[论文解读] The Origin, Evolution and Development of Bilateral Symmetry in Multicellular Organisms

Eric Werner|arXiv (Cornell University)|Jul 13, 2012

Protist diversity and phylogeny参考文献 35被引用 7

一句话总结

本文提出了一种计算模型，解释多细胞生物的双边对称性如何从单个细胞通过两个创始子细胞中相反细胞取向状态的表观遗传遗传而产生。通过将发育控制网络与空间取向联系起来，该模型解释了对称性破缺、镜像发育，以及寒武纪大爆发期间的进化创新，如从内向外生长和间断式进化。

ABSTRACT

A computational theory and model of the ontogeny and development of bilateral symmetry in multicellular organisms is presented. Understanding the origin and evolution of bilateral organisms requires an understanding of how bilateral symmetry develops, starting from a single cell. Bilateral symmetric growth of a multicellular organism from a single starter cell is explained as resulting from the opposite handedness and orientation along one axis in two daughter founder cells that are in equivalent developmental control network states. Several methods of establishing the initial orientation of the daughter cells (including oriented cell division and cell signaling) are discussed. The orientation states of the daughter cells are epigenetically inherited by their progeny. This results in mirror development with the two founding daughter cells generating complementary mirror image multicellular morphologies. The end product is a bilateral symmetric organism. The theory gives a unified explanation of diverse phenomena including symmetry breaking, situs inversus, gynandromorphs, inside-out growth, bilaterally symmetric cancers, and the rapid, punctuated evolution of bilaterally symmetric organisms in the Cambrian Explosion. The theory is supported by experimental results on early embryonic development. The theory makes precise testable predications.

研究动机与目标

• 解决一个基本的生物学问题：双边对称性如何从单细胞受精卵中产生。
• 将多种现象（如内脏反转、雌雄嵌合体，以及双边对称性癌症）统一于单一的发育机制之下。
• 通过表观遗传对称性变换，解释寒武纪大爆发期间两侧对称动物的快速辐射演化。
• 为早期原肠胚形成中的对称性破缺提供可检验的框架，结合计算建模与多智能体系统。

提出的方法

• 基于单个细胞分裂产生的两个创始子细胞中镜像取向状态，提出一种基于表观遗传的双边发育计算理论。
• 通过将发育控制网络与空间坐标系统关联，使用取向作为关键的表观遗传变量，建立其关联模型。
• 引入‘取向转换’概念，即通过外部线索（如纤毛诱导的流动）反转细胞极性，同时保持发育网络状态不变。
• 利用多智能体系统模拟，研究定向细胞分裂与信号传导如何建立初始不对称性，并在谱系中传播。
• 定义‘基因组’（cenome）与‘基因元’（cenes）作为跨代传递细胞取向与网络状态的表观遗传编码。
• 应用对称性变换理论，解释从内向外生长、对称性反转及亚对称性形成等现象。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过表观遗传机制而非基因差异，双边对称性如何从一个对称的单细胞受精卵中产生？
• RQ2 定向细胞分裂与纤毛诱导的流动在早期原肠胚形成过程中对对称性破缺起到什么作用？
• RQ3 对称性反转如何导致从内向外的发育模式？此类转换存在哪些发育约束？
• RQ4 为何两侧对称动物在寒武纪大爆发期间经历了快速的辐射演化？这是否能通过表观遗传对称性变换来解释？
• RQ5 细胞取向如何在谱系中遗传？哪些分子标记可定义左右身体半边的差异？

主要发现

• 该模型表明，即使两个创始子细胞的发育控制网络完全相同，其表观遗传继承的相反取向状态也能导致镜像发育的产生。
• 早期囊胚期胚胎（如Gardner的研究）的实验数据支持该理论关于2-细胞阶段即存在双边对称性的预测。
• 线虫（*C. elegans*）与果蝇（*Drosophila*）中的定向细胞分裂，以及肢体发育中的极性形成，为空间取向在对称性建立中的作用提供了实证支持。
• 小鼠与人类中的内脏反转（situs inversus）被解释为：在左右轴上，定向流动未能正确触发取向转换所致。
• 该模型预测，仅处于预先分化但可接受诱导的细胞状态的细胞，才能对纤毛诱导的流动产生取向转换反应，从而确保发育的可靠性。
• 该理论将双边对称性癌症解释为对称性破缺失败的结果：由于取向控制被破坏，双侧半边发育完全相同。