遠(yuǎn)古海洋動(dòng)物“講述”神經(jīng)元起源的故事

　　人類(lèi)腦細(xì)胞成分約8億年前在淺海中形成

　　【今日視點(diǎn)】

　　◎本報(bào)記者 張夢(mèng)然

　　扁形動(dòng)物只有差不多一粒沙那么大，以一些淺海巖石表面的藻類(lèi)和微生物為食。它簡(jiǎn)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(xì)胞》雜志上發(fā)表論文稱，在這些獨(dú)特而古老的海洋生物中發(fā)現(xiàn)的特殊分泌細(xì)胞，產(chǎn)生了人類(lèi)等復(fù)雜動(dòng)物大腦中的神經(jīng)元。

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

　　重建古代細(xì)胞

　　研究人員首先繪制了所有不同扁平動(dòng)物細(xì)胞的圖譜，注釋了它們?cè)?個(gè)不同物種中的特征。每種細(xì)胞都有來(lái)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(gè)細(xì)胞的作用以及它們?nèi)绾螀f(xié)同工作的清晰畫(huà)面。最終，他們進(jìn)行了跨物種比較，重建了細(xì)胞進(jìn)化。

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

　　令人驚訝的是，肽能細(xì)胞與神經(jīng)元有許多相似之處。這種細(xì)胞類(lèi)型直到數(shù)百萬(wàn)年后才出現(xiàn)在更先進(jìn)的動(dòng)物中，如雙側(cè)對(duì)稱動(dòng)物。

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

　　發(fā)現(xiàn)“進(jìn)化的臺(tái)階”

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

　　其次，肽能細(xì)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(xì)胞遠(yuǎn)非真正的神經(jīng)元，因?yàn)樗鼈內(nèi)狈ι窠?jīng)元信息接收端(突觸后)的組件或傳導(dǎo)電信號(hào)所需的組件。

　　最后，通過(guò)深度學(xué)習(xí)技術(shù)可以發(fā)現(xiàn)，扁平動(dòng)物細(xì)胞能使用特定系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)通信，其中稱為G蛋白偶聯(lián)受體的蛋白質(zhì)，會(huì)檢測(cè)外部信號(hào)并在細(xì)胞內(nèi)啟動(dòng)一系列反應(yīng)。這些外部信號(hào)由神經(jīng)肽介導(dǎo)，神經(jīng)肽是神經(jīng)元在許多不同生理過(guò)程中使用的化學(xué)信使。

　　這令所有研究人員感到震驚，扁形動(dòng)物肽能細(xì)胞與原始神經(jīng)元細(xì)胞居然有如此多相似之處，它就像是一級(jí)“進(jìn)化的臺(tái)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(dòng)物中，形成了神經(jīng)元的構(gòu)建塊。這是故事的開(kāi)篇。

　　至于故事的框架，從進(jìn)化的角度來(lái)看，早期的神經(jīng)元始于類(lèi)似今天扁平動(dòng)物的肽能分泌細(xì)胞。這些細(xì)胞使用神經(jīng)肽進(jìn)行交流，但最終獲得了新的基因模塊，使細(xì)胞能夠創(chuàng)建突觸后支架，形成軸突和樹(shù)突，并創(chuàng)建產(chǎn)生快速電信號(hào)的離子通道。這些過(guò)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(jìn)化故事仍有待豐富。譬如，神經(jīng)元進(jìn)化軌跡的細(xì)節(jié)問(wèn)題：扁形動(dòng)物缺乏神經(jīng)元，但研究人員在其中發(fā)現(xiàn)了與人類(lèi)神經(jīng)細(xì)胞驚人的分子相似性；而櫛水母有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，與人類(lèi)自己的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)卻有關(guān)鍵的區(qū)別。那么，神經(jīng)元是進(jìn)化一次然后分化，還是并行進(jìn)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(wèn)題。

　　研究人員認(rèn)為，隨著世界各地繼續(xù)對(duì)來(lái)自不同物種的高質(zhì)量基因組進(jìn)行測(cè)序，神經(jīng)元的起源和其他細(xì)胞類(lèi)型的進(jìn)化將變得越來(lái)越清晰。

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