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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(gòu)造簡單，卻擁有許多與人類和其它復(fù)雜生物相同的基因。11月4日，Science 發(fā)表的一項最新研究發(fā)現(xiàn)，在海綿的消化腔中，類神經(jīng)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(jīng)系統(tǒng)的起源提供了線索。研究測定了海綿體內(nèi)大約26000個基因的表達，揭示了海綿細胞的復(fù)雜多樣性，以及神經(jīng)系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)和消化系統(tǒng)之間可能存在的古老聯(lián)系。 研究領(lǐng)域：復(fù)雜生命起源，神經(jīng)系統(tǒng)，基因表達圖譜 Viviane Callier | 作者 陳斯信 | 譯者 梁金 | 審校 鄧一雪 | 編輯 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(dāng)科學(xué)家為第一批海綿基因組測序時，他們驚訝地發(fā)現(xiàn)，海綿不僅擁有與人類和其它復(fù)雜生物大致相同數(shù)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?jīng)]有對稱的模式或者一套固定數(shù)量的部件。這些基因意味著，肌肉收縮和神經(jīng)元分化等功能的遺傳信息，比肌肉或神經(jīng)系統(tǒng)本身，要古老得多。但是這些基因在沒有神經(jīng)元或肌肉的動物身上做什么呢？研究人員只能根據(jù)已有知識做出猜測，然后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(fā)展的基因組技術(shù)，闡明了淡水海綿體內(nèi)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(nèi)（包括一些以前從未描述過的）細胞類型的基因配置。該圖譜為“細胞類型最初是如何演化的”[2]提供了重要線索，并可能有助于解決“神經(jīng)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(fā)表在2021年11月4日的《科學(xué)》雜志上。在丹佛大學(xué)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：“非凡之處在于，從這組數(shù)據(jù)中涌現(xiàn)出了非常迷人的假說。但我要著重強調(diào)，這些假說需要通過實驗驗證?！?/span>2. 沒有神經(jīng)元，卻暗示神經(jīng)系統(tǒng)起源
最令人興奮的假說是關(guān)于海綿消化腔內(nèi)的細胞。消化腔內(nèi)有獨特“鞭毛細胞”（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(diào)節(jié)通過消化腔的水流，并以水中攜帶的小顆粒和碎屑為食。消化腔內(nèi)還包含移動的“類神經(jīng)”細胞（neuroid cell），盡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(nèi)負責(zé)消化的 choanocyte 細胞。| 來源：Rohit Kumar Sengupta 利用高通量單細胞 RNA 測序技術(shù)，位于海德堡的歐洲分子生物學(xué)實驗室的 Detlev Arendt 團隊發(fā)現(xiàn)：鞭毛細胞表達了一些基因，會在神經(jīng)元中產(chǎn)生突觸后“支架”，參與接受和響應(yīng)神經(jīng)遞質(zhì)。他們還發(fā)現(xiàn)，移動的類神經(jīng)細胞表達了一套通常在神經(jīng)元突觸前球部活躍的基因。因此，研究人員猜想，類神經(jīng)細胞可能與鞭毛細胞交談，其工作可能是巡邏消化腔內(nèi)的微生物環(huán)境，并據(jù)此調(diào)節(jié)鞭毛細胞的進食行為。圖3. 海綿的消化腔里有鞭毛細胞，它們揮舞鞭毛，推動水流通過消化腔，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(lǐng)導(dǎo)該項目的博士后 Jacob Musser 對海綿進行染色，以觀察突觸前和突觸后基因的確切表達位置。他看到，表達突觸前基因的類神經(jīng)細胞確實靠近了表達突觸后基因的鞭毛細胞。事實上，類神經(jīng)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么回事?！?/span>為了更詳細地了解這些細胞在做什么，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分辨率三維圖像，可以分辨出小到15納米的細胞特征，這差不多是許多折疊蛋白質(zhì)的大小。他們看到，來自類神經(jīng)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(jīng)細胞里有囊泡，就像神經(jīng)元突觸前球體里一樣。他們懷疑這些囊泡在釋放一種叫做谷氨酸的神經(jīng)遞質(zhì)。盡管“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(jīng)細胞和鞭毛細胞之間直接、穩(wěn)定的接觸。相反，這些細胞之間的聯(lián)系似乎是短暫的。此外，海綿的DNA中缺乏一些用于產(chǎn)生動作電位的關(guān)鍵離子通道的基因，而正是動作電位這種尖銳的電信號刺激神經(jīng)元釋放神經(jīng)遞質(zhì)。盡管證據(jù)不足，但由于人們一直認為，海綿連接近神經(jīng)系統(tǒng)的東西都沒有，所以，海綿的細胞機制與神經(jīng)元有著深刻的演化關(guān)系這一線索，“是一條令人興奮的前進道路，將海綿生物學(xué)和神經(jīng)細胞生物學(xué)聯(lián)系起來，以了解在動物中神經(jīng)元信號傳遞到底從何而來?！盢ichols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(jīng)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(jié)中，兩個細胞之間的瞬時接觸，可能暗示了神經(jīng)元之間的突觸接觸。| 來源：Quanta Magazine; source: Jacob Musser, Giulia Mizzon, Constantin Pape, Nicole Schieber / EMBL 3. 早期動物演化： 當(dāng)多功能細胞開始承擔(dān)不同角色
神經(jīng)元和神經(jīng)系統(tǒng)的起源——特別是神經(jīng)元是一次出現(xiàn)還是多次出現(xiàn)的問題——是演化發(fā)育生物學(xué)領(lǐng)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(xùn)，現(xiàn)在在哥倫比亞大學(xué)研究脊椎動物細胞類型演化。這項新研究的結(jié)果似乎能聯(lián)系到這一謎團上，因為研究人員發(fā)現(xiàn)：突觸前基因組在類神經(jīng)細胞中表達，突觸后基因在鞭毛細胞中表達。（這兩組基因在其它細胞類型中也很活躍。）這一事實表明，負責(zé)細胞之間通信系統(tǒng)發(fā)射與接收端的基因模塊，被部署在各種類型的祖先動物細胞中。所以，Tosches 說，神經(jīng)元可能是通過這些基因模塊的不同應(yīng)用，反復(fù)獨立演化出來的。事實上，海綿中大量的多功能細胞會表達一些基因模塊，它們通常與更復(fù)雜動物（如脊椎動物）體內(nèi)的專門細胞有關(guān)。例如，海綿的類神經(jīng)細胞不僅表達神經(jīng)元的一些突觸前機制，還表達免疫基因（如果類神經(jīng)細胞監(jiān)測海綿消化腔的微生物含量，這些免疫基因有可能協(xié)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(yīng)。Musser 說：“一氧化氮是放松我們血管中平滑肌的東西。所以，我們的血管擴張，是一氧化氮促進放松的結(jié)果。而事實上，我們已經(jīng)通過論文中的實驗說明，一氧化氮也在調(diào)節(jié)這種海綿的收縮?！彼孪?，一氧化氮可能像谷氨酸一樣，是早期信號機制的一部分，能協(xié)調(diào)海綿的原始行為。Musser 說：“我們的數(shù)據(jù)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。早期動物演化的重要工作，是開始將這些功能碎片細分給不同細胞。但很可能這些最早的細胞類型是非常多功能的，必須做多種事情?！弊钤绲膭游锛毎?，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(dān)不同角色，這種分工可能導(dǎo)致了更加專門的細胞類型。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。既然基因模塊的混合和匹配是早期動物演化的一個關(guān)鍵主題，那么比較這些模塊在不同物種中的排列和表達，就可以告訴我們這些模塊的歷史，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(diào)節(jié)中心研究細胞類型的演化，并在2018年發(fā)表了第一份海綿動物[4]、胎生動物[5]和梳妝水母的細胞類型圖譜。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(diào)節(jié)機制。他說：“我被動物基因組中基因順序的穩(wěn)定程度深深震驚了?！彼麘岩?，基因組處于同一染色體的鄰近區(qū)域，是因為它們需要共同調(diào)控功能。科學(xué)家們?nèi)匀惶幱诹私饧毎愋腿绾窝葑兒拖嗷ヂ?lián)系的早期階段。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(xué)的可能性做出了重要貢獻。Sebé-Pedrós 說：“對于我們來說，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?！?/span>[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./doi/10.1126/science.abj2949[2] https://www./scientists-debate-the-origin-of-cell-types-in-the-first-animals-20190717/[3] https://www./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./articles/s41559-018-0575-6[5] https://www./worlds-simplest-animal-reveals-hidden-diversity-20180912/[6] https://www./sponge-genes-hint-at-the-origins-of-neurons-and-other-cells-20211104/原文地址： https://www./sponge-genes-hint-at-the-origins-of-neurons-and-other-cells-20211104/ 生命是有心（意識）的，但當(dāng)你一層層剝開生命的組織，卻只有心臟而沒有一顆“心靈”；打開大腦皮層看到一個個神經(jīng)元，卻看不到“意識”。然而，生命與意識都具有'自我生成'的能力，生命自發(fā)從非生命中生成，意識自發(fā)從生命中生成。更驚人的是，生命與意識的自我生成結(jié)構(gòu)似乎很相似。如果這個假設(shè)成立，那么最可能的備選結(jié)構(gòu)會是什么呢？ 為了更深入地認識復(fù)雜活系統(tǒng)的自生成結(jié)構(gòu)，集智科學(xué)家小木球(仇瑋祎)聯(lián)合周理乾、王東、董達、劉宇、苑明理、傅渥成、章彥博等科學(xué)哲學(xué)、計算機科學(xué)、物理學(xué)和生物化學(xué)等學(xué)科的一線研究者共同發(fā)起組織《自生成結(jié)構(gòu)系列讀書會》。其中第一季《共識——自生成結(jié)構(gòu)與自復(fù)制自動機的研究背景》，將自2021年11月20日開始，其后擬于每周五晚19:00-21:00線上舉行，預(yù)計持續(xù)12周。歡迎從事相關(guān)研究、對相關(guān)領(lǐng)域有濃厚興趣的探索者報名參與交流。
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