遠古海洋動物“講述”神經(jīng)元起源的故事

　　人類腦細胞成分約8億年前在淺海中形成

　　【今日視點】

　　◎本報記者 張夢然

　　扁形動物只有差不多一粒沙那么大，以一些淺海巖石表面的藻類和微生物為食。它簡單到?jīng)]有任何身體部位或器官。

　　然而，西班牙巴塞羅那基因組調(diào)控中心研究人員在最新一期《細胞》雜志上發(fā)表論文稱，在這些獨特而古老的海洋生物中發(fā)現(xiàn)的特殊分泌細胞，產(chǎn)生了人類等復雜動物大腦中的神經(jīng)元。

　　扁形動物在大約8億年前首次出現(xiàn)在地球上，是5大動物譜系之一，與櫛水母、海綿、刺胞動物和雙側(cè)對稱動物并列。研究人員采用了一系列分子技術(shù)和計算模型，了解到扁平動物細胞是如何進化的，并將人類古代祖先的外觀與功能“拼”在了一起。

　　重建古代細胞

　　研究人員首先繪制了所有不同扁平動物細胞的圖譜，注釋了它們在4個不同物種中的特征。每種細胞都有來自基因組的特殊作用。這些圖譜允許研究人員繪制基因的簇或“模塊”。隨后，他們創(chuàng)建了DNA中控制這些基因模塊的調(diào)控區(qū)域圖譜，以揭示每個細胞的作用以及它們?nèi)绾螀f(xié)同工作的清晰畫面。最終，他們進行了跨物種比較，重建了細胞進化。

　　研究表明，扁形動物中主要的9種細胞類型似乎由許多“中間”細胞連接，這些細胞從一種類型變?yōu)榱硪环N類型。細胞生長和分裂，維持動物移動和進食所需的細胞的微妙平衡。研究人員還發(fā)現(xiàn)了14種不同類型的肽能細胞，但這些細胞與所有其他細胞不同，沒有顯示出中間類型或任何生長分裂的跡象。

　　令人驚訝的是，肽能細胞與神經(jīng)元有許多相似之處。這種細胞類型直到數(shù)百萬年后才出現(xiàn)在更先進的動物中，如雙側(cè)對稱動物。

　　跨物種分析顯示，這些相似性是扁平動物獨有的，完全沒有出現(xiàn)在海綿或櫛水母等其它早期分支動物中。

　　發(fā)現(xiàn)“進化的臺階”

　　肽能細胞和神經(jīng)元之間的相似之處是三重的。首先，這些扁平動物細胞通過類似于神經(jīng)發(fā)生的發(fā)育信號從祖上皮細胞群中分化，神經(jīng)發(fā)生是刺胞動物和雙側(cè)新神經(jīng)元形成的過程。

　　其次，肽能細胞有許多基因模塊是構(gòu)建神經(jīng)元部分所需要的，該部分可發(fā)出信息(突觸前支架)。然而，這些細胞遠非真正的神經(jīng)元，因為它們?nèi)狈ι窠?jīng)元信息接收端(突觸后)的組件或傳導電信號所需的組件。

　　最后，通過深度學習技術(shù)可以發(fā)現(xiàn)，扁平動物細胞能使用特定系統(tǒng)實現(xiàn)通信，其中稱為G蛋白偶聯(lián)受體的蛋白質(zhì)，會檢測外部信號并在細胞內(nèi)啟動一系列反應。這些外部信號由神經(jīng)肽介導，神經(jīng)肽是神經(jīng)元在許多不同生理過程中使用的化學信使。

　　這令所有研究人員感到震驚，扁形動物肽能細胞與原始神經(jīng)元細胞居然有如此多相似之處，它就像是一級“進化的臺階”。

　　神經(jīng)元誕生的黎明

　　8億年前，在古代地球淺海里不顯眼的食草動物中，形成了神經(jīng)元的構(gòu)建塊。這是故事的開篇。

　　至于故事的框架，從進化的角度來看，早期的神經(jīng)元始于類似今天扁平動物的肽能分泌細胞。這些細胞使用神經(jīng)肽進行交流，但最終獲得了新的基因模塊，使細胞能夠創(chuàng)建突觸后支架，形成軸突和樹突，并創(chuàng)建產(chǎn)生快速電信號的離子通道。這些過程，如同神經(jīng)元誕生的黎明。

　　然而，這篇神經(jīng)系統(tǒng)的完整進化故事仍有待豐富。譬如，神經(jīng)元進化軌跡的細節(jié)問題：扁形動物缺乏神經(jīng)元，但研究人員在其中發(fā)現(xiàn)了與人類神經(jīng)細胞驚人的分子相似性；而櫛水母有神經(jīng)網(wǎng)絡，與人類自己的神經(jīng)網(wǎng)絡卻有關(guān)鍵的區(qū)別。那么，神經(jīng)元是進化一次然后分化，還是并行進化不止一次？它們像馬賽克嗎，每塊都有不同的起源？這些都是有待解決的問題。

　　研究人員認為，隨著世界各地繼續(xù)對來自不同物種的高質(zhì)量基因組進行測序，神經(jīng)元的起源和其他細胞類型的進化將變得越來越清晰。

　　細胞是生命的基本單位，了解它們?nèi)绾坞S著時間的推移而形成或變化，是解釋生命進化故事的關(guān)鍵。扁形動物、櫛水母、海綿和其它非傳統(tǒng)模式動物隱藏著巨大的秘密，人類現(xiàn)在才剛剛開始挖掘。(科技日報)