遠古海洋動物“講述”神經元起源的故事

　　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。它簡單到沒有任何身體部位或器官。

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

　　扁形動物在大約8億年前首次出現在地球上，是5大動物譜系之一，與櫛水母、海綿、刺胞動物和雙側對稱動物并列。研究人員采用了一系列分子技術和計算模型，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，他們創建了DNA中控制這些基因模塊的調控區域圖譜，以揭示每個細胞的作用以及它們如何協同工作的清晰畫面。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為另一種類型。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。研究人員還發現了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，肽能細胞與神經元有許多相似之處。這種細胞類型直到數百萬年后才出現在更先進的動物中，如雙側對稱動物。

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

　　發現“進化的臺階”

　　肽能細胞和神經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發生的發育信號從祖上皮細胞群中分化，神經發生是刺胞動物和雙側新神經元形成的過程。

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

　　最后，通過深度學習技術可以發現，扁平動物細胞能使用特定系統實現通信，其中稱為G蛋白偶聯受體的蛋白質，會檢測外部信號并在細胞內啟動一系列反應。這些外部信號由神經肽介導，神經肽是神經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，形成了神經元的構建塊。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。這些細胞使用神經肽進行交流，但最終獲得了新的基因模塊，使細胞能夠創建突觸后支架，形成軸突和樹突，并創建產生快速電信號的離子通道。這些過程，如同神經元誕生的黎明。

　　然而，這篇神經系統的完整進化故事仍有待豐富。譬如，神經元進化軌跡的細節問題：扁形動物缺乏神經元，但研究人員在其中發現了與人類神經細胞驚人的分子相似性；而櫛水母有神經網絡，與人類自己的神經網絡卻有關鍵的區別。那么，神經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，隨著世界各地繼續對來自不同物種的高質量基因組進行測序，神經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，了解它們如何隨著時間的推移而形成或變化，是解釋生命進化故事的關鍵。扁形動物、櫛水母、海綿和其它非傳統模式動物隱藏著巨大的秘密，人類現在才剛剛開始挖掘。(科技日報)