسین یا Ezrin–Radixin–Moesin و برخی عناصر لامینای پایه (یعنی کلاژن، لامینین و فیبرونکتین) در چندین گونهٔ هولوزوا تک‌سلولی وجود دارند [84,98,106]. چوآنوفلاژلات‌ها و T. unikontum همچنین چندین دامنه با تمایل به خانواده‌های دامنهٔ Ig‑مانند جانوران را کد می‌کنند [41,84,97]. به‌طور کلی، این نشان می‌دهد که چندین ژن از دستگاه چسبندگی سلولی جانور پیش از آخرین نیای تک‌سلولی جانوران وجود داشته‌اند (شکل 2a).

ویژگی‌های دیگر که بین هولوزواهای تک‌سلولی و برخی شاخه‌های جانوری به‌خوبی حفظ شده‌اند اما در برخی جانوران اولیه غایب هستند، می‌توانند به‌نقش LCA جانوری برگردند [33,123]. برای مثال، خانوادهٔ کادهرین hedgling استنتاج می‌شود که در آخرین نیای تک‌سلولی جانوران حضور داشته است، زیرا در ژنوم‌های برخی چوآنوفلاژلات‌ها، اسفنج‌ها و نیداریان‌ها یافت می‌شود (شکل 2a) [33,41,42,138,139] اما در کتنوفرها، پلاکوزوان‌ها و بی‌طرفان غایب است [33,105,138,139]. به‌طور مشابه، گیرنده‌های Toll‑like در چندین گونهٔ چوآنوفلاژلات یافت می‌شوند و در تقریباً تمام بی‌طرفان و نیداریان‌ها حضور دارند اما در پلاکوزوان‌ها و کتنوفرها غایب هستند و در اسفنج‌ها به‌صورت ناقص (یعنی ساختارهای دامنه‌ای جزئی) هستند [97,140,141].

در نهایت، ویژگی‌هایی که به‌طور انحصاری بین بی‌طرفان و نیداریان‌ها مشترک هستند اما در هولوزواهای تک‌سلولی غایب‌اند، می‌توانند به‌عنوان حضور در LCA جانوری استنتاج شوند. این ویژگی‌ها می‌توانند به‌عنوان نوآوری‌های کلیدی جانور در نظر گرفته شوند و به شناسایی مجموعهٔ ژن‌ها و مکانیزم‌هایی که برای پشتیبانی از اصول چندسلولی بودن جانور تکامل یافته‌اند، کمک می‌کنند. به‌طور شگفت‌انگیزی، بیشتر این ژن‌ها در عملکردهای بایندینگ DNA، مسیرهای سیگنال‌دهی و ایمنی ذاتی، همچنین چسبندگی سلولی و تنظیم سیتوکال‌اسکلت غنی هستند [34,97,110]. برای مثال، نوآوری کلیدی جانور شامل ظهور چندین کلاس جدید از TFها است [102,110,133]. برخی از این کلاس‌های جدید TF شامل ETS، SMAD، گیرنده‌های هسته‌ای، Doublesex و TFهای تنظیمی اینترفرون هستند [110,133]. به همان اندازه، سایر خانواده‌های TF که در طول ساقه جانوری گسترش یافتند (به جعبه 1 مراجعه کنید) توانایی‌های تنظیمی اولین جانوران را به‌طرز چشمگیری افزایش دادند. این شامل اعضای خانوادهٔ TF هومئو بوکس، مانند Pax، Sox، خانوادهٔ هلیک‑لوب‑هلیک پایه و خانوادهٔ TF زینک‑فینگر است [110,133]. بنابراین، پایه‌های جعبه‌ابزار TF جانوری پیش از این در LCA جانوری یکپارچه شده بودند (شکل 2b).

اجزاء مسیرهای کلیدی سیگنال‌دهی نیز در طول ساقه جانوری ظاهر شدند و استنتاج می‌شود که در LCA جانوری حضور داشته‌اند. اولین مثال شامل مسیر سیگنال‌دهی Wnt است که ارتباط سلول‑به‑سلول، همکاری، تخصصی‌سازی و قطبیت را در طول توسعهٔ جانوران هماهنگ می‌کند. برای مثال، frizzled، dishevelled و β‑ و δ‑catenins استنتاج می‌شود که در LCA جانوری حضور داشته‌اند. برخی از این اعضا در لاروهای اسفنج، در طول توسعهٔ نیداریان و در چندین ساختار اسفنج‌های بالغ و کتنوفرهای بالغ بیان می‌شوند [136,141–145]. دیگران فقط در چند تاکسون مشتق‌شدهٔ بسیار پیشرفته حضور دارند [146,147]. مسیر سیگنال‌دهی توسعه‌ای TGF‑β که در ریشهٔ متازوا ظاهر شد، نیز استنتاج می‌شود که در LCA جانوری حضور داشته است. اگرچه اجزای هسته‌ای آن توزیع پراکنده‌تری بین شاخه‌ها و گونه‌ها در درخت جانور دارد، اما استنتاج می‌شود که در LCA جانوری حضور داشته است [20,22,141]. به‌طور مشابه، بسیاری از مسیرهای سیگنال‌دهی جانوری دیگر که در طول ساقه جانوری گسترش یافتند (از جمله آن‌هایی که برای الگو‌سازی در بی‌طرفان و ایمنی ذاتی مسئول هستند) در شاخه‌های اولیه جانوران حضور دارند، اگرچه در برخی گونه‌ها به‌صورت ناقص توزیع می‌شوند [34,141,148]. برای مثال، شواهد فراوانی از اجزای ایمنی ذاتی در شاخه‌های مختلف جانوران، از گیرنده‌های Toll‑like و Ig تا TFها و سیستم مکمل در اسفنج‌ها و نیداریان‌ها وجود دارد [140,141,149–151]. بنابراین، LCA جانوری قبلاً مجموعهٔ غنی از ژن‌های مرتبط با مسیرهای کلیدی سیگنال‌دهی جانور را در خود داشته است. این اکتساب‌های خاص جانور، به‌ویژه مرتبط با اعضای مسیرهای Wnt و TGF‑β، به‌عنوان نشانه‌های توسعهٔ جانور و به‌دست‌آوردن چندسلولی بودن پایدار شناخته می‌شوند [34,97,143,145,152].

چندین ژن مرتبط با چسبندگی سلول‑به‑سلول و تنظیم سیتوکال‌اسکلت نیز در آغاز متازوا ظاهر شدند و استنتاج می‌شود که در LCA جانوری حضور داشته‌اند. این‌ها شامل Dystroglycan، Hemicentin، Fermitin [97] و ژن چندمنظورهٔ Espin (شکل 2b) هستند [153,154]. سایر اجزاء مرتبط با اتصال‌های adherens و عملکردهای قطبیت سلولی به‌خوبی در اسفنج‌ها حفظ شده‌اند [105,136,155] در حالی که همسان‌های آن در کتنوفرها غایب هستند [156].

در نهایت، ویژگی‌هایی که در هولوزواهای تک‌سلولی غایب هستند و در اکثر جانوران غیربی‌طرف نیز غایب‌اند، استنتاج آن‌ها به‌عنوان حضور در LCA جانوری دشوارتر است [33,35]. برای مثال، بازسازی ژن‌های بحرانی برای توسعه و فیزیولوژی سیستم عصبی [37,39,40,94] یک مثال است. جالب است که برخی ژن‌های مرتبط در اسفنج‌ها حضور دارند، علیرغم عدم وجود سیستم عصبی آشکار در این گروه [136,141]. برعکس، کتنوفرها ناقصیت‌های نوردهی‌های کلاسیک سیستم عصبی را که در سایر جانوران وجود دارد، نشان می‌دهند و برخی نویسندگان فرض می‌کنند که تکامل عصبی به‌صورت موازی در این شاخه رخ داده است [39,40]. با این حال، برخی مشاهدات نشان می‌دهند که جانوران اولیه می‌توانستند از این «سیستم عصبی ساده‌تر» برای انتقال اطلاعات درباره میکروبیوم خود استفاده کنند [157,158]، که ریشهٔ مشترکی از پایه‌های سیستم عصبی و ایمنی در سطح عملکردی دارد. الگوی پراکنده مشابهی در ژن‌های مرتبط با توسعهٔ لایه‌های جنینی مشاهده می‌شود. کتنوفرها بافت مزودرمال مستقل دارند، اگرچه ژن‌های کلیدی مشخصهٔ مزودرم بی‌طرفان را ندارند [20,22,159]. این نشان می‌دهد که مکانیزم‌های تنظیمی لازم برای ایجاد سرنوشت‌های اولیه در لایه‌های سلولی (مانند سلول‌های عضلانی در مزودرم خاص کتنوفر) پیش از ظهور بی‌طرفان وجود داشته‌اند. اگر کتنوفرها را به‌عنوان قدیمی‌ترین شاخهٔ جانوری در نظر بگیریم، این مکانیزم‌ها احتمالاً در LCA جانوری حضور داشته‌اند. بنابراین، اگرچه ریشهٔ سیستم عصبی و فرآیندهای توسعه‌ای هنوز مبهم است، جعبه‌ابزار مرتبط ممکن است در شکل ساده‌تری در LCA جانوری وجود داشته باشد و بعدها در شاخه‌های مختلف در طول تنوع‌پذیری جانور به‌صورت تخصصی و پیچیده‌تر تکامل یافته باشد.

به‌طور کلی، ظهور و گسترش TFهای کلیدی و اعضای چندین مسیر سیگنال‌دهی (مانند Wnt و TGF‑β)، همچنین تکامل عناصر مرتبط با ایمنی ذاتی، توسعه و چسبندگی سلولی، اکتساب‌های بحرانی بودند که در LCA جانوری شکل گرفتند. این سیستم‌ها ممکن است به‌پایه‌گذاری اصول الگو‌گذاری محوری و به‌دست‌آوردن چندسلولی بودن پایدار در جانوران کمک کرده باشند.

2.1.3. نیروهای اصلی شکل‌دهنده به تکامل ژنوم‌های جانوران
کدام مکانیزم‌های تکاملی اصلی شکل‌دهنده به تکامل ژنوم‌های جانوران در طول انتقال از تک‌سلولی به چندسلولی بوده‌اند؟ پیش‌تر، نوآوری برخی ژن‌های کلیدی برای چندسلولی بودن جانور به‌عنوان مهم‌ترین نیروی راننده برای ریشهٔ جانوران در نظر گرفته می‌شد. و واقعاً، تعداد نسبتاً زیادی از خانواده‌های ژنی جدید (حدود ۲۰۰۰) که در فرآیندهایی که جانوران را از سایر شاخه‌ها متمایز می‌کند، در خط ساقه جانوران بوجود آمدند [34,42,44,97,160]. با این حال، تنها حدود ۲ % از این خانواده‌های ژنی در تمام شاخه‌های جانوری حفظ شده‌اند، که نشان می‌دهد بیشتر ژن‌های بوجود آمده در LCA جانوری به‌صورت ثانویه در شاخه‌های موجود از دست رفته‌اند [34,97]. برخی مطالعات برآورد می‌کنند که نرخ نوآوری ژنی در یا بلافاصله پیش از LCA جانوری بزرگ‌تر از نقاط دیگر ساقه جانوران بوده است. این نشان می‌دهد نرخ تولد ژن در آغاز جانوران بالا بوده و به‌تدریج با تنوع‌پذیری جانوران به شاخه‌ها کاهش یافته است [34,161]. مطالعات دیگر تقریباً تعداد مساوی از افزوده‌ها و حذف‌ها را برآورد می‌کنند و شواهدی برای انفجار گسترش خانواده‌های ژنی در ساقهٔ نیای تک‌سلولی جانوران (جعبه 1) و یک چرخش شتاب‌دار (یعنی هم افزوده‌ها و هم حذف‌ها، نه فقط افزوده‌ها) از خانواده‌های ژنی که بعدها در طول ساقهٔ متازوا تکامل یافتند، پیدا می‌کنند [97,162]. در واقع، تعداد مشابهی از حذف و افزوده‌های ژنی در جانوران نسبت به رده‌های تک‌سلولی آن‌ها شناسایی می‌شود که عمدتاً مسیرهایی مانند سنتز اسیدهای آمینه و حسگری اسموز را تحت تأثیر قرار می‌دهد [34,97]. این به‌نقض بالای ژن‌ها و پتانسیل برای افزایش پلاستیک ژنومی در طول تنوع‌پذیری جانوران اشاره دارد، که نشان می‌دهد مقدار قابل‌توجهی از حذف ژن و نوآوری ژنی به‌سازماندهی ترکیب ژنوم جانوران کمک کرده است [34,97,161,163–165].

همان‌طور که در بخش‌های قبلی بحث شد، تحلیل‌های ژنومیک هولوزواهای تک‌سلولی نشان داده‌اند که آن‌ها واقعاً مجموعهٔ غیرمنتظره‌ای از ژن‌های مرتبط با چندسلولی بودن را با جانوران به اشتراک می‌گذارند؛ بنابراین این ژن‌ها استنتاج می‌شود که هم در آخرین نیای تک‌سلولی جانوران و هم در LCA جانوری حضور داشته‌اند (شکل 2) [24–26,41,42,44,45,97,98,100–104]. برای مثال، تقریباً یک‌چهارم ژن‌های مشترک بین جانوران و رده‌های تک‌سلولی آن‌ها قبلاً در LCA Opisthokonta یا در ریشهٔ هولوزوا (شکل 1a و جعبه 1) به‌دست آمده‌اند. این نشان می‌دهد که هم‌پذیری این ژن‌های پیشین برای انجام عملکردهای جدید یا تخصصی یک نیروی مهم برای ریشهٔ جانوران بوده است [24,25,41,42,44,45,97,102,125,166].

تغییرات در محتویات ژنی که در بالا ذکر شد، تا حدی توسط دو گسترش بزرگ ژنوم که به گسترش و تنوع خانواده‌های ژنی در جانوران کمک کردند، تسهیل شد [161]. گسترش و تنوع خانواده‌های ژنی به‌ویژه منجر به تغییر در توانایی‌های تنظیمی جانوران شد [34,97,110,133]. برای مثال، چندین کلاس TF نیز گسترش یافتند تا در آغاز متازوا خانواده‌های جدیدی شکل بگیرند (به بخش 2.1.2 مراجعه کنید) [102,110,133]. این گسترش TFها از نظر کلاس‌ها و خانواده‌ها منجر به بازسیم‌سازی و یکپارچه‌سازی برخی شبکه‌های تنظیمی هسته‌ای پیشین به برنامه‌های تنظیمی پیچیده‌تر در طول تکامل جانوران شد [100,133]. به‌طور موازی، تکامل ژن‌های غیرکدینگ و مکانیزم‌های اپی‌ژنتیک جدید، مانند ظهور پروموترهای توسعه‌ای و عناصر تقویت‌کنندهٔ دوری، همچنین پیچیدگی تنظیمی cis‑را در خط ساقهٔ جانور افزایش داد [100]. در نهایت، سطح دیگری از پیچیدگی تنظیمی ترانسکریپتومیک، شامل رویدادهای اسپلایسینگ جایگزین، اسپلایسینگ اسکیپ یا نگهداری اینترون‌ها [24,167]، نیز به منابع نوآوری ترانسکریپتومیک جدید کمک کرد [24,168–171].

به‌طور کلی، تکامل ژنوم‌های جانوران از یک نیای تک‌سلولی با ترکیبی از خانواده‌های ژنی باستانی و ژن‌های تازه‌تکامل یافته در خط ساقهٔ جانور امکان‌پذیر شد، که توسط توزیع نامتعادل افزوده و تکثیر ژن، حذف گستردهٔ خانواده‌های ژنی، هم‌پذیری ژن، گسترش خانواده‌های ژنی و زیرعملکردی (به‌ویژه چندین TF کلیدی) شکل گرفته است. ظهور GRNهای جدید (به‌ویژه عناصر تنظیمی دوری مانند تقویت‌کننده‌ها و تغییرات ساختاری کروماتین) سپس مکانیزم کلیدی برای تکامل ژنوم‌های جانوران از یک نیای تک‌سلولی بود [24,25,34,41,42,44,45,97,100,102,110,125,136,161,166,172–174].

2.2. بازسازی ویژگی‌های زیستی آخرین نیای تک‌سلولی جانوران و آخرین نیای مشترک جانوران

2.2.1. سبک‌های زندگی محتمل آخرین نیای تک‌سلولی جانوران
علاوه بر تحلیل‌های ژنومی، مقایسهٔ ویژگی‌های زیستی هولوزواهای تک‌سلولی نیز می‌تواند بازسازی جامع‌تری از پایه‌های سلولی آخرین نیای تک‌سلولی جانوران فراهم کند. در سال‌های اخیر، سبک‌های زندگی و زیست‌شناسی سلولی چندین گونهٔ هولوزوا تک‌سلولی در سطح ترانسکریپتومیک و مورفولوژیکی توصیف شده‌اند [24–26,42,45,51,70,84,96–99,175–180]. به‌طور شگفت‌انگیز، هر شاخهٔ هولوزوا تک‌سلولی ویژگی‌های منحصربه‌فرد و متمایزی دارد که درک ما از طبیعت زیستی آخرین نیای تک‌سلولی جانوران را تغییر داده است.

به‌عنوان مثال، چوآنوفلاژلات‌ها به‌طور گسترده‌ای در سراسر جهان در محیط‌های عمدتاً آبی توزیع می‌شوند [89,181–186]. اگرچه عمدتاً پرچم‌دار تک‌سلولی هستند، برخی گونه‌ها، مانند Salpingoeca rosetta، قادر به تشکیل ساختارهای چندسلولی ساده از سلول‌های ثابت‌چسبنده به‌عنوان نتیجهٔ تقسیم سلولی جهت‌دار از یک سلول بنیانگذار هستند (شکل 3a، جعبه 1) [61,187]. تحت شرایط خاص، سلول‌های پرچم‌دار S. rosetta همچنین می‌توانند به‌صورت ترانس‌دفرنسیه به سلول‌های آمئوبی تبدیل شوند [192]. گونه‌های دیگر، مانند Choanoeca flexa که به‌تازگی توصیف شده است، قادر به تشکیل کلونی‌های بزرگ به‌صورت فنجانی هستند (شکل 3b) [96]. به‌ویژه، این کلونی‌ها به‌صورت معکوس و قابل‌بازگشت انحنای خود را در پاسخ به نور از طریق مسیر rhodopsin‑cGMP تغییر می‌دهند که رفتار مشابهی با حرکت همزمان و مورفوجنز در جانوران نشان می‌دهد [96].

فیلاسترئان‌ها در آب‌های شیرین، شور و محیط‌های مرتبط با جانوران یافت می‌شوند [25,26,50,55,64–68,70,71]. مانند چوآنوفلاژلات‌ها، برخی گونه‌های فیلاسترئان قادر به تشکیل ساختارهای چندسلولی ساده هستند. اما، برخلاف کلونی‌های کلونال یافت شده در چوآنوفلاژلات‌ها، این‌ها از طریق تجمیع فعال سلول‌های مستقل شکل می‌گیرند (شکل 3c,d، جعبه 1) [26,67,98]. بهترین گونه توصیف‌شده، Capsaspora owczarzaki، دارای سه مرحلهٔ زندگی مختلف، از جمله یک مرحلهٔ تجمیعی است؛ این مراحل در سطوح ترانسکریپتومیک، پروتئومیک و فسفوروتیومیک به‌طور متفاوت تنظیم می‌شوند (شکل 3c) [65,98,100,101]. دیگران، مانند گونه‌های Pigoraptor، به‌طور مورفولوژیکی بسیار انعطاف‌پذیر هستند و می‌توانند از مراحل آمئوبی و آمئوبوفلاژلات به سست‌ها و تجمیعات سلولی تبدیل شوند (شکل 3d) [26,70].

ایچتیوسپورئان‌ها در روابط همزیستی، متقابل‌سازشی یا پارازیتی با جانوران آبزی (هر دو آب شیرین و شور) و زمینی یافت می‌شوند. بیشتر آن‌ها مستقیماً از بافت‌های مختلف جانوران، به‌ویژه روده‌های نرم‌تنان و آرتمیزها، جدا شده‌اند [73,76–79]. برخی گونه‌ها فنوتیپ‌های متمایزی نشان می‌دهند، مانند پوستیدهای متحرک، ساختارهای هیفیال یا پلاسمودیال [76]. ایچتیوسپورئان‌ها همچنین یک حالت توسعه‌ای به‌طور گسترده حفظ‌شده دارند که شامل کوئنوست‌های کروی یا بیضی شکل چندهسته‌ای بزرگ است که گاهی چندین پروپروگل‌های کروی یا آمئوبی‌های متحرک شکل لیماکس‑شکل را از طریق سلول‌سازی هسته‌های داخلی آزاد می‌کند (شکل 3e,f) [76–78,99,180,193]. به‌طور جالب، حداقل یکی از این گونه‌ها به‌نظر می‌رسد لایهٔ قطبی‌شده‌ای از سلول‌ها را به‌صورت خودسازمانده در طول سلول‌سازی ایجاد می‌کند (شکل 3f) [180].

اعضای گروه Corallochytrea/Pluriformea و T. unikontum نیز رفتارها و حالت‌های توسعه‌ای پیچیده‌ای نشان می‌دهند که گاهی شبیه آنچه در ایچتیوسپورئان‌ها و فیلاسترئان‌ها مشاهده می‌شود. برای مثال، C. limacisporum، یک اوسموتروف آزاد‌زیست کوچک کروی است که ابتدا از صخره‌های مرجانی دریایی جدا شده است و یک حالت توسعه‌ای پیچیده (شکل 3g) دارد که هنوز به‌طور کامل حل نشده است [25,83]. معمولاً سلول‌ها تقسیم دوتایی می‌کنند اما گاهی تقسیم سلولی به‌صورت رشد کوئنوستیک رخ می‌دهد که پس از آن پروپروگل‌ها یا آمئوبی‌های لیماکس‑شکل آزاد می‌شوند، مشابه ایچتیوسپورئان‌ها (شکل 3g) [83,191]. Syssomonas multiformis یک پرچم‌دار شکارچی آب شیرین است که بر روی طعمه‌های بزرگ یوکاریوتیک تغذیه می‌کند [26,70]. مشابه فیلاسترئان Pigoraptor، این گونه نیز یک حالت توسعه‌ای پیچیده دارد که شامل آمئوبوفلاژلات، سلول‌های آمئوبی، سلول‌های شناور متحرک، سست‌های کروی و گاهی خوشه‌های چندسلولی است (شکل 3h) [26,70]. در نهایت، T. unikontum یک پرچم‌دار شکارچی آزاد‌زیست دریایی است که همچنین بر روی طعمه‌های یوکاریوتیک تغذیه می‌کند [84]. علاوه بر شکل پرچم‌دار، سلول‌های تنها به‌طور موقت در خوشه‌های پرچم‌دار یا غیرپرچم‌دار تجمیع می‌شوند همان‌طور که در S. multiformis یا فیلاسترئان‌های Pigoraptor مشاهده می‌شود [84].

این تنوع فنوتیپی مشاهده‌شده در هر شاخهٔ هولوزوا تک‌سلولی، و شواهدی از انتقال‌های مرحلهٔ زندگی به‌طور موقت تنظیم‌شده در میان برخی از نمایندگان آن‌ها [42,45,98,100]، نشان می‌دهد که وضعیت تک‌سلولی نیاکی احتمالاً نسبتاً انعطاف‌پذیر بوده است، نه یک موجود تک‌سلولی ساده (شکل 4a) [95,123]. آخرین نیای تک‌سلولی جانوران احتمالاً می‌توانست تحریکات محیطی را حس کند و با انتقال به مراحل سلولی مختلف پاسخ دهد (شکل 4a,b). چرخهٔ زندگی آن می‌توانست شامل یک مرحلهٔ ساکن فیلتر‑غذایی یا هتروتروفیک متمایز (احتمالاً باکتری‌خوار) و یک مرحلهٔ تکثیری، احتمالاً شامل فرم‌های پراکنده، باشد. همچنین می‌توانست شامل سست‌ها یا فرم‌های مقاومتی و حداقل یک مرحلهٔ چندسلولی باشد. این مراحل سلولی متمایز می‌توانستند از طریق برنامه‌های تنظیمی ژنی زمانی که به نوبهٔ خود انتقال‌های مرحلهٔ زندگی را کنترل می‌کرد، تنظیم شوند. بنابراین، داده‌های جمع‌آوری‌شده از رده‌های تک‌سلولی نزدیک به جانوران نشان می‌دهد که آخرین نیای تک‌سلولی جانوران احتمالاً یک چرخهٔ زندگی پیچیده با ادغام هویت‌های سلولی موقت مختلف یا حالت‌ها داشته و احتمالاً شامل یک حالت چندسلولی با همزیستی فضایی انواع سلول‌های مختلف لابیل بوده است. مطالعات آینده بینش‌های عمیق‌تری دربارهٔ این‌که آیا تنظیم زمانی این انواع سلول‌های لابیل یا مراحل مختلف در آخرین نیای تک‌سلولی می‌توانست به‌تدریج به تمایز فضایی‑زمانی انواع سلولی در خط ساقهٔ جانور تبدیل شود، فراهم می‌کند. در واقع، تلاش‌های اخیر و جاری در حال بررسی این هستند که آیا ساختارهای چندسلولی مشاهده‌شده در گونه‌های مختلف هولوزوا تک‌سلولی توسط سلول‌های متمایز در آن مراحل چندسلولی (در سطح مورفولوژیکی و ژنتیکی) تشکیل می‌شوند یا خیر ([188,189,191]; S. R. Najle 2021، ارتباط شخصی). اگر این‌طور باشد، نشان می‌دهد که انواع سلولی فضایی‑زمانی ممکن است در آخرین نیای تک‌سلولی جانوران حضور داشته باشند.

نگاه فعلی ما به تغییرات مهم در ریشهٔ جانوران. (a) آخرین نیای تک‌سلولی جانوران احتمالاً چرخهٔ زندگی شامل مراحل مختلفی که به‌صورت زمانی تنظیم می‌شوند، از جمله یک مرحلهٔ تولیدمثل جنسی و حداقل یک مرحلهٔ چندسلولی، داشته است. (b) سلول‌های داخل این ساختار چندسلولی می‌توانستند به تحریکات محیطی مختلف پاسخ دهند به‌دلیل مجموعهٔ پیچیده‌ای از مولکول‌های سیگنال‌دهی و شبکه‌های تنظیم ژنی (GRN)، به‌سوی مراحل سلولی لابیل انتقال یابند. (c) این موجود چندسلولی ممکن است توانایی ادغام اطلاعات موقعیتی از درون ساختار را داشته باشد اما الگوی محوری/موقعیتی نداشته باشد. (d) انتقال به ریشهٔ جانوران احتمالاً شامل برخی تغییرات در این چرخهٔ زندگی بود که پیش از زمان LCA جانوری (LCA) حضور داشت. (e) سلول‌های داخل ساختار چندسلولی توانستند با استفاده از ابزارهای مورفوجنتیک (مانند لیگاندها، گیرنده‌ها و GRNها) (d′) اطلاعات فضایی را از درون موجود ادغام کنند که سازماندهی فضایی انواع سلولی (d″) را امکان‌پذیر ساخت. همزمان، این برنامهٔ توسعه‌ای با برنامهٔ تولیدمثل جنسی ترکیب شد، به‌طوری که ترکیب گامت‌ها می‌توانست تشکیل یک ساختار چندسلولی را از طریق تقسیم سریالی تحریک کند. (f) توانایی بیشتر برای ایجاد انواع سلولی مختلف مستقل از محیط به ظهور برنامه‌های مورفوجنتیک ابتدایی، شامل الگوهای موقعیتی ساده (مانند محور اولیه) که در آن انواع سلولی به نواحی مختلف موجود محلی می‌شوند (الگوی محوری/موقعیتی) منجر شد. شایان ذکر است که تصاویری که در اینجا ارائه شده‌اند صرفاً نمایانگر مفاهیم کلی هستند و ما به‌هیچ‌وجه موضعی در مورد جزئیات خاص، مانند ساختار واقعی چرخه‌های زندگی، تعداد سلول‌ها، ژن‌ها، مولکول‌ها و GRNهای درگیر، الگوی محوری یا جزئیات مورفولوژیکی این موجودات اتخاذ نمی‌کنیم.

2.2.2. سبک‌های زندگی محتمل آخرین نیای مشترک جانوران
تحلیل‌های مقایسه‌ای بین هولوزواهای تک‌سلولی و جانوران همچنین به ما اجازه می‌دهد ویژگی‌های زیستی و بوم‌شناختی LCA جانوری را بازسازی کنیم. در این حالت، ویژگی‌هایی که استنتاج می‌شود در LCA جانوری حضور داشته‌اند شامل صفات پیش‌بینی‌شده‌ای هستند که در طول ساقهٔ جانور تکامل یافته‌اند. برای مثال، LCA جانوری احتمالاً آبزی بوده و ویژگی چندسلولی کلونال اجباری را داشته است [122,123]. به‌طور مهم، LCA جانوری احتمالاً ارتباط سلول‑به‑سلول‑مبنی بر همکاری، تخصصی‌سازی و قطبیت را نشان می‌داد که توزیع فضایی کار را بین سلول‌های مختلف هم‌زیست امکان‌پذیر می‌ساخت. هر نوع سلول (جعبه 1) برای انجام نقش متفاوتی در کل موجود زنده تخصصی شده بود، با ویژگی‌های مولکولی مشابه آنچه در انواع اصلی سلول‌های جانوران امروزی مشاهده می‌شود [122]. برای مثال، هر نوع سلول همچنین مجموعهٔ خاصی از ژن‌های بیان‌شده در فرآیندهای مختلف (مانند انقباض، ترشح، سیگنال‌دهی و دریافت) را داشته و توسط برنامه‌های ژنتیکی به‌خوبی تعریف‌شده (مجموعه‌ای از TFها و سایر مکانیزم‌های تنظیمی خاص) تنظیم می‌شد. این نشان می‌دهد که برخی ژن‌ها توسط برخی انواع سلول‌ها بیان می‌شوند اما توسط دیگران نیستند (یعنی هر نوع سلول تعداد محدودی از ژن‌های کدشده در ژنوم را بیان می‌کند). تقسیم‌بندی ژنوم به ماژول‌های عملکردی که توسط انواع سلول مختلف دسترسی دارند، بازتابی از افزایش مکانیزم‌های تنظیمی برای تعیین سرنوشت‌های سلولی متنوع است [38].

از بازسازی محتوای ژنی نیاکان قبلی، می‌توانیم پیش‌بینی کنیم که LCA جانوری چسبندگی سلول‑به‑سلول با استفاده از کادهرین‌ها، چسبندگی سلول‑به‑ماتریکس خارج‌سلولی از طریق پروتئین‌های مرتبط با اینتگرین، و حرکت جمعی هماهنگ توسط انقباض سلولی را داشته است [123]. همچنین توانایی حس کردن محیط، ارتباط بین سلول‌ها از طریق مسیرهای شبیه سیناپس و استفاده از لایه‌ای شبیه اپی‌تلیوم برای بخشی از شکار باکتری یا طعمه‌های یوکاریوتیک به‌عنوان منبع غذایی را داشته است [122,123]. علاوه بر این، احتمالاً به‌صورت جنسی با استفاده از اسپرم و تخم تولیدمثل می‌کرد، بنابراین گامت‌های متمایز را از طریق اسپرما‌توژنز و اوگوژنز (یعنی اوگامی) تفکیک می‌کرد [122,123]. در نهایت، LCA جانوری احتمالاً فرم‌هایی از فرآیندهای توسعه‌ای از طریق مکانیزم‌های تقسیم سلولی، تمایز سلولی و فرو رفتگی که در تمام جانوران حضور دارد، داشته است [122,123]. چنین تنوعی از انواع سلول و سازماندهی پیچیده به‌نوبهٔ خود توسط مجموعه‌ای متنوع از TFها و ماشین‌آلات اپی‌ژنومیک شامل تنظیم دوری تنظیم می‌شد، و گام‌های اولیه توسعه احتمالاً شامل سیگنال‌سازی هماهنگ از طریق اعضای مسیرهای Wnt و TGF‑β بود، که مسیر را برای توزیع فضایی کار بین سلول‌های هم‌زیست هموار می‌کرد. بنابراین می‌توان نتیجه گرفت که LCA جانوری پیشاپیش غنی از انواع سلولی بود که برخی از پایه‌های سلولی خود را با آنچه در گونه‌های امروزی یافت می‌شود، به اشتراک می‌گذاشت.

3. نگاه فعلی ما به ریشهٔ جانوران
بازسازی به‌روزشدهٔ ویژگی‌های ژنومی و زیستی هر دو آخرین نیای تک‌سلولی جانوران و LCA جانوری به ما اجازه داده است تا ویژگی‌های کلیدی و نیروهای اصلی شکل‌دهنده به تکامل جانوران را شناسایی کنیم. در گذشته، این شناسایی به‌دلیل اطلاعات محدود دربارهٔ روابط تکاملی جانوران و سایر یوکاریوت‌ها محدود بود. برای مثال، مطالعات کلاسیک جانوران را با ارگانیسم‌های تک‌سلولی مانند مخمر مقایسه می‌کردند و ویژگی‌های غایب از مخمر را به‌عنوان احتمالا کلیدی برای ریشهٔ جانوران معرفی می‌کردند [194,195]. اکنون می‌دانیم که چنین رویکردی به‌دلیل فاصله‌های تکاملی طولانی جداکننده این شاخه‌ها بسیار نامناسب بود. در سال‌های اخیر، این دیدگاه به‌تدریج با مطالعهٔ نزدیک‌ترین رده‌های تک‌سلولی جانوران و مقایسهٔ آن‌ها با جانوران‌های اولیه شاخه‌دار، همان‌طور که در بخش‌های قبلی بحث شد، تغییر کرده است. علاوه بر این، مطالعات متعددی دانش ما را دربارهٔ محیطی که جانوران در آن ریشه یافتند و تنوع یافتند، افزایش داده‌اند. این مطالعات به ما اجازه داده‌اند تا زمینه و نیروهای اصلی که انتقال به چندسلولی بودن جانوران را پیش‌بردند، بازنگری کنیم.

3.1. زمینهٔ بوم‌شناختی انتقال
عوامل خارجی و محرک‌های بوم‌شناختی ممکن است به‌هم اندازه با تغییرات ژنومی در طول تکامل جانوران مهم باشند [34]. یک مثال، زمینهٔ بیوجئوشیمیایی که جانوران در آن ریشه یافتند و تنوع یافتند، است. برخی از محرک‌های بوم‌شناختی ممکن است شامل تغییرات در شیمی اقیانوس، مانند در دسترس بودن آهن و مس [196–201] یا رویداد بزرگ اکسیژن‌سازی که حدود ۷۰۰ Ma رخ داد [202] (اگرچه برخی نویسندگان استدلال می‌کنند که این رویداد به‌قدر کافی بحرانی نبوده است: [203,204]). به‌عنوان موجودات چندسلولی، ریشهٔ جانوران می‌توانست تحت تأثیر تمام مزایای ناشی از چندسلولی بودن نیز باشد. برای مثال، ظهور نیش‌های بوم‌شناختی جدید [205] و انتخاب برای چندسلولی بودن به‌عنوان راهی برای فرار از شکار نیز می‌توانستند نیروهای رانندهٔ احتمالی برای ریشهٔ جانوران باشند [206,207] (اما به‌همین ترتیب به‌منظور [208] نیز نگاه کنید).

زمینهٔ بوم‌شناختی ممکن است بر تکامل جانوران نیز تأثیر گذاشته باشد، مانند شکل‌گیری حالت‌های تغذیه‌ای جانوران و ویژگی‌های مورفولوژیکی [209]. برای مثال، جانوران در محیطی پر از باکتری‌ها و سایر یوکاریوت‌ها تکامل یافتند و در طول تاریخ تکاملی خود در ارتباط نزدیک با این موجودات زندگی کرده‌اند. در واقع، میکروبیوتای میزبانی می‌تواند در واقع توسعه و مورفوجنز روده را در جانوران تنظیم کند [157]. در این زمینه، بودن در یک رابطهٔ نزدیک با باکتری‌ها می‌توانست بر تکامل جانوران تأثیر بگذارد، زیرا نیاز به سیستمی برای ارتباط سلولی برای میزبانی همزیست‌ها و کمین‌دارها و یک سیستم دفاعی برای مقابله با پاتوژن‌های باکتریایی ایجاد می‌کرد. جالب است که تعاملات باکتریایی نیز در میان نزدیک‌ترین رده‌های تک‌سلولی جانوران، به‌ویژه در چوآنوفلاژلات‌ها مشاهده می‌شود. برای مثال، توسعهٔ گل‌گل در چوآنوفلاژلات S. rosetta به‌طور شناخته‌شده توسط یک سولو‌لیپید باکتریایی تحریک و تقویت می‌شود [42,61,177,187,210]. لیپیدهای باکتریایی همچنین سوئیچ‌های توسعه‌ای را تنظیم می‌کنند که هم فعال‌سازی و هم مهار تشکیل گل‌گل در S. rosetta را انجام می‌دهند [177]. این تنها مثال نیست که باکتری‌های محیطی نقش کلیدی در انتقال‌های مراحل زندگی آن‌ها ایفا می‌کنند، زیرا چرخهٔ جنسی S. rosetta نیز توسط یک چوندرویتیناز باکتریایی القا می‌شود [176–178]. جالب است که چرخهٔ جنسی S. rosetta توسط یک گونهٔ باکتریایی القا می‌شود که همچنین توسعهٔ نور‑ارگانیسم در یک ماهی مرکب را تنظیم می‌کند [211]. مطالعات متعدد دیگر در چوآنوفلاژلات‌های دیگر نقش تعاملات باکتریایی را برجسته می‌کند [179,212]. یک مثال Salpingoeca monosierra است، گونهٔ جدید چوآنوفلاژلات که اولین میکروبیوم شناخته‌شدهٔ چوآنوفلاژلات را دارد [213]. Salpingoeca monosierra کلونی‌های بزرگ‌تری با قطر بیش از ۱۰۰ µm (بیش از یک مرتبه بزرگ‌تر از آنچه توسط S. rosetta تشکیل می‌شود) تشکیل می‌دهد و حدود ۱۰ همزیست باکتری در یک کلونی را در خود جای می‌دهد [213]. به‌طور کلی، زمینهٔ بوم‌شناختی در طول تکامل جانوران نیز برای انتقال به چندسلولی بودن کلیدی بود. زندگی در محیطی پر از باکتری‌ها احتمالاً پایه‌های میکروبیوم‌های مرتبط با جانوران و ریشهٔ تعاملات جانوران با میکروارگانیسم‌ها را فراهم کرد.

3.2. ریشهٔ جانوران
علاوه بر زمینهٔ بوم‌شناختی، تعاریف قبلی زیستی جانوران شامل توانایی هماهنگی سلولی در سطح چندسلولی، حضور تمایز سلولی فضایی و برنامهٔ توسعه‌ای هماهنگ از یک سلول واحد بود. بنابراین، نظریه‌های توضیح ریشهٔ جانوران شامل به‌دست‌آوردن مکانیزم‌های لازم برای تولید ساختارهای چندسلولی شبیه اپی‌تلیوم است. مطالعات و مقایسه‌های بیشتر نشان داد که مکانیزم‌های پایه‌گذار این ویژگی‌ها احتمالاً در خط ساقهٔ جانوران توسعه یافته‌اند، با تکیه بر مسیرها و ویژگی‌های موجود در نیاکان تک‌سلولی آن‌ها [24,25,45,95,98,100,122,123]. بنابراین، برخی نظریه‌های بازنگری‌شده، به‌دست‌آوردن تنظیم فضایی را به‌عنوان یکی از عوامل اصلی ریشهٔ جانوران مطرح می‌کنند، در تضاد با تنظیم زمانی انواع سلولی که توسط رده‌های تک‌سلولی نزدیک آن‌ها نشان داده می‌شود [214,215].

ما در اینجا یک مرور به‌روزشده از تغییراتی که ممکن است کلید ظهور جانوران بوده باشند (شکل 4) ارائه می‌دهیم. برای شروع، به‌نظر می‌رسد ساختارهای چندسلولی با انواع سلولی لابیل مختلف که هم‌زیست می‌کردند، پیش از ریشهٔ جانوران حضور داشته‌اند. ما یک سناریوی اولیه از یک موجود نیاکی با یک انتولوژی پیچیده و تنظیم زمانی انواع سلولی موقت مختلف، همان‌طور که در Zakhvatkin [215] و بازنگری در Mikhailov [214] پیشنهاد شده است (شکل 4a–c) تصور می‌کنیم. هر مرحله شامل انواع سلولی مختلفی بود که از مسیرهای متمایز برای انجام نقش‌های خاصی مانند چسباندن به بستر، تغذیه، شناور و جفت‌گیری استفاده می‌کردند. یکی از این مراحل یک ساختار چندسلولی بود که احتمالاً از تقسیم کلونال منشا می‌گرفت و هم‌زیستی فضایی انواع سلولی غیرمتعهد را نشان می‌داد که توسط برنامه‌های ژنتیکی منحصر به‌فردی از ترانس‌دفرنسیه هدایت می‌شد (شکل 4b,c). در این مرحلهٔ چندسلولی زمانی، عملکردهای مختلف (تغذیه، حرکت و ترشح) به‌طور همزمان رخ می‌دادند زیرا توسط سلول‌های مختلف انجام می‌شدند. بنابراین، ما پیشنهاد می‌کنیم که تنظیم فضایی خود در آخرین نیای تک‌سلولی متازوا حضور داشته است.

در ادامه، ما دربارهٔ برخی جنبه‌هایی که ممکن است نقش کلیدی در ریشهٔ جانوران داشته باشند، بدون ترتیب خاصی، و همیشه در زمینهٔ پیچیدگی افزایشی که در این مرور بحث شد، حدس می‌زنیم.

3.2.1. نوآوری ژنومی افزایش‌یافته و هم‌پذیری عناصر پیشین
ریشهٔ جانوران با نوآوری ژنومی افزایش‌یافته همراه بود، شامل بسیاری از ژن‌های جدید، به‌سرعت تکامل‌یافته و سپس به‌طور گسترده حفظ‌شده که پروتئین‌های شناخته‌شده‌ای که در چندسلولی بودن جانور نقش تنظیمی دارند، کد می‌کردند: تنظیم ژن، سیگنال‌دهی، چسبندگی سلولی و تنظیم چرخه سلولی. با این حال، هم‌پذیری و تغییرات تنظیمی در عناصر پیشین موجود در هولوزواهای تک‌سلولی پایه‌های بیشتری برای گسترش و تنوع خانواده‌های ژنی فراهم کرد. این به نوبهٔ خود به لایهٔ بالاتری از تنظیم برای تعیین نوع سلولی در خط ساقهٔ جانور کمک کرد و احتمالاً نقش مهمی در رویدادهای زیر داشته است.

3.2.2. به‌دست‌آوردن تدریجی الگو‌گذاری محوری و هویت نوع سلولی
همان‌طور که پیش‌تر پیشنهاد شد، آخرین نیای تک‌سلولی جانوران ترکیبی از انواع سلولی لابیل در یک موجود واحد (شکل 4b,c) داشت [95]. با این حال، تحلیل‌ها تا کنون شواهد قاطعی نشان نداده‌اند که رده‌های تک‌سلولی نزدیک به جانوران ترتیب خاصی از انواع سلولی متمایز را هنگام تشکیل ساختار چندسلولی نشان می‌دهند. آخرین نیای تک‌سلولی جانوران احتمالاً می‌توانست به‌دلیل سیگنال‌ها و مکانیزم‌های تنظیم ژنی که در بالا بحث شد (شکل 4b,c) به محرک‌های محیطی در یک محیط متغیر پاسخ دهد. هم‌پذیری چنین ژن‌هایی برای سیگنال‌گذاری سلولی بین سلول‌های همسایه ممکن است منجر به توانایی ادغام اطلاعات موقعیتی از درون موجود شود. مسیرهای مورد نظر شامل فعال‌سازی پاسخ‌های قابل تنظیم، غیر‌دودویی، همانند مورفوجن‌های جانوری، و حداقل یک مکانیزم تنظیم ژنی برای تعیین فنوتیپ‌های مختلف می‌شود. یک کاندیدای محتمل می‌تواند مسیر سیگنال‌دهی Wnt/β‑catenin باشد که محور آن‑پستریور بدن را حتی در جانوران اولیه شاخه‌دار تنظیم می‌کند [142,144]. یک محور اولیه احتمالاً به‌عنوان نتیجهٔ جداسازی فضایی بین گروه‌های مختلف سلولی بوجود آمد. این محورهای اولیه می‌توانستند معماری هسته‌ای برای انواع سلولی مختلف فراهم کنند و ممکن است به شکل‌گیری برنامه‌های مورفوجنتیک ساده منجر شوند [95]. با این، هماهنگی فضایی سلول‌ها به‌طور مساوی مهم برای تعریف عملکردهای مختلف در موجود شد، نه فقط سلول‌های منفرد هم‌زیست.

ادغام انواع سلولی تنظیم‌شده به‌صورت زمانی و هم‌زیست می‌توانست به‌تدریج منطقه‌بندی عملکردها منجر شود که به نوبهٔ خود به ظهور برنامه‌های مورفوجنتیک (شکل 4d–f) کمک می‌کرد [95]. هویت سلولی انعطاف‌پذیر (و به‌نوبهٔ آن GRNها) کمتر به عوامل خارجی وابسته شد، که منجر به تعهدی جزئی به سرنوشت سلولی شد (شکل 4e). این ممکن است از طریق GRNها که بیشتر به سیگنال‌های درون‌سازمان وابسته شدند، رخ داده باشد و آزادی سلول برای پاسخ به محیط خود را از طریق ترانس‌دفرنسیه نادیده بگیرد. ظهور انواع سلولی اجازه می‌دهد تا انتخاب در سطح سلول‌های فردی در زمینهٔ تناسب جمعی عمل کند، که تنظیم دقیق‌تری از انتخاب درون‌گروه را تشکیل می‌دهد [216]. به‌طور ذاتی، ظهور ساختارهای چندسلولی ممکن است تفاوت‌های بین سلول‌ها در مناطق مختلف این موجود چندسلولی را تقویت کند [217]. بنابراین، انتقال به ریشهٔ جانوران احتمالاً شامل ادغام تدریجی GRNها و منطقه‌بندی تدریجی عملکردها بود که امکان ایجاد انواع سلولی فضایی هم‌زیست را فراهم می‌کرد.

3.2.3. ظهور برنامهٔ تنظیم ژنی ترکیبی باروری و توسعهٔ چندسلولی
جانوران انواع بسیار متمایزی از گامت‌ها تولید می‌کنند. ترکیب گامت‌ها قطبیت اولیه را تعیین می‌کند و برنامهٔ توسعه‌ای را در تخم‌های جانوری فعال می‌کند [218,219]، به این معنی که در مراحل اولیه تکامل جانور، می‌توانست به‌عنوان یک محرک اولیه برای تقسیم سلولی نامتقارن، تولید یک محور ابتدایی و ایجاد سرنوشت‌های سلولی عمل کند. در طول توسعه و در تمام طول زندگی جانور، سلول‌های جانوری می‌توانند در پاسخ به سیگنال‌های درون‌سازمان، ورود به چرخه سلولی را کنترل کنند. مجموعهٔ تنظیم‌کنندهٔ چرخه سلولی Capsaspora ویژگی‌هایی با جانوران به اشتراک می‌گذارد، از جمله TFهای مرتبط با تکثیر و زمان‌بندی بیان ژن‌های نقطه‌چک چرخه سلولی [100,220]. با این حال، هولوزواهای تک‌سلولی فاقد ژن‌های لازم برای تحریک پیشرفت چرخه سلولی در پاسخ به سیگنال‌های بیرونی در جانوران هستند [220–222]. تا کنون، ما از هیچ هولوزوا تک‌سلولی که تشکیل مرحلهٔ چندسلولی آن با ترکیب گامت‌ها مرتبط باشد، اطلاع نداریم. در نقطه‌ای از خط ساقه‌ای که به جانوران منتهی می‌شود، نیای با توانایی همزمان ایجاد یک برنامه مورفوجنتیک چندسلولی از طریق الگو‌گذاری محوری و انجام تولیدمثل جنسی، احتمالاً این دو برنامه را در یک برنامهٔ توسعه‌ای ترکیب کرد (شکل 4).

3.2.4. ترجیح مرحله‌های تک‌سلولی به نفع مرحلهٔ چندسلولی
ریشهٔ جانوران احتمالاً شامل یک فرآیند تکاملی طولانی و تدریجی بوده است نه یک جهش تکاملی منفرد، که مسیر به‌چندسلولی بودن جانور را با ترکیب توسعهٔ پیچیده، ترکیب گامت‑زایی و تقسیم سلولی سریالی در موازی با ادغام تمایز سلولی فضایی هموار می‌کرد [95,123]. مرحلهٔ چندسلولی می‌توانست بر مرحلهٔ تک‌سلولی غلبه کند، زیرا از فرار از شکار، بهره‌برداری بهتر از منابع و کاهش محدودیت‌های بوم‌شناختی به‌دلیل افزایش دسترسی به برخی مواد مغذی بهره‌مند می‌شد. مراحل تک‌سلولی ترجیحی می‌توانستند بعدها به‌صورت فرم‌های ساده برای پراکندگی یا گامت‌ها تبدیل شوند، همان‌طور که ویژگی‌های هم‌زمان با چندسلولی بودن، مانند تقسیم کار، می‌توانستند باعث رونق مرحلهٔ چندسلولی به‌عنوان یک مرحلهٔ تکثیری شوند [95].

4. مسیرهای جدید پژوهشی دربارهٔ ریشهٔ جانوران
چارچوب فیلوجنتیک بهبود یافتهٔ جانوران و رده‌های تک‌سلولی نزدیک آن‌ها همراه با توالی‌یابی مجموعه‌های دادهٔ مقیاس اومیک، بازسازی به‌روزشده‌ای از ویژگی‌های ژنومی و زیستی هر دو آخرین نیای تک‌سلولی جانوران و LCA جانوری را ممکن ساخته است. این مطالعات مقایسه‌ای همچنین مکانیزم‌های تکاملی مختلفی را به‌عنوان نیروهای مهم رانندهٔ ریشهٔ جانوران برجسته کرده‌اند. برای مثال، اکنون می‌دانیم که هم‌پذیری ژن‌های پیشین به عملکردهای جدید؛ گسترش شبکه‌های تنظیمی پیشین ترکیب‌شده با ظهور استراتژی‌های جدید تنظیم ژنی؛ و به‌دست‌آوردن تدریجی هویت‌های نوع سلولی فضایی‑زمانی، احتمالاً کلید تکامل جانوران بوده‌اند. با این حال، بسیاری از سؤال‌ها هنوز بی‌پاسخ مانده‌اند و مطالعات بیشتر برای درک کامل چگونگی تأثیر این مکانیزم‌ها بر انتقال به چندسلولی بودن جانوران لازم است.

به‌عنوان مثال، بسیاری از ژن‌های بحرانی برای عملکردهای مرتبط با چندسلولی بودن جانوران همسانی در هولوزواهای تک‌سلولی دارند، اما هنوز عملکرد این همسان‌ها در غیرمتازواها را درک نکرده‌ایم. علاوه بر این، برخی ژن‌ها در طول خط ساقهٔ جانور تکثیر شده‌اند و عملکردهای پیش از تکثیر (و زیر‑ یا نو‑عملکردی) شناخته نشده‌اند. عملکرد این ژن‌ها در هولوزواهای تک‌سلولی موجود لزوماً با آنچه در نیای تک‌سلولی جانوران بود یکسان نیست؛ با این حال، درک عملکرد آن‌ها در یک زمینهٔ تک‌سلولی برای ارزیابی کامل نقش هم‌پذیری در انتقال تک‌سلولی‑به‑چندسلولی ضروری است. در این زمینه، توسعه ابزارهای ژنتیکی در هولوزواهای تک‌سلولی برای درک کامل عملکرد این ژن‌های مورد علاقه و ارزیابی این‌که تا چه حد همسان‌های هولوزوا تک‌سلولی عملکردهای مشابه یا متفاوتی در یک زمینهٔ تک‌سلولی انجام می‌دهند، حیاتی است [223]. در سال‌های اخیر، تلاش‌های مشترک ما به‌طور موفقیت‌آمیزی ترانسفکشن در چندین گونهٔ تک‌سلولی نمایندهٔ تمام شاخه‌های اصلی هولوزواهای تک‌سلولی ایجاد کرده‌اند [191,193,224–227]. این ابزار قبلاً برخی بینش‌ها دربارهٔ زیست‌شناسی سلولی چندین هولوزوا تک‌سلولی فراهم کرده است. برای مثال، ترانسفکشن در چوآنوفلاژلات S. rosetta اولین توصیف درون‌زندهٔ سِپتین‌ها، یک کلاس اصلی از پروتئین‌های سیتوکال‌اسکلت، را فراهم کرد [225]. جالب است که همسان سِپتین S. rosetta در قطب‌های پایهٔ سلول‌ها متمرکز شد، مشابه توزیع سِپتین‌ها در اپی‌تلیوم‌های جانوری [225]. ترانسفکشن موقت در فیلاسترئان C. owczarzaki سازماندهی سه‌بعدی فیلوپودی‌ها و بسته‌های اکتین را در سلول‌های زنده نشان داد [224]. در ایچتیوسپورئان Creolimax fragrantissima، ترانسفکشن موقت امکان ردیابی تقسیم‌های هسته‌ای در یک سلول در حال رشد درون‌زنده را فراهم کرد و نشان داد که این تقسیم‌ها به‌طور دقیق همزمان هستند [193]. علاوه بر این، دو استراتژی خاموش‌سازی ژن با استفاده از RNA interference توسط siRNA و مورفولینوها نیز در C. fragrantissima توسعه یافته‌اند [193]. این ابزار برای تحلیل عملکرد همسان کیناز c‑Src جانوری در طول چرخهٔ زندگی استفاده شد و نشان داد که یک فسفاتاز خاص تیروئین‑پذیر ممکن است برای نقش تنظیم Src در کینوم کم‌حجم C. fragrantissima هم‌پذیری شده باشد [131,193]. در نهایت، ترانسفکشن به‌تازگی برای دو گونهٔ هولوزوا تک‌سلولی دیگر توسعه یافته است: ایچتیوسپورئان Abeoforma whisleri [227] و کوراللوکیتریان C. limacisporum [191,228]. هر دو گونه می‌توانند به‌صورت موقت با کاسکت‌های گزارشگر برچسب‌دار فلورسانس‌دار حاوی ژن‌های اندوژن، با همان رویکرد توسعه‌یافته در S. rosetta ترانسفکت شوند [191,225,227]. در واقع، ترانسفکت‌های C. limacisporum می‌توانند به‌صورت پایدار با انتخاب مبتنی بر آنتی‌بیوتیک نگهداری شوند، استراتژی‌ای که امکان بازسازی چرخهٔ زندگی C. limacisporum را با جزئیات بی‌سابقه فراهم کرده است [191]. اخیراً ابزار ویرایش ژن با CRISPR/Cas9 برای S. rosetta توسعه یافته است که مسیرهای جدیدی برای پژوهش‌های عملکردی ژن با استفاده از ژنتیک معکوس باز می‌کند [226]. تحت این سناریو، انتظار داریم تلاش‌های آینده در دو جهت اصلی متمرکز شوند. اول، بهره‌برداری از ابزارهای توسعه‌یافته برای بررسی عملکرد ژن‌های کلیدی «مرتبط با چندسلولی بودن» جانور، مانند آن‌هایی که در چسبندگی سلولی، ارتباط سلولی یا تنظیم رونویسی دخیل هستند، در گونه‌های هولوزوا تک‌سلولی مذکور. دوم، توسعه ابزارهای ژنتیکی در نمایندگی گسترده‌تری از گونه‌های هولوزوا تک‌سلولی برای ادامه گسترش پلتفرم عملکردی سیستم‌های آزمایش‌پذیر به منظور بررسی ریشه‌های جانور.

سؤال مهم دیگری دربارهٔ تنظیم ژنوم در نمایندگی گسترده‌تری از گونه‌های هولوزوا تک‌سلولی وجود دارد. تا کنون، استنتاج‌های ما بر پایهٔ تحلیل ژنوم تنظیمی تنها یک گونهٔ تک‌سلولی، فیلاسترئان C. owczarzaki، بوده است. بر پایهٔ این مطالعه، استنتاج کردیم که آخرین نیای تک‌سلولی جانور احتمالاً استراتژی تنظیم ژنی عمدتاً نزدیک‌محور را دنبال می‌کرد، فاقد برخی انواع پروموترهای جانوری و امضای تقویت‌کننده‌های جانوری [95,100]. با این حال، هنوز نیاز به توصیف چشم‌انداز تنظیمی ژنومی سایر گونه‌های هولوزوا تک‌سلولی برای استنتاج دقیق‌تر قابلیت تنظیمی آخرین نیای تک‌سلولی و درک کامل چگونگی تکامل تنظیم ژنوم در ریشهٔ جانوران داریم. بنابراین، انتظار داریم پژوهش‌های آینده به بررسی مقایسه‌ای اپی‌ژنوم (از جمله دسترسی به کروماتین و دینامیک تنظیمی، و شبکه‌های فاکتورهای رونویسی) گونه‌های نمایندهٔ دیگر شاخه‌های هولوزوا تک‌سلولی (یعنی چوآنوفلاژلات‌ها، ایچتیوسپورئان‌ها و کوراللوکیتریان‌ها) بپردازند. این کار امکان بازسازی جامع‌تری از توانایی‌های تنظیمی آخرین نیای تک‌سلولی جانوران را فراهم می‌کند؛ بررسی می‌کند که آیا تنظیم دوری شبیه به متازوا یک نوآوری جانوری بوده یا نه؛ و همچنین بینش‌های مکانیکی دربارهٔ تکامل تنظیم ژنوم در طول انتقال تک‌سلولی‑به‑چندسلولی را ارائه می‌دهد.

ما همچنین هنوز نمی‌دانیم انواع سلولی جانوران چگونه ظاهر شدند یا آیا تمایز سلولی فضایی پیش از این در یک زمینهٔ تک‌سلولی برقرار شده بود یا نه. اگرچه تحلیل‌ها در فیلاسترئان C. owczarzaki نشان داد که برخی از مکانیزم‌های لازم برای تمایز سلولی فضایی جانوران پیش از این در آخرین نیای تک‌سلولی جانوران حضور داشته‌اند [100]، اما فرض شده است که تمایز سلولی فضایی به‌طور اساسی در ساقهٔ متازوا تکامل یافته است. با این حال، هنوز بررسی نکرده‌ایم که آیا ساختارهای چندسلولی مشاهده‌شده در هولوزواهای تک‌سلولی از سلول‌های مورفولوژیکی و ژنتیکی یکسان تشکیل شده‌اند یا برعکس، از انواع سلولی متمایز تشکیل شده‌اند. اخیراً بازسازی سه‌بعدی کلونی‌های گل‌گل در چوآنوفلاژلات S. rosetta به‌طور غیرمنتظره‌ای نشان داد که سلول‌های داخل کلونی‌های گل‌گل اختلافات سلولی فضایی نشان می‌دهند، به‌طور قابل‌توجهی در اندازه سلول، شکل و محتوی هسته و میتوکندری متفاوت هستند [188,189]. به‌طور موازی، مشاهدات میکروسکوپی در سایر گونه‌های هولوزوا تک‌سلولی، مانند فیلاسترئان C. owczarzaki، نیز به‌حداقل انواع سلولی متفاوت در همان ساختار چندسلولی اشاره کرده‌اند (ارتباط شخصی S. R. Najle 2021). این نشان می‌دهد که کلونی‌های هولوزوا تک‌سلولی ممکن است صرفاً از تجمیع سلول‌های یکسان تشکیل نشده باشند، بلکه ممکن است به‌تدریج به انواع سلولی متمایز تبدیل شوند که تغییرات مورفولوژیکی و، به‌احتمال، ژنتیکی دارند. بنابراین، انتظار داریم مطالعات آینده به تجزیه و تحلیل تنوع نوع سلولی در سطح ژنتیکی و مورفولوژیکی در ساختارهای چندسلولی چندین گونهٔ هولوزوا تک‌سلولی نمایندهٔ شاخه‌های اصلی هولوزوا تک‌سلولی بپردازند. ادغام تکنیک‌های تک‌سلولی تازه توسعه‌یافته قطعاً فرصتی منحصربه‌فرد برای این مطالعات فراهم می‌کند، زیرا می‌تواند انواع سلولی جدید و امضایهای پروفایل بیان ژن خاص نوع سلولی را شناسایی کند [2,229–233]. علاوه بر این، داده‌های مولکولی با وضوح تک‌سلولی از چندین تاکسون جانوری، به‌ویژه در میان جانوران غیربی‌طرف (یعنی اسفنج‌ها، کتنوفرها و پلاکوزوان‌ها) [229–232]، این مطالعات را از منظر مقایسه‌ای تکمیل می‌کند تا به تکامل نوع سلولی جانوران بپردازد.

در نهایت، پیش‌بینی می‌کنیم پژوهش‌های آینده به جداسازی و توصیف گونه‌های هولوزوا تک‌سلولی کمتر مطالعه‌شده متمرکز شوند. به‌ویژه، آن گونه‌هایی که درون یا مرتبط با شاخه‌های مختلف هولوزواهای تک‌سلولی شناخته‌شده از داده‌های محیطی مولکولی شناسایی شده‌اند، و آن‌هایی که به‌احتمال یک شاخهٔ هولوزوا تک‌سلولی نوین مرتبط هستند [86]. اولاً، کشف گونه‌های جدید هولوزوا تک‌سلولی روابط تکاملی درخت حیات اطراف جانوران را روشن خواهد کرد. ثانیاً، تنوع عظیم مورفولوژی، سبک‌های زندگی و مجموعه‌های ژنتیکی آن‌ها به ما کمک خواهد کرد تا محتویات ژنوم و ویژگی‌های زیستی هر دو آخرین نیای تک‌سلولی جانوران و LCA جانوری را به‌دقت بیشتری اصلاح کنیم.

در سال‌های آینده، توسعهٔ سامانه‌های مدل نوظهور در میان هولوزواهای تک‌سلولی همراه با استفاده از ابزارهای پژوهشی مدرن، به ما اجازه خواهد داد تا این سؤالات جدید برجسته را با جزئیات بی‌سابقه‌ای بررسی کنیم. ما مشتاقانه منتظر پیشرفت‌های این حوزه هستیم، زیرا اکنون وارد دوره‌ای هیجان‌انگیز در مطالعهٔ ریشهٔ جانوران شده‌ایم.

5. نتیجه‌گیری
در سال‌های اخیر، حجم عظیمی از دانش از اومیک‌های مولکولی نه تنها چارچوب فیلوجنتیک بهبود یافتهٔ جانوران و نزدیک‌ترین رده‌های تک‌سلولی آن‌ها را فراهم کرده است، بلکه درک بهتری از تاریخچه تکاملی ژن‌های کلیدی برای چندسلولی بودن جانوران به دست آمده است. برای گسترش بیشتر این دانش، باید درک خود را از نزدیک‌ترین رده‌های تک‌سلولی جانوران از دیدگاه‌های مختلف بهبود بخشیم. برای مثال، توالی‌های ژنوم بیشتر برای شناسایی دقیق ریشهٔ برخی ژن‌های کلیدی برای چندسلولی بودن جانوران لازم است. علاوه بر این، مطالعات عملکردی برخی پروتئین‌ها به ما اجازه می‌دهد تا بفهمیم چگونه می‌توانستند هم‌پذیری شوند. تلاش‌ها در سطح تاکسون نیز باید به شناسایی و جداسازی گونه‌های هولوزوا تک‌سلولی بیشتر منجر شود. به‌همین ترتیب، مطالعهٔ زیست‌شناسی آن‌ها از طریق رویکردهای سلولی‑بیولوژیکی و توسعه‌ای ممکن است به کشف جنبه‌های بیشتری از مراحل چندسلولی موقت آن‌ها و هم‌پوشانی احتمالی آن‌ها با ساختارهای مشابه در جانوران کمک کند. در نهایت، ایجاد ابزارهای ژنتیکی در این تاکسون‌ها نیز نویدبخش این است که به این هدف برسیم. به‌طور کلی، ما معتقدیم سال‌های پیش رو برای درک بهتر این انتقال حیاتی حیاتی خواهند بود و ما خود را هیجان‌زده، اما مهم‌تر از همه مشتاق به‌شروع، برای کشف ریشه‌های جانوران می‌دانیم.

تشکر و قدردانی
از Daniel J. Richter، Jesús Lozano‑Fernández، Sebastián R. Najle، Iain Patten و به‌طور کلی، اعضای گذشته و حال آزمایشگاه برای بحث‌های پربار تشکر می‌کنیم. همچنین از دو بازبین ناشناس برای نظراتشان بر روی مقاله تشکر می‌کنیم.

دسترس‌پذیری داده‌ها
این مقاله دادهٔ اضافی ندارد.

مشارکت نویسندگان
تمام نویسندگان در نوشتن دست‌نوشته مشارکت کردند.

علاقه‌مندی‌های مالی
ما اعلام می‌کنیم که هیچ علاقه‌مندی مالی نداریم.

منابع مالی
این کار با یک گرنت Consolidator European Research Council (ERC‑2012‑Co‑616960) و گرنت‌ها (BFU2017‑90114‑P) از Ministerio de Economía y Competitividad (MINECO)، Agencia Estatal de Investigación (AEI) و Fondo Europeo de Desarrollo Regional (FEDER) به I.R‑T پشتیبانی شد. همچنین از گرنت «la Caixa» برای مطالعات دکتری از بنیاد بانکی «la Caixa» (ID 100010434) (اسپانیا) به A.P‑P (LCF/BQ/ES16/11570008) و یک فلوشیپ فردی Marie Skłodowska‑Curie تحت برنامهٔ چارچوب اتحادیه اروپا برای پژوهش و نوآوری Horizon 2020 (پروژه ID 747789) و یک Ayuda Juan de la Cierva‑Incorporación (IJC2018‑036657‑I) به M.M.L تشکر می‌کنیم.


حدود ۶۰۰ میلیون سال پیش، حیات تک‌سلولی به حیات چندسلولی تبدیل شد و این تحول، دگرگونی بنیادینی در تعریف حیات روی زمین ایجاد کرد. این رویداد چنان در جدول زمانی زمین برجسته بود که زمینه را برای تکامل موجودات پیچیده، از اسفنج‌ها تا بدن انسانی که هر یک از ما در آن ساکن هستیم، فراهم آورد. این موجودات پیچیده در نهایت عملکردهای بیولوژیکی به دست آوردند که به آن‌ها امکان انجام وظایفی فراتر از توانایی سلول‌های منفرد را می‌داد، از برخورد سنگ چخماق برای ایجاد آتش گرفته تا اختراع اینترنت و ارسال دوربین‌ها برای بررسی عمیق‌ترین گوشه‌های جهان. هنوز سوالات بی‌پاسخی در مورد چرایی وقوع این تکامل وجود دارد: مزایای اولیه چندسلولی بودن چه بود؟ چگونه تکامل توانست تنوع زیستی عظیمی را که زمین در خود جای داده است، انتخاب کند؟ چه اصول اساسی می‌توانند به ما در مورد چگونگی فرگشت از موجودات تک‌سلولی بگویند؟ محققان در سراسر جهان در حال حاضر برای یافتن پاسخ این سوالات به تحقیق پرداخته‌اند. با ترکیب زیست‌شناسی، فیزیک و ریاضیات، محققان چند احتمال را در مورد چگونگی تکامل چندسلولی و حفظ آن در طول میلیون‌ها سال کشف کرده‌اند.

چرا باید تکامل چندسلولی را مطالعه کنیم؟

بدن انسان نتیجه شبکه‌ای پیچیده از تعاملات است. سلول‌های ما نه تنها با یکدیگر، بلکه با میکروارگانیسم‌هایی که در بدن ما زندگی می‌کنند، ارتباط برقرار می‌کنند. هنگامی که مهمانان ناخوانده‌ای مانند SARS-CoV-2 وارد شده و به بافت اجتماعی که سلول‌های ما را به هم متصل می‌کند، حمله کنند، سیستم ایمنی برای دفاع به آن‌ها حمله می‌کند. همه‌گیری COVID-19 شکنندگی بدن انسان را آشکار کرد و با وجود پزشکی و فناوری مدرن، منجر به از دست رفتن حدود ۵ میلیون نفر شد. بنابراین، به دست آوردن درک عمیق‌تری از چگونگی تعاملات سلولی موجودات پیچیده را حفظ می‌کند، نه تنها یک سوال برای علم پایه است که ذهن‌های کنجکاو را در مورد منشاء تکاملی ما ارضا می‌کند، بلکه می‌تواند علم پزشکی را نیز در مورد مکانیسم‌هایی که موجودات را چندسلولی نگه می‌دارند و اختلالاتی که باعث بیماری می‌شوند، آگاه کند. مثال برجسته دیگر در این زمینه، سرطان است: بیماری که در آن سلول‌های "خیانتکار" سرطان، تکثیر و رشد خود را بر حفظ ساختار اجتماعی بدن انسان اولویت می‌دهند. به طور کلی، سرطان‌زایی را می‌توان به عنوان واژگونی از یک حالت چندسلولی منظم و مشارکتی در بین سلول‌های بدن به یک حالت تنظیم‌نشده در نظر گرفت.

چگونه تکامل چندسلولی را مطالعه می‌کنیم؟

سوابق فسیلی یک تصویر عالی از تاریخچه تکاملی ما هستند، اما متاسفانه مکانیسم‌هایی که ممکن است در آن نقش داشته باشند را روشن نمی‌کنند. بنابراین، ما به علم تجربی و تفکر مبتکرانه برای بازسازی چنین رویدادهای تکاملی وابسته هستیم. در حال حاضر دو راه برای نزدیک‌تر شدن به پاسخ‌ها وجود دارد: i) یافتن و مطالعه موجودات تک‌سلولی که در حال پیوستن و تشکیل ساختارهای چندسلولی هستند، و ii) استفاده از تکامل مصنوعی و زیست‌شناسی مصنوعی برای تولید ساختارهای چندسلولی از موجودات تک‌سلولی.

چه سناریوهایی می‌توانستند انتخاب موجودات چندسلولی را برانگیزند؟

در حالی که دانشمندان سناریوهای انتخابی متعددی را پیشنهاد کرده‌اند که می‌توانستند منجر به تکامل چندسلولی شوند، ما بر روی سه سناریوی قانع‌کننده تمرکز خواهیم کرد: i) تبادل منابع، ii) محافظت در برابر استرس، و iii) تقسیم کار (شکل ۱).

شکل ۱. سه سناریو که ممکن است منجر به چندسلولی شدن شده باشند: i) تبادل منابع: در این سناریو، انواع مختلف سلول در تولید منابع مختلف برای بقای کل سیستم چندسلولی تخصص دارند. ii) محافظت در برابر استرس: سلول‌های محیطی از سلول‌های داخلی در برابر استرس شیمیایی یا فیزیکی خارجی محافظت می‌کنند و به کل سیستم چندسلولی اجازه می‌دهند زنده بماند. iii) تقسیم کار: انواع مختلف سلول در وظایف مختلف تخصص دارند و به کل سیستم چندسلولی اجازه می‌دهند مواد مغذی را هدایت و جذب کنند.

i) تبادل منابع: سلول‌ها به طرز شگفت‌انگیزی در تولید طیف وسیعی از ترکیبات شیمیایی از مولکول‌های ساده مانند گلوکز یا دی‌اکسید کربن خوب هستند. این ترکیبات می‌توانند از اتانول در نوشیدنی‌های الکلی تا آنتی‌بیوتیک‌هایی که مصرف می‌کنیم، متغیر باشند. با این حال، تولید چند چیز برای یک سلول واحد ممکن است مسئولیت زیادی باشد. بنابراین، این احتمال وجود دارد که دو سلول به یک "توافق" برای تبادل کالاها به طور متناسب برسند - شبیه به سیستم مبادله قرن نوزدهم. این جفت سلول‌ها در مقایسه با سایر سلول‌هایی که سعی در تولید تمام کالاها به تنهایی داشتند، برتری خواهند داشت. این یک مثال واضح از چگونگی اتحاد سلولی و همکاری بعدی است که منجر به تعهد تکاملی آن‌ها برای با هم ماندن و در نهایت منجر به ویژگی‌های چندسلولی می‌شود.

ii) محافظت در برابر استرس: موجودات چندسلولی امروزی مانند شما ممکن است در حال خواندن این مقاله از راحتی مبل خود باشید، اما محیط به اندازه نیاکان تک‌سلولی ما با ما مهربان نبود. از دید یک موجود تک‌سلولی، جهان مکانی شکنجه‌آور است که در آن پتانسیل قرار گرفتن در معرض شوری بالا، مواد شیمیایی سمی ناشی از سنگ‌ها یا سال‌ها گرسنگی و سپس شرایط تغذیه‌ای فرار وجود دارد. یک استراتژی برای مقاومت در برابر این عوامل استرس‌زا ممکن است تجمع و محافظت از یکدیگر در برابر مواد شیمیایی خارجی باشد. اگر این اتفاق چندین بار در تاریخ تکامل رخ داده باشد، مکانیسم‌هایی که به سلول‌های شرکت‌کننده اجازه می‌دهد با هم بمانند، ممکن است به طور طبیعی انتخاب شده باشند.

iii) تقسیم کار: در حالی که تبادل منابع به عنوان تبادل کالاها بین سلول‌ها در نظر گرفته می‌شود، سلول‌ها همچنین می‌توانند نقش‌های مختلفی را در یک ساختار چندسلولی بر عهده بگیرند. به عنوان مثال، سلول‌هایی که در شنا کردن خوب هستند (با استفاده از مژک‌های خود، شبیه به دم) یک ساختار چندسلولی را به جلو می‌رانند، در حالی که دیگران در بلعیدن غذایی که به سمت آن‌ها می‌آید، تخصص دارند. چنین تقسیم کاری مزایایی را برای ساختار چندسلولی با به حداقل رساندن مسئولیت‌ها برای سلول‌های منفرد فراهم می‌کند.

با ترکیب تئوری و آزمایش‌ها، دانشمندان اکنون توانسته‌اند چندسلولی بودن را در آزمایشگاه از میکروارگانیسم‌های تک‌سلولی تکامل دهند. یک مثال قابل توجه از این امر، مخمر چندسلولی است که به طور معمول یک موجود تک‌سلولی است و در آزمایشگاه تکامل یافته است. سلول‌های مخمر به طور معمول پس از تقسیم سلولی جدا می‌شوند و موجودیت‌های منفردی را تشکیل می‌دهند. جهش‌ها در این مسیرهای جداسازی باعث می‌شود که پس از تقسیم به یکدیگر بچسبند و به آن‌ها امکان می‌دهد ساختارهای چندسلولی را تشکیل دهند. در شرایط محیطی خاص، این خوشه‌ها تناسب بیشتری نسبت به اجداد تک‌سلولی خود دارند و نشان‌دهنده انگیزه‌های چندسلولی بودن هستند. به عنوان مثال، مجبور کردن سلول‌های مخمر به زنده ماندن با غذای کمتر منجر به ایجاد ساختارهای چندسلولی می‌شود که می‌توانند مواد مغذی را به دام بیندازند و از نشت آن‌ها دور از سلول‌ها جلوگیری کنند.

با نگاه دقیق‌تر به نحوه عملکرد بدن، می‌توانیم نمونه‌های متعددی از این مکانیسم‌ها را ببینیم. به عنوان مثال، در یک فرآیند متابولیک به نام چرخه کوری، سلول‌های کبد و عضلانی لاکتات و گلوکز تولید شده در طول فعالیت عضلانی را به یکدیگر می‌دهند تا از وضعیت انرژی پایدار عضلات اطمینان حاصل شود. به طور مشابه، سلول‌های عضله قلب باعث تپش قلب می‌شوند تا بتوانند مواد مغذی و هورمون‌ها را از طریق خون به قسمت‌های مختلف بدن برسانند، در حالی که نورون‌ها اطلاعات را در سراسر بدن پردازش و انتقال می‌دهند. علاوه بر این، پوست بار اصلی نور خورشید را تحمل می‌کند تا اطمینان حاصل شود که سلول‌های زیرین قادر به عملکرد صحیح هستند. بدن انسان یک مثال قابل توجه از تقسیم کار در بین سلول‌ها است.

تصور تکامل موجودات چندسلولی پیچیده و آگاه از سلول‌های منفرد در طول هزاره‌ها واقعاً نفس‌گیر است. تکامل چندسلولی حداقل ۲۵ بار به طور مستقل رخ داده است و یک مثال قابل توجه از برتری همکاری است. به دست آوردن بینش عمیق‌تر در مورد این سوالات نه تنها به ما کمک می‌کند تا تکامل بیماری‌هایی را که به ماهیت چندسلولی بدن انسان حمله می‌کنند، درک کنیم، بلکه درس‌هایی در مورد اصول طراحی طبیعت نیز به ما می‌دهد. این احتمال وجود دارد که در آینده نه چندان دور، بتوانیم از زیست‌شناسی مصنوعی برای طراحی موجودات چندسلولی خود استفاده کنیم که می‌توانند دی‌اکسید کربن را جذب کنند، سوخت تولید کنند، اقیانوس‌ها را تمیز کنند یا حتی رایانه‌های بیولوژیکی بسازند که می‌توانند سیستم‌های مبتنی بر سیلیکون که در حال حاضر در پزشکی استفاده می‌شوند را شکست دهند.

پیوش ناندا دانشجوی سال دوم دکتری در برنامه علوم زیستی و پزشکی در مدرسه پزشکی هاروارد است. می‌توانید او را در توییتر با نام کاربری @NandaPiyush پیدا کنید.
کورنا لوب دانشجوی دکتری در برنامه هاروارد-MIT در زمینه گفتار، شنوایی، زیست‌شناسی و فناوری است.
شکل‌ها با BioRender.com ایجاد شده‌اند.
برای اطلاعات بیشتر:

برای کسب اطلاعات بیشتر در مورد سیستم‌های مدل مختلف برای درک تکامل چندسلولی، این مقاله را بررسی کنید.
برای کسب اطلاعات بیشتر در مورد آزمایش‌هایی که بینش‌هایی در مورد انتقال چندسلولی ارائه داده‌اند، این مقاله را بخوانید.
برای اطلاع از اینکه چگونه چندسلولی بودن در جلبک‌ها برای فرار از حمله شکارچی ایجاد می‌شود، این مقاله را بخوانید.


لیست مجلات
دست‌نوشته‌های نویسندگان HHS
PMC6089241

دست‌نوشته نویسنده؛ در دسترس در PMC 23 اکتبر 2018.
منتشر شده در نسخه ویرایش شده نهایی به صورت:
PMCID: PMC6089241
NIHMSID: NIHMS908525
چکیده
بیش از 600 میلیون سال پیش، حیوانات از یک موجود تک‌سلولی یا کلونیایی تکامل یافتند که سلول(های) آن با یک مجموعه مژگانی، یک تاژک احاطه شده توسط مژک‌های ریز، باکتری‌ها را به دام می‌انداخت. با استفاده از اصول زیست‌شناسی تکاملی سلولی، استدلال می‌کنیم که گذار به چندسلولیتی نیازمند تغییر مکانیسم‌های موجود برای سنتز ماتریکس خارج سلولی و تقسیم سلولی بود. دو فرضیه را برای منشاء انواع سلولی حیوانی مورد بحث قرار می‌دهیم: تقسیم کار از سلول‌های چند منظوره باستانی و تبدیل فنوتایپ‌های متناوب زمانی به انواع سلولی مجاور فضایی. مطالعات مکانیسم‌محور در حیوانات متنوع و خویشاوندان آنها نویدبخش تعمیق درک ما از منشاء حیوانات و زیست‌شناسی سلولی است.
کلمات کلیدی: چندسلولیتی، کوانوفلاژلات‌ها، Choanozoa، منشاء متوزوآ، زیست‌شناسی تکاملی سلولی، تکامل-توسعه
ETOC
در این بررسی، برونِت و کینگ منشاء چندسلولیتی حیوانات را بررسی می‌کنند. نویسندگان پیشنهاد می‌کنند که تغییرات در مکانیسم‌های تنظیم سنتز ماتریکس خارج سلولی و تقسیم سلولی ممکن است زیربنای گذار به چندسلولیتی باشد و دو فرضیه را برای توضیح تکامل تمایز سلولی در تبار حیوانی ارائه می‌دهند.
مقدمه
هر جنبه‌ای از زندگی حیوانی - از مورفولوژی تا فیزیولوژی و رفتار - نیازمند همکاری هزاران تا میلیاردها سلول است. در تقریباً همه حیوانات، حالت چندسلولیتی در هر نسل از طریق تقسیمات متوالی یک سلول بنیان‌گذار، زیگوت، ایجاد می‌شود. تحت کنترل مشترک ژنوم و محیط، سلول‌های دختر تولید شده توسط این تقسیمات شکل خود را تغییر می‌دهند، مهاجرت می‌کنند و به‌طور انتخابی متصل یا جدا می‌شوند تا از طریق فرآیندی به نام مورفوژنز، شکل بدن بالغ را ایجاد کنند. به طور موازی، فرآیندی از تمایز سلولی تحت کنترل دقیق فضایی-زمانی، تقسیم کار بین انواع سلولی نهایی را مشخص می‌کند. اجرای صحیح این رقص سلولی، که در هر نسل تکرار می‌شود، برای زندگی هر حیوانی روی کره زمین اساسی است.

با این حال، این نوع توسعه پیچیده همیشه وجود نداشته است. توزیع ناپیوسته فیلوژنتیکی چندسلولیتی و تفاوت در مکانیسم‌های سلولی نشان می‌دهد که چندسلولیتی به طور مستقل در حداقل 16 تبار یوکاریوتی مختلف، از جمله حیوانات، گیاهان و قارچ‌ها تکامل یافته است (Bonner 1998; King 2004; Rokas 2008; Knoll 2011). بنابراین، مکانیسم‌های زیربنایی چندسلولیتی حیوانات و تمایز سلولی کنترل‌شده فضایی احتمالاً در تبار اصلی حیوانات تکامل یافته‌اند و بر اساس مسیرهای موجود در اجداد تک‌سلولی آنها ساخته شده‌اند (Richter and King 2013).

علیرغم اهمیت مرکزی چندسلولیتی و تمایز سلولی برای زیست‌شناسی حیوانات، منشاء آنها به خوبی درک نشده است. اجداد تک‌سلولی حیوانات چگونه بودند؟ چندسلولیتی و تمایز سلولی چه زمانی و چگونه تکامل یافتند و مکانیسم‌های مولکولی زیربنایی چه بودند؟ آیا ویژگی‌های اجداد تک‌سلولی حیوانات تکامل اولیه چندسلولیتی را تسهیل کردند؟ برعکس، آیا این اجداد تک‌سلولی محدودیت‌هایی را بر شکل و عملکرد اجداد اولیه حیوانات تحمیل کرد؟

در حالی که مجموعه ژن‌های اجداد حیوانات در جای دیگری به تفصیل مورد بحث قرار گرفته است و در این بررسی مورد تمرکز قرار نخواهد گرفت (به عنوان مثال، (King 2004; King et al. 2008; Larroux et al. 2008; Richter and King 2013; Suga et al. 2013; de Mendoza et al. 2013; Sebé-Pedrós et al. 2017; Grau-Bové et al. 2017))، قابل توجه است که بسیاری از ژن‌های مورد نیاز برای چندسلولیتی حیوانات (به عنوان مثال، تیروزین کینازها (King and Carroll 2001; Sebé-Pedrós et al. 2016b)، کادهرین‌ها (Abedin and King 2008; Nichols et al. 2012)، اینتگرین‌ها (Sebé-Pedrós et al. 2010; Suga et al. 2013) و دامن‌های ماتریکس خارج سلولی (King et al. 2008; Williams et al. 2014)) قبل از منشاء حیوانات تکامل یافته‌اند. با تکیه بر این پروتئین‌های باستانی، تبار اصلی حیوانات با تنوع انفجاری خانواده‌های فاکتور رونویسی و مولکول‌های سیگنال‌دهی مشخص شد که ناشی از ظهور خانواده‌های ژنی جدید (به عنوان مثال، خانواده‌های فاکتور رونویسی Antennapedia و Pax و پروتئین‌های سیگنال‌دهی Wnt و BMP) و گسترش خانواده‌های ژنی موجود (Larroux et al. 2008; Srivastava et al. 2010) بود. با این حال، زیست‌شناسی سلولی و مورفولوژی پیاده‌سازی شده توسط این ژنوم‌های اجدادی کمتر مورد بررسی قرار گرفته است (Richter and King 2013; Arendt et al. 2015; Cavalier-Smith 2017). در این بررسی، نحوه تکامل پدیده‌های سلولی بر منشاء حیوانات را بررسی می‌کنیم.

اگرچه اولین حیوانات بیش از 600 میلیون سال پیش تکامل یافتند، اما می‌توان با مقایسه تبار‌های موجود، به منشاء آنها پی برد. این رویکرد ویژگی‌های متعددی را نشان داده است که احتمالاً در جد مشترک حیوانات، "Urmetazoan" (شکل 1) وجود داشته است. به عنوان مثال، تقریباً همه حیوانات موجود چندسلولیتی اجباری دارند (به (Metzger et al. 2015; Chang et al. 2015) برای استثناها مراجعه کنید) و مراحل بالغ آنها معمولاً مورفولوژی تخصصی و حداقل پنج نوع سلولی از نظر مورفولوژیکی متمایز را نشان می‌دهند (Valentine 2006). این نشان می‌دهد که Urmetazoan از تباری با تاریخچه طولانی از چندسلولیتی اجباری تکامل یافته است. به همین ترتیب، چندسلولیتی در حیوانات تقریباً همیشه نتیجه یک جنین‌زایی پیچیده است که از طریق همجوشی اسپرم/تخمک در هر نسل آغاز می‌شود و با تقسیمات متوالی یک سلول بنیان‌گذار، زیگوت، ادامه می‌یابد. تحت کنترل مشترک ژنوم و محیط، سلول‌های دختر تولید شده توسط این تقسیمات شکل خود را تغییر می‌دهند، مهاجرت می‌کنند و به‌طور انتخابی متصل یا جدا می‌شوند تا از طریق فرآیندی به نام مورفوژنز، شکل بدن بالغ را ایجاد کنند. به طور موازی، فرآیندی از تمایز سلولی تحت کنترل دقیق فضایی-زمانی، تقسیم کار بین انواع سلولی نهایی را مشخص می‌کند. اجرای صحیح این رقص سلولی، که در هر نسل تکرار می‌شود، برای زندگی هر حیوانی روی کره زمین اساسی است.

با این حال، این نوع توسعه پیچیده همیشه وجود نداشته است. توزیع ناپیوسته فیلوژنتیکی چندسلولیتی و تفاوت در مکانیسم‌های سلولی نشان می‌دهد که چندسلولیتی به طور مستقل در حداقل 16 تبار یوکاریوتی مختلف تکامل یافته است، از جمله حیوانات، گیاهان و قارچ‌ها (Bonner 1998; King 2004; Rokas 2008; Knoll 2011). بنابراین، مکانیسم‌های زیربنایی چندسلولیتی حیوانات و تمایز سلولی کنترل‌شده فضایی احتمالاً در تبار اصلی حیوانات تکامل یافته‌اند و بر اساس مسیرهای موجود در اجداد تک‌سلولی آنها ساخته شده‌اند (Richter and King 2013).

علیرغم اهمیت مرکزی چندسلولیتی و تمایز سلولی برای زیست‌شناسی حیوانات، منشاء آنها به خوبی درک نشده است. اجداد تک‌سلولی حیوانات چگونه بودند؟ چندسلولیتی و تمایز سلولی چه زمانی و چگونه تکامل یافتند و مکانیسم‌های مولکولی زیربنایی چه بودند؟ آیا ویژگی‌های اجداد تک‌سلولی حیوانات تکامل اولیه چندسلولیتی را تسهیل کردند؟ برعکس، آیا این اجداد تک‌سلولی محدودیت‌هایی را بر شکل و عملکرد اجداد اولیه حیوانات تحمیل کرد؟

در حالی که مجموعه ژن‌های اجداد حیوانات در جای دیگری به تفصیل مورد بحث قرار گرفته است و در این بررسی مورد تمرکز قرار نخواهد گرفت، قابل توجه است که بسیاری از ژن‌های مورد نیاز برای چندسلولیتی حیوانات (به عنوان مثال، تیروزین کینازها، کادهرین‌ها، اینتگرین‌ها و دامن‌های ماتریکس خارج سلولی) قبل از منشاء حیوانات تکامل یافته‌اند. با تکیه بر این پروتئین‌های باستانی، تبار اصلی حیوانات با تنوع انفجاری خانواده‌های فاکتور رونویسی و مولکول‌های سیگنال‌دهی مشخص شد که ناشی از ظهور خانواده‌های ژنی جدید و گسترش خانواده‌های ژنی موجود بود. زیست‌شناسی سلولی و مورفولوژی پیاده‌سازی شده توسط این ژنوم‌های اجدادی کمتر مورد بررسی قرار گرفته است. در این بررسی، نحوه تکامل پدیده‌های سلولی بر منشاء حیوانات را بررسی می‌کنیم.

اگرچه اولین حیوانات بیش از 600 میلیون سال پیش تکامل یافتند، اما می‌توان با مقایسه تبار‌های موجود، به منشاء آنها پی برد. این رویکرد ویژگی‌های متعددی را نشان داده است که احتمالاً در جد مشترک حیوانات وجود داشته است. به عنوان مثال، تقریباً همه حیوانات موجود چندسلولیتی اجباری دارند و مراحل بالغ آنها معمولاً مورفولوژی تخصصی و حداقل پنج نوع سلولی از نظر مورفولوژیکی متمایز را نشان می‌دهند. این نشان می‌دهد که جد مشترک حیوانات از تباری با تاریخچه طولانی از چندسلولیتی اجباری تکامل یافته است.

توزیع فیلوژنتیکی ویژگی‌های استنباط شده در Urmetazoan.
حضور اپیتلیوم‌ها، اسپرم، تخمک و چندسلولیتی در نمودار فیلوژنتیکی یوکاریوتی نشان داده شده است. نمونه‌های چندسلولیتی در حداقل 16 تبار یوکاریوتی مختلف تکامل یافته‌اند، از جمله حیوانات، گیاهان و قارچ‌ها.

جد نزدیک‌تر ("خواهر گروه") حیوانات کوانوفلاژلات‌ها هستند. کوانوفلاژلات‌ها گروهی از پروتوزوآهای دریایی و آب شیرین با مورفولوژی متمایز هستند. کوانوفلاژلات‌ها با یک تاژک آپیکال احاطه شده توسط یک یقه از مژک‌های ریز مشخص می‌شوند که با هم یک "مجموعه یقه" را تشکیل می‌دهند. ضربان تاژک نیروهایی تولید می‌کند که می‌توانند هم سلول را از طریق محیط آبی خود به حرکت درآورند و هم جریانی ایجاد کنند که به کوانوفلاژلات اجازه می‌دهد طعمه باکتریایی را روی سطح بیرونی یقه جمع‌آوری کند. شباهت مورفولوژیکی بین کوانوفلاژلات‌ها و برخی از سلول‌های حیوانی، به‌ویژه کوانوسیت‌های اسفنج، حتی برای اولین مشاهده‌کنندگان کوانوفلاژلات‌ها آشکار بود و الهام‌بخش فرضیه ارتباط نزدیک بین کوانوفلاژلات‌ها و حیوانات بود. این فرضیه، که برای اولین بار در قرن نوزدهم بر اساس مبانی مورفولوژیکی پیشنهاد شد، بیش از یک قرن بدون آزمایش باقی ماند، زیرا هم نسبت کوانوفلاژلات‌ها به اسفنج‌ها و هم نسبت اسفنج‌ها به سایر حیوانات موضوع چندین فرضیه رقیب بود. این موضوع با فیلوژنتیک مولکولی حل شد که شواهد قاطعی ارائه داد که اسفنج‌ها به قلمرو حیوانات تعلق دارند و حیوانات و کوانوفلاژلات‌ها گروه‌های خواهر هستند. با هم، کوانوفلاژلات‌ها و حیوانات یک کلاد مونوفیلتیک را تشکیل می‌دهند. ما این کلاد را "Choanozoa" می‌نامیم. علاوه بر این، مطالعات فیلوژنمیک ژنومی از تاکسون‌های قبلاً مبهم نشان داده است که نزدیکترین خویشاوندان Choanozoa Filasterea و Ichthyosporea هستند. با هم، Choanozoa، Ichthyosporea و Filasterea کلاد Holozoa را تشکیل می‌دهند که خواهر گروه قارچ‌ها است.

مورفولوژی و ساختار فوق‌العاده حفظ شده کوانوفلاژلات‌ها و کوانوسیت‌های اسفنج.
مجموعه یقه در کوانوفلاژلات‌ها و سلول‌های یقه اسفنج حفظ می‌شود.

علاوه بر ساختار فوق‌العاده حفظ شده، ایده اینکه مجموعه یقه در اجداد Choanozoa تکامل یافته است، با توزیع گسترده آن در حیوانات پشتیبانی می‌شود. فراتر از اسفنج‌ها، مجموعه‌های یقه با یک تاژک احاطه شده توسط حلقه ای از مژک‌های ریز در بیشتر شاخه‌های حیوانی یافت می‌شوند. در بسیاری از گونه‌های حیوانی مدرن، سلول‌های یقه اغلب در جذب غذا عمل می‌کنند: کوانوفلاژلات‌ها و کوانوسیت‌های اسفنج باکتری‌ها را فاگوسیتوز می‌کنند و سلول‌های یقه پوشش دهنده گاسترودرم برخی از cnidarianها ذرات غذایی تولید شده توسط هضم خارج سلولی را اندوسیتوز می‌کنند. در bilaterians و ctenophores، جذب مواد مغذی توسط سلول‌های روده انجام می‌شود که اغلب دارای یک تاژک متحرک و مژک‌های ریز هستند.

علاوه بر این، همولوژی مجموعه یقه در حیوانات و کوانوفلاژلات‌ها با محدودیت آن به Choanozoa پشتیبانی می‌شود. اگرچه اشکال آنالوگ مورفولوژیکی در برخی گونه‌های دوردست وجود دارد، در همه موارد ساختار زیرین متفاوت است.

کوانوفلاژلات‌ها مبنای سلولی منشاء حیوانات را آشکار می‌کنند
از آنجایی که کوانوفلاژلات‌ها نزدیکترین خویشاوندان حیوانات هستند، سوال اساسی این است که آیا ویژگی‌های مشترک سلولی - مانند مجموعه یقه - در جد مشترک آنها وجود داشته است یا خیر. الکترون میکروسکوپی نشان داده است که شباهت‌ها بین کوانوفلاژلات‌ها و کوانوسیت‌ها فراتر از مورفولوژی است و شامل یک ساختار زیرین مشترک است.

چگونه اجداد حیوانات چندسلولی شدند؟
سن چندسلولیتی حیوانات چقدر است؟
جد مشترک حیوانات قطعاً چندسلولی بود، اما آیا چندسلولیتی به جد مشترک Choanozoa نیز می‌رسد؟ بررسی‌های وسوسه‌انگیز نشان می‌دهد که بسیاری از کوانوفلاژلات‌ها اشکال چندسلولی اختیاری را تشکیل می‌دهند، از جمله کلونی‌های کروی، خطی یا شاخه‌ای که در حال رشد هستند. این اشکال به نظر می‌رسد به صورت کلونیایی تکامل یافته‌اند. اگرچه توزیع فیلوژنتیکی نمونه‌های شناخته شده چندسلولیتی در کوانوفلاژلات‌ها هنوز پراکنده است، چرخه‌های زندگی بسیاری از گونه‌ها به طور کامل شناخته نشده است که استنباط حالت اجدادی را با استفاده از اصل صرفه‌جویی دشوار می‌کند.

منشاء انواع سلولی حیوانات
دو فرضیه جایگزین برای منشاء انواع سلولی حیوانی: گذار زمانی-فضایی و تقسیم کار.

برای آزمایش فرضیه TST، مقایسه ترانسکریپتوم‌ها رویکرد امیدوارکننده‌ای برای بررسی همولوژی نوع سلولی است.

فرضیه تقسیم کار (DOL) پیشنهاد می‌کند که انواع سلولی از سلول‌های اجدادی چند منظوره با از دست دادن تمایز عملکردهای خاص تکامل یافته‌اند.

در نهایت، درک مکانیسم‌های مولکولی که منشاء حیوانات را هدایت می‌کنند، برای درک منشاء و تکامل انواع سلولی حیوانات ضروری است.