在一項新的研究中，來自西班牙巴塞羅那基因組調(diào)控中心的研究人員通過著重關(guān)注一類毫米大小的海洋動物---扁盤動物（placozoans），為神經(jīng)元的進(jìn)化提供了新的線索。他們發(fā)現(xiàn)有證據(jù)表明，在這些獨特而古老的動物體內(nèi)發(fā)現(xiàn)的特化分泌細(xì)胞可能孕育了更復(fù)雜動物體內(nèi)的神經(jīng)元。相關(guān)研究結(jié)果于2023年9月19日在線發(fā)表在Cell期刊上，論文標(biāo)題為“Stepwise emergence of the neuronal gene expression program in early animal evolution”。

扁盤動物是一種微小的動物，大約只有一粒大沙粒大小，在溫暖的淺海中以生活在巖石表面和其他基質(zhì)上的藻類和微生物為食。這些形似圓球和薄餅的生物非常簡單，沒有任何身體部位或器官。

這些動物被認(rèn)為是在大約 8 億年前首次出現(xiàn)在地球上的，是與櫛水母綱（Ctenophora）、多孔動物（Porifera）、刺胞動物（Cnidaria，包括珊瑚、海葵和水母）和兩側(cè)對稱動物（Bilateria）并列的五大動物門類之一。

這些海洋生物通過多肽能細(xì)胞（peptidergic cell）來協(xié)調(diào)它們的行為，這種特殊類型的細(xì)胞可以釋放小肽，指導(dǎo)動物的運動或進(jìn)食。在對這些細(xì)胞起源的好奇心驅(qū)使下，這些作者采用了一系列分子技術(shù)和計算模型，以了解扁盤動物細(xì)胞類型是如何進(jìn)化的，并拼湊出我們遠(yuǎn)古祖先的外觀和功能。

重建遠(yuǎn)古細(xì)胞類型

這些作者首先繪制了所有不同扁盤動物細(xì)胞類型的圖譜，標(biāo)注了它們在四個不同物種中的特征。每種細(xì)胞類型都有特定的作用，這些作用來自于特定的基因組。這種細(xì)胞圖譜使得人們能夠繪制出這些基因的集群或“模塊”。他們隨后繪制了控制這些基因模塊的 DNA 調(diào)控區(qū)圖譜，從而清楚地了解了每種細(xì)胞類型的作用以及它們?nèi)绾螀f(xié)同發(fā)揮作用。最后，他們進(jìn)行了跨物種比較，以重建這些細(xì)胞類型的進(jìn)化過程。

這些研究結(jié)果表明扁盤動物中的九種主要細(xì)胞類型似乎是由許多“中間”細(xì)胞類型連接起來的，它們從一種類型轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N類型。這些細(xì)胞不斷生長和分裂，維持著這些動物移動和進(jìn)食所需的細(xì)胞類型的微妙平衡。這些作者還發(fā)現(xiàn)了 14 種不同類型的多肽能細(xì)胞，但這些細(xì)胞與所有其他細(xì)胞都不同，沒有顯示出中間細(xì)胞類型，也沒有任何生長或分裂的跡象。

令人驚訝的是，這些多肽能細(xì)胞與神經(jīng)元有許多相似之處，而神經(jīng)元直到數(shù)百萬年后才出現(xiàn)在更高級的動物中，比如兩側(cè)對稱動物?？缥锓N分析表明，這些相似之處是扁盤動物所獨有的，并沒有出現(xiàn)在海綿或櫛水母等其他早期分支動物身上。

進(jìn)化的墊腳石

多肽能細(xì)胞與神經(jīng)元之間的相似性體現(xiàn)在三個方面。首先，這些作者發(fā)現(xiàn)，這些扁盤動物細(xì)胞通過類似于刺胞動物和兩側(cè)對稱動物中神經(jīng)發(fā)生的發(fā)育信號，從一群祖上皮細(xì)胞（progenitor epithelial cell）中分化出來。

其次，他們發(fā)現(xiàn)多肽能細(xì)胞具有許多基因模塊，這些模塊是構(gòu)建神經(jīng)元中能夠發(fā)出信息的部分（突觸前支架）所必需的。然而，這些細(xì)胞遠(yuǎn)非真正的神經(jīng)元，因為它們?nèi)狈ι窠?jīng)元信息接收端（突觸后）所需的組分或傳導(dǎo)電信號所需的組分。

最后，這些作者利用深度學(xué)習(xí)技術(shù)發(fā)現(xiàn)，扁盤動物細(xì)胞類型之間的交流是通過細(xì)胞內(nèi)的一個系統(tǒng)進(jìn)行的，在這個系統(tǒng)中，稱為G蛋白偶聯(lián)受體（GPCR）的特定蛋白會檢測到外部信號，并在細(xì)胞內(nèi)啟動一系列反應(yīng)。這些外部信號由神經(jīng)肽介導(dǎo)，其中神經(jīng)肽是神經(jīng)元在許多不同生理過程中使用的化學(xué)信使。

論文共同第一作者、巴塞羅那基因組調(diào)控中心的Sebastián R. Najle博士說，“我們對這些相似之處感到震驚。扁盤動物的多肽能細(xì)胞與原始神經(jīng)細(xì)胞有許多相似之處，盡管它們還沒有達(dá)到那種程度。這就像看到了進(jìn)化上的一塊墊腳石?！?/p>

神經(jīng)元的曙光

這項新的研究表明，8 億年前，在古代地球淺海中不顯眼地覓食的祖先動物中，神經(jīng)元的組成部分就已經(jīng)形成了。從進(jìn)化的角度來看，早期的神經(jīng)元最初可能類似于今天扁盤動物的多肽能分泌細(xì)胞。

這些細(xì)胞利用神經(jīng)肽進(jìn)行交流，但最終獲得了新的基因模塊，使得這些細(xì)胞能夠創(chuàng)建突觸后支架，形成軸突和樹突，并創(chuàng)建產(chǎn)生快速電信號所需的離子通道---這些創(chuàng)新對于扁盤動物祖先首次出現(xiàn)在地球上約一億年后神經(jīng)元的出現(xiàn)至關(guān)重要。

圖片來自Cell, 2023, doi:10.1016/j.cell.2023.08.027。

然而，神經(jīng)系統(tǒng)的完整進(jìn)化過程仍有待考證。據(jù)認(rèn)為，第一個現(xiàn)代神經(jīng)元起源于大約 6.5 億年前的刺胞動物和兩側(cè)對稱動物的共同祖先。然而，櫛水母中也存在類似神經(jīng)元的細(xì)胞，盡管它們在結(jié)構(gòu)上有很大差異，而且缺乏現(xiàn)代神經(jīng)元中大多數(shù)基因的表達(dá)。

扁盤動物細(xì)胞中存在一些神經(jīng)元基因，而櫛水母中卻沒有，這引發(fā)了有關(guān)神經(jīng)元進(jìn)化軌跡的新問題。

論文共同第一作者、巴塞羅那基因組調(diào)控中心博士后研究員Xavier Grau-Bové博士說，“扁盤動物缺乏神經(jīng)元，但我們?nèi)缃癜l(fā)現(xiàn)它們與我們的神經(jīng)細(xì)胞有著驚人的分子相似性。櫛水母有神經(jīng)網(wǎng)，與我們的神經(jīng)網(wǎng)有關(guān)鍵的不同之處，也有相似之處。神經(jīng)元是一次進(jìn)化然后分化，還是不止一次并行進(jìn)化？它們是馬賽克嗎，每一塊都有不同的起源？這些都是有待解決的開放性問題。”

這些作者相信，隨著世界各地的科學(xué)家們繼續(xù)對不同物種的高質(zhì)量基因組進(jìn)行測序，神經(jīng)元的起源和其他細(xì)胞類型的進(jìn)化將變得越來越清晰。

論文通訊作者、巴塞羅那基因組調(diào)控中心的Arnau Sebé-Pedros教授總結(jié)道，“細(xì)胞是生命的基本單位，因此了解細(xì)胞如何產(chǎn)生或隨時間發(fā)生變化是解釋生命進(jìn)化故事的關(guān)鍵。扁盤動物、櫛水母、海綿和其他非傳統(tǒng)模式動物蘊藏著我們剛剛開始揭開的秘密。” （生物谷 Bioon.com）

參考資料：

1. Sebastián R. Najle et al. Stepwise emergence of the neuronal gene expression program in early animal evolution. Cell, 2023, doi:10.1016/j.cell.2023.08.027.

2. Tiny sea creatures reveal the ancient origins of neurons
https://www./en/news/tiny-sea-creatures-reveal-ancient-origins-neurons