最早的神經元從何而來？海綿基因圖譜揭示神經系統起源

導語

海綿是動物生命演化樹上最早的分支譜系之一，它們身體構造簡單，卻擁有許多與人類和其它複雜生物相同的基因。11月4日， 發表的一項最新研究發現，在海綿的消化腔中，類神經細胞會和消化細胞交流，就像是一種原始的突觸交流，從而為神經系統的起源提供了線索。研究測定了海綿體內大約26000個基因的表達，揭示了海綿細胞的複雜多樣性，以及神經系統、免疫系統和消化系統之間可能存在的古老聯絡。

研究領域：複雜生命起源，神經系統，基因表達圖譜

Viviane Callier

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陳斯信

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梁金

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鄧一雪

研究領域：複雜生命起源，神經系統，基因表達圖譜

圖1。 一種淡水海綿（Spongilla）的最新基因表達圖譜，揭示了這些原始動物令人驚訝的細胞多樣性。| 來源：Allexxandar / Dreamstime。com

21世紀初，當科學家為第一批海綿基因組測序時，他們驚訝地發現，海綿不僅擁有與人類和其它複雜生物大致相同數量的基因，而且許多基因是相同的。海綿是動物生命演化樹上最早的分支譜系之一；它們的身體簡單到沒有對稱的模式或者一套固定數量的部件。這些基因意味著，

| 作者

但是這些基因在沒有神經元或肌肉的動物身上做什麼呢？研究人員只能根據已有知識做出猜測，然後一個基因一個基因地研究它們的表達模式。

然而近日，一項新的研究［1］利用快速發展的基因組技術，闡明瞭淡水海綿體內大約26000個基因的表達情況。這個基因表達圖譜揭示了整個海綿體內

（包括一些以前從未描述過的）

細胞型別的基因配置。該圖譜為“細胞型別最初是如何演化的”［2］提供了重要線索，並可能有助於解決“神經元演化了一次還是多次”［3］這一長期棘手的爭論。這項研究發表在2021年11月4日的《科學》雜誌上。

在丹佛大學研究海綿演化的 Scott Nichols 認為，這篇雄心勃勃的論文比以前的工作有了“飛躍”。他說：“非凡之處在於，從這組資料中湧現出了非常迷人的假說。但我要著重強調，這些假說需要透過實驗驗證。”

最令人興奮的假說是關於海綿消化腔內的細胞。消化腔內有獨特“

| 譯者

”

（choanocyte）

，有一圈手指狀的突起

（微絨毛）

和一個鞭毛。鞭毛細胞拍打它的鞭毛，來調節透過消化腔的水流，並以水中攜帶的小顆粒和碎屑為食。消化腔內還包含移動的

|

（neuroid cell）

，儘管這類細胞多年前就有描述，它們的身份和功能卻很神秘。

圖2。 海綿體內負責消化的 choanocyte 細胞。| 來源：Rohit Kumar Sengupta

利用高通量單細胞 RNA 測序技術，位於海德堡的歐洲分子生物學實驗室的 Detlev Arendt 團隊發現：鞭毛細胞表達了一些基因，會在神經元中產生突觸後“支架”，參與接受和響應神經遞質。他們還發現，移動的類神經細胞表達了一套通常在神經元突觸前球部活躍的基因。因此，研究人員猜想，

| 審校

，其工作可能是巡邏消化腔內的微生物環境，並據此調節鞭毛細胞的進食行為。

圖3。 海綿的消化腔裡有鞭毛細胞，它們揮舞鞭毛，推動水流透過消化腔，消化其中的小顆粒。| 來源：Caterina Longo， Bari University； source： doi。org/10。1371/journal。pone。0042392。g005

Arendt 實驗室領導該專案的博士後 Jacob Musser 對海綿進行染色，以觀察突觸前和突觸後基因的確切表達位置。他看到，表達突觸前基因的類神經細胞確實靠近了表達突觸後基因的鞭毛細胞。事實上，類神經細胞伸出了假肢臂，似乎接觸到了鞭毛細胞。

Musser 說：“這真的很神奇，但你很難說清楚究竟是怎麼回事。”

為了更詳細地瞭解這些細胞在做什麼，Musser 和他的團隊在漢堡的X射線同步加速器中使用聚焦離子束電子顯微鏡，來獲得這些細胞的超高解析度三維影象，可以分辨出小到15奈米的細胞特徵，這差不多是許多摺疊蛋白質的大小。他們看到，來自類神經細胞的突起包住了鞭毛細胞的微絨毛圈和鞭毛，而且類神經細胞裡有囊泡，就像神經元突觸前球體裡一樣。他們懷疑這些囊泡在釋放一種叫做穀氨酸的神經遞質。

儘管“這些海綿有原始的突觸”這個想法很誘人，但研究人員從未觀察到類神經細胞和鞭毛細胞之間直接、穩定的接觸。相反，這些細胞之間的聯絡似乎是短暫的。此外，海綿的DNA中缺乏一些用於產生動作電位的關鍵離子通道的基因，而正是動作電位這種尖銳的電訊號刺激神經元釋放神經遞質。

儘管證據不足，但由於人們一直認為，海綿連線近神經系統的東西都沒有，所以，海綿的細胞機制與神經元有著深刻的演化關係這一線索，“是一條令人興奮的前進道路，將海綿生物學和神經細胞生物學聯絡起來，以瞭解在動物中神經元訊號傳遞到底從何而來。”Nichols解釋道。

圖4。 左：海綿消化腔中細胞的彩色照片顯示了一個類神經細胞（品紅色）和一個鞭毛細胞（綠色）的相互作用。右：在放大的細節中，兩個細胞之間的瞬時接觸，可能暗示了神經元之間的突觸接觸。| 來源：Quanta Magazine； source： Jacob Musser， Giulia Mizzon， Constantin Pape， Nicole Schieber / EMBL

神經元和神經系統的起源——特別是神經元是一次出現還是多次出現的問題——是演化發育生物學領域最有爭議的話題之一，Maria Antonietta Tosches 表示。她之前在 Arendt 的實驗室接受培訓，現在在哥倫比亞大學研究脊椎動物細胞型別演化。

這項新研究的結果似乎能聯絡到這一謎團上，因為研究人員發現：突觸前基因組在類神經細胞中表達，突觸後基因在鞭毛細胞中表達。

（這兩組基因在其它細胞型別中也很活躍。）

這一事實表明，負責細胞之間通訊系統發射與接收端的基因模組，被部署在各種型別的祖先動物細胞中。所以，Tosches 說，神經元可能是透過這些基因模組的不同應用，反覆獨立演化出來的。

事實上，

| 編輯

。例如，海綿的類神經細胞不僅表達神經元的一些突觸前機制，還表達免疫基因

（如果類神經細胞監測海綿消化腔的微生物含量，這些免疫基因有可能協助該作用）

。海綿也有松果細胞

（pinacocytes）

，它們像肌肉細胞一樣一致地收縮，擠壓身體，排除廢物或者不需要的碎片；松果細胞有一些感覺機制，可以對一氧化氮

（一種血管擴張劑）

做出反應。

Musser 說：“一氧化氮是放鬆我們血管中平滑肌的東西。所以，我們的血管擴張，是一氧化氮促進放鬆的結果。而事實上，我們已經透過論文中的實驗說明，一氧化氮也在調節這種海綿的收縮。”他猜想，一氧化氮可能像穀氨酸一樣，是早期訊號機制的一部分，能協調海綿的原始行為。

Musser 說：“我們的資料與這一概念非常一致，即，在動物演化早期，就存在大量重要的機制功能碎片。

肌肉收縮和神經元分化等功能的遺傳資訊，比肌肉或神經系統本身，要古老得多。

。但很可能這些最早的細胞型別是非常多功能的，必須做多種事情。”最早的動物細胞，就像它們的近親原生動物一樣，不得不成為細胞中的瑞士軍刀。隨著多細胞生物的演化，細胞開始承擔不同角色，這種分工可能導致了更加專門的細胞型別。但是不同譜系的動物可能以不同的方式和程度進行了分工。

既然基因模組的混合和匹配是早期動物演化的一個關鍵主題，那麼比較這些模組在不同物種中的排列和表達，就可以告訴我們這些模組的歷史，以及它們可以被隨意打亂的潛在限制。Arnau Sebé-Pedrós 是尋找這些答案的研究人員，他在巴塞羅那的基因組調節中心研究細胞型別的演化，並在2018年發表了第一份海綿動物［4］、胎生動物［5］和梳妝水母的細胞型別圖譜。

Sebé-Pedrós 認為，基因沿染色體的空間配置可能具有啟示意義，因為位置相近的基因可以共享調節機制。他說：“我被動物基因組中基因順序的穩定程度深深震驚了。”他懷疑，基因組處於同一染色體的鄰近區域，是因為它們需要共同調控功能。

科學家們仍然處於瞭解細胞型別如何演變和相互聯絡的早期階段。但是，與澄清動物進化的起源［6］一樣重要的是，海綿細胞圖譜為揭示動物細胞生物學的可能性做出了重要貢獻。Sebé-Pedrós 說：“對於我們來說，重要的不僅僅是理解動物的起源，還有那些可能與我們對其它動物已有知識截然不同的東西。”

鞭毛細胞

［1］ Musser， J。 M。， Schippers， K。 J。， Nickel， M。， Mizzon， G。， Kohn， A。 B。， Pape， C。， & Arendt， D。 （2021）。 Profiling cellular diversity in sponges informs animal cell type and nervous system evolution。 Science， 374（6568）， 717-723。 https：//www。science。org/doi/10。1126/science。abj2949

［2］ https：//www。quantamagazine。org/scientists-debate-the-origin-of-cell-types-in-the-first-animals-20190717/

［3］ https：//www。quantamagazine。org/comb-jelly-neurons-spark-evolution-debate-20150325/

［4］ Sebé-Pedrós A， Chomsky E， Pang K， Lara-Astiaso D， Gaiti F， Mukamel Z， Amit I， Hejnol A， Degnan BM， Tanay A。 Early metazoan cell type diversity and the evolution of multicellular gene regulation。 Nature ecology & evolution。 2018 Jul；2（7）：1176-88。 https：//www。nature。com/articles/s41559-018-0575-6

［5］ https：//www。quantamagazine。org/worlds-simplest-animal-reveals-hidden-diversity-20180912/

［6］ https：//www。quantamagazine。org/sponge-genes-hint-at-the-origins-of-neurons-and-other-cells-20211104/

原文地址：

https：//www。quantamagazine。org/sponge-genes-hint-at-the-origins-of-neurons-and-other-cells-20211104/

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“類神經”細胞

類神經細胞可能與鞭毛細胞交談